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第三讲 氢经济
太阳能 第一类能源 一级能源 （来自地球以外） 宇宙射线等
地球热能 第二类能源 （来自地球内部） 原子能
二级能源：电能，氢能，汽油，酒精，丙烷，炸药等。
氢经济(Hydrogen Economy): 未来社会中，氢能成为社会主体能源时，
国民经济将会发生根本性改变，大大不同于 今日的化石能源经济。
8.3%。
C60 + 30H2 → C60H60 碳纳米管加压储氢量可达材料自身重量的4%。
3.3 氢作为能源的应用
1.管道输送作为常规家用燃料
2.氢—电的相互转换 管道输送氢气，在经济上和技术上比电网传
输电力更为有利。 应用氢—空气或氢—氧燃料电池发电，操作
时几乎无声，仅有轻微气流声。燃料电池可大 到用于城市发电，也可小到用于手电筒
NH4Cl+CaO → NH3(g,循环利用）+CaCl2+H2O
这种工艺路线根据能量衡算，可能成为能耗 最低和最合理的制氢工艺。另外，工艺所需热 源不受局限，任何热源均可以用为驱动热化学 循环的动力。最合乎理想的途径是将热化学循 环反应与太阳能利用结合起来，可能成为将来 成本最低廉的制氢工艺。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6.生物制氢技术 1966年首先提出，90年代受到极大重视。发
2.高压气体钢瓶 氢气可以15—40MPa压装入钢瓶中进行运输。
方便，可靠，但效率极低。 30Kg钢瓶在15MPa下仅能装1kg 氢气， 40MPa下装2.5kg氢气。 氢气质量仅占运输设备质量的2—4%。 高压气体的安全隐患。
3.液氢 氢气临界温度=33.19K 液氢可通过管道运输，管道需有极完好的热
绝缘。如空间宇航短程设施等。 长距离运输经济上不合算。 贮存液氢也可作为储氢手段。主要考虑的是
热绝缘问题。如真空热绝缘储罐。
4.金属氢化物储氢 金属储氢材料为一类多元合金。
如：镍基合金LiN5, 铁基合金TiFe, 镁基合金Mg2Cu
储氢合金为功能材料，在吸放氢过程中，表
现出一些特殊可应用的功能。
4CO +2 H2 +4H2O→ 4CO2 + 6H2
3.天然气的化学转化
CH4 + 2H2O→ CO2 + 4H2 △G=+113.6kJ·mol-1 △ H=+165kJ·mol-1 目前已有成熟工艺可供采用
4.高温电解水蒸气制氢工艺 上世纪70年代末开始发展，目前已基本成熟。
比电解水可节约电力20%。 约在1000℃高温下电解。 该工艺虽然电流效率很高，但成本仍高于化
以氢能为主体能源的国民经济，称为氢 经济。
估计到50年代，氢经济将会得以实现。
C + O2 = CO2 △fHөm= - 393.5KJ·mol-1. H2 + O2 = H2O(g) △fHөm= - 241.8KJ·mol-1. H2 + O2 = H2O(l) △fHөm= - 285.8KJ·mol-1.
世界上有相当数量的氢气是由电解生产的。 但应用范围并不广。主要是电力比天然气，石 油或煤炭贵得多。
但在有丰富水电资源的加拿大、挪威，都 设有很大规模的电解水生产氢气的工厂。
2.煤的地下气化规模制氢工程 在封闭地下煤矿井中，让煤层与鼓入地下的
氧气和水蒸气发生水煤气反应，抽出矿井加以 利用。
4C + O2 +2H2O(g)→ 4CO + 2H2 同时可令水煤气通过变换反应转化为H2和 CO2
在未来的化石能源经济转化为氢经济的时代 里，氢—电的相互转化将会是氢经济系统的关 键性技术。
3.机动车动力 氢气与空气组成爆鸣气，有强有力的爆发
力，且在40℃下可打火爆燃，是一良好的内燃 机燃料。
实际操作环境中，平均能量效率： 汽油机： 20% 柴油机： 25% 氢—电动系统：75% 氢燃料电池电动车可带来许多好处： 避免环境污染和噪音污染，提高能量利用
现今市场上已有一些储氢材料储氢器。 储氢器设计要求要能达到一下条件： a.高的储氢容量 b.能快速冲、放氢 c.操作安全 d.使用寿命长 其中选择适宜的储氢材料是问题的关键。 储氢材料化学极其应用技术已成为技术界研 究和开发的重要研究方向。
材料范围从无机到有机物
CH3C6H5 + 3H2→ CH3C6H11 C10H8+ 5H2→ C10H18 若C60可实现催化可逆加氢，将会是超级优 越的储氢材料，储氢量可达材料质量分数的
率，节省燃料，解除氢密度低、体积大的缺点。
目前阻碍燃料电池普遍推广应用的障碍仍然 是生产成本与价格问题
4.氢能在航天技术中的应用 当前常用的液体推进剂有两对燃料—氧化
氢的有效规模生成 主要面临三个问题 氢的储存和运输
氢能的社会整体应用
3.1 氢的规模生成
氢的规模生成已列为国家973重大基础研究。 1.电解水：
水电阻率：106Ω·cm，电解水制氢需加电解 质以增大水的导电性。
电解水的最理想电极是铂系金属，但这些金 属均很昂贵，实际工作中无法采用。
目前实际生产中使用遮镀镍铁电极。
LiN5 + 3H2 → LaNi5H6 + 金属氢化物生成热 过程变化特性和可能功能：
a.储放氢为物质变化，可吸收和供给氢气 b.吸入氢气有气压变化，可用作气压敏感材料。 c.吸放氢过程有热量变化，可用作热敏材料，
做空调和致冷器件
d.从合金到金属氢化物有电化学性能变化，可 用于储氢电极
e.储氢材料常常是加氢或脱氢反应的催化剂。
达国家建立相应机构并提出发展机划，进行相 应的基础和应用研究。
至目前研究进展不理想，研究大都集中于细 菌和酶固定化技术上，离工业化生产还有很大 距离。
3.2 氢的储存和运输
氢的特性：最轻的分子和运动速度最快的气 体，易爆性。
1.管道运输 现代工业对管道输送氢气已有丰富的经验。
用管道输送氢气作为常规燃料到千家万户应是 可行的.
石燃料，处于技术储备状态。未来可能会产生 巨大潜力。
5.热化学循环分解水制氢 纯水热分解需要约4000℃。 为降低水的热分解温度，上世纪80年代发展
了热化学循环分解水制氢技术研究技术。 循环反应是化学工艺中为节省能源、节省反
应物料常采用的化学技术。如氨碱法制纯碱工 艺就是一典型的循环反应。
NaCl+NH3+CO2+H2O→ NaHCO3 +NH4Cl 煅烧 2NaHCO3 →Na2CO3+CO2+H2O
太阳能 第一类能源 一级能源 （来自地球以外） 宇宙射线等
地球热能 第二类能源 （来自地球内部） 原子能
二级能源：电能，氢能，汽油，酒精，丙烷，炸药等。
氢经济(Hydrogen Economy): 未来社会中，氢能成为社会主体能源时，
国民经济将会发生根本性改变，大大不同于 今日的化石能源经济。
8.3%。
C60 + 30H2 → C60H60 碳纳米管加压储氢量可达材料自身重量的4%。
3.3 氢作为能源的应用
1.管道输送作为常规家用燃料
2.氢—电的相互转换 管道输送氢气，在经济上和技术上比电网传
输电力更为有利。 应用氢—空气或氢—氧燃料电池发电，操作
时几乎无声，仅有轻微气流声。燃料电池可大 到用于城市发电，也可小到用于手电筒
NH4Cl+CaO → NH3(g,循环利用）+CaCl2+H2O
这种工艺路线根据能量衡算，可能成为能耗 最低和最合理的制氢工艺。另外，工艺所需热 源不受局限，任何热源均可以用为驱动热化学 循环的动力。最合乎理想的途径是将热化学循 环反应与太阳能利用结合起来，可能成为将来 成本最低廉的制氢工艺。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6.生物制氢技术 1966年首先提出，90年代受到极大重视。发
2.高压气体钢瓶 氢气可以15—40MPa压装入钢瓶中进行运输。
方便，可靠，但效率极低。 30Kg钢瓶在15MPa下仅能装1kg 氢气， 40MPa下装2.5kg氢气。 氢气质量仅占运输设备质量的2—4%。 高压气体的安全隐患。
3.液氢 氢气临界温度=33.19K 液氢可通过管道运输，管道需有极完好的热
绝缘。如空间宇航短程设施等。 长距离运输经济上不合算。 贮存液氢也可作为储氢手段。主要考虑的是
热绝缘问题。如真空热绝缘储罐。
4.金属氢化物储氢 金属储氢材料为一类多元合金。
如：镍基合金LiN5, 铁基合金TiFe, 镁基合金Mg2Cu
储氢合金为功能材料，在吸放氢过程中，表
现出一些特殊可应用的功能。
4CO +2 H2 +4H2O→ 4CO2 + 6H2
3.天然气的化学转化
CH4 + 2H2O→ CO2 + 4H2 △G=+113.6kJ·mol-1 △ H=+165kJ·mol-1 目前已有成熟工艺可供采用
4.高温电解水蒸气制氢工艺 上世纪70年代末开始发展，目前已基本成熟。
比电解水可节约电力20%。 约在1000℃高温下电解。 该工艺虽然电流效率很高，但成本仍高于化
以氢能为主体能源的国民经济，称为氢 经济。
估计到50年代，氢经济将会得以实现。
C + O2 = CO2 △fHөm= - 393.5KJ·mol-1. H2 + O2 = H2O(g) △fHөm= - 241.8KJ·mol-1. H2 + O2 = H2O(l) △fHөm= - 285.8KJ·mol-1.
世界上有相当数量的氢气是由电解生产的。 但应用范围并不广。主要是电力比天然气，石 油或煤炭贵得多。
但在有丰富水电资源的加拿大、挪威，都 设有很大规模的电解水生产氢气的工厂。
2.煤的地下气化规模制氢工程 在封闭地下煤矿井中，让煤层与鼓入地下的
氧气和水蒸气发生水煤气反应，抽出矿井加以 利用。
4C + O2 +2H2O(g)→ 4CO + 2H2 同时可令水煤气通过变换反应转化为H2和 CO2
在未来的化石能源经济转化为氢经济的时代 里，氢—电的相互转化将会是氢经济系统的关 键性技术。
3.机动车动力 氢气与空气组成爆鸣气，有强有力的爆发
力，且在40℃下可打火爆燃，是一良好的内燃 机燃料。
实际操作环境中，平均能量效率： 汽油机： 20% 柴油机： 25% 氢—电动系统：75% 氢燃料电池电动车可带来许多好处： 避免环境污染和噪音污染，提高能量利用
现今市场上已有一些储氢材料储氢器。 储氢器设计要求要能达到一下条件： a.高的储氢容量 b.能快速冲、放氢 c.操作安全 d.使用寿命长 其中选择适宜的储氢材料是问题的关键。 储氢材料化学极其应用技术已成为技术界研 究和开发的重要研究方向。
材料范围从无机到有机物
CH3C6H5 + 3H2→ CH3C6H11 C10H8+ 5H2→ C10H18 若C60可实现催化可逆加氢，将会是超级优 越的储氢材料，储氢量可达材料质量分数的
率，节省燃料，解除氢密度低、体积大的缺点。
目前阻碍燃料电池普遍推广应用的障碍仍然 是生产成本与价格问题
4.氢能在航天技术中的应用 当前常用的液体推进剂有两对燃料—氧化
氢的有效规模生成 主要面临三个问题 氢的储存和运输
氢能的社会整体应用
3.1 氢的规模生成
氢的规模生成已列为国家973重大基础研究。 1.电解水：
水电阻率：106Ω·cm，电解水制氢需加电解 质以增大水的导电性。
电解水的最理想电极是铂系金属，但这些金 属均很昂贵，实际工作中无法采用。
目前实际生产中使用遮镀镍铁电极。
LiN5 + 3H2 → LaNi5H6 + 金属氢化物生成热 过程变化特性和可能功能：
a.储放氢为物质变化，可吸收和供给氢气 b.吸入氢气有气压变化，可用作气压敏感材料。 c.吸放氢过程有热量变化，可用作热敏材料，
做空调和致冷器件
d.从合金到金属氢化物有电化学性能变化，可 用于储氢电极
e.储氢材料常常是加氢或脱氢反应的催化剂。
达国家建立相应机构并提出发展机划，进行相 应的基础和应用研究。
至目前研究进展不理想，研究大都集中于细 菌和酶固定化技术上，离工业化生产还有很大 距离。
3.2 氢的储存和运输
氢的特性：最轻的分子和运动速度最快的气 体，易爆性。
1.管道运输 现代工业对管道输送氢气已有丰富的经验。
用管道输送氢气作为常规燃料到千家万户应是 可行的.
石燃料，处于技术储备状态。未来可能会产生 巨大潜力。
5.热化学循环分解水制氢 纯水热分解需要约4000℃。 为降低水的热分解温度，上世纪80年代发展
了热化学循环分解水制氢技术研究技术。 循环反应是化学工艺中为节省能源、节省反
应物料常采用的化学技术。如氨碱法制纯碱工 艺就是一典型的循环反应。
NaCl+NH3+CO2+H2O→ NaHCO3 +NH4Cl 煅烧 2NaHCO3 →Na2CO3+CO2+H2O