第六章氫化學(xué)能第一頁，共47頁。6.1氫能概述6.2氫能的制取6.3氫能的存儲(cúnchǔ)和運輸6.4氫能的利用本章(běnzhānɡ)主要內(nèi)容第二頁，共47頁。二次能源又可分為兩類：

過程性能源（水能、風(fēng)能、電能……）含能體能源（汽油(qìyóu)、柴油……）一次能源能源用戶二次能源6.1氫能概述(ɡàishù)氫只是能量的一種(yīzhǒnɡ)儲存形式，是能源載體，不是能源第三頁，共47頁。目前“過程性能源(néngyuán)”尚不能大量地直接貯存，因此，汽車、輪船、飛機等現(xiàn)代交通運輸工具就只能采用像柴油、汽油這一類“含能體能源(néngyuán)”。隨著常規(guī)能源(néngyuán)危機的出現(xiàn)，在開發(fā)新的一次能源(néngyuán)的同時，人們將目光也投向?qū)で笮碌摹昂荏w能源(néngyuán)”，氫能正是一種人們期待的新的二次能源(néngyuán)。第四頁，共47頁。21世紀(jì)最有前途(qiántú)的能源有兩種：氫能受控核聚變能第五頁，共47頁。氫的特點(tèdiǎn)氫位于元素周期表之首，它的原子序數(shù)為1，在常溫常壓下為氣態(tài)(qìtài)，在超低溫高壓下又可成為液態(tài)。第六頁，共47頁。1）質(zhì)量最輕的元素2）導(dǎo)熱性最好的氣體。比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高10倍，因此(yīncǐ)在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體。第七頁，共47頁。3）氫是自然界存在最普遍的元素。據(jù)估計它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量(zhìliàng)的75%，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。第八頁，共47頁。4）除核燃料外，氫是發(fā)熱值最高的燃料。1kg氫燃燒放出142.35kJ熱量，約為汽油(qìyóu)的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。5）氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快。第九頁，共47頁。6）氫氣燃燒(ránshāo)后產(chǎn)物是水，無污染，且可再生第十頁，共47頁。7）氫能利用形式多。既可作為動力燃料和熱能燃料，又可作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。8）氫存儲方式多樣。以氣、液、固態(tài)形式存在，能適應(yīng)貯運及各種(ɡèzhǒnɡ)應(yīng)用環(huán)境的不同要求?？傊?，氫能所具有的清潔、無污染、效率高、重量輕和儲存及輸送性能好、應(yīng)用形式多等諸多優(yōu)點(yōudiǎn)，贏得了人們的青睞。第十一頁，共47頁。6.2氫能的制取氫能是一種二次能源，在人類生存(shēngcún)的地球上，雖然氫是最豐富的元素，但自然界中氫多以化合物的形式的存在，氫氣極少。最豐富的含氫物質(zhì)是水（H2O），其次就是各種礦物燃料（煤、石油、天然氣）及各種生物質(zhì)等。因此要開發(fā)利用這種理想的清潔能源，必需首先開發(fā)氫源，即研究開發(fā)各種制氫的方法。第十二頁，共47頁。氫的制取◆實驗室中制氫氣(qīnɡqì)主要包括活潑金屬(jīnshǔ)（金屬(jīnshǔ)氫化物）與水/酸/堿的反應(yīng)：第十三頁，共47頁。水煤氣法：裂解(lièjiě)天然氣/石油制氫法◆工業(yè)法制(fǎzhì)氫氣以煤、石油、天然氣為原料裂解制備(zhìbèi)氫氣煤焦化、氣化焦炭+H2+少量CH4+CO第十四頁，共47頁。電解水法：低溫(dīwēn)電解法高溫(gāowēn)電解法電極(diànjí)：PtNi效率：<32%電極：多孔YO/ZrO2效率：~30-40%第十五頁，共47頁。?熱化學(xué)分解(fēnjiě)水制氫要使水吸收熱能分解成氫氣和氧氣，需要△G≤0,即T≥4700K，如此高的溫度只能借助(jièzhù)核反應(yīng)堆。將熱化學(xué)分解反應(yīng)與太陽能、核能耦合，可以制備廉價、清潔(qīngjié)的氫氣。太陽爐可以產(chǎn)生1200℃，添加AB熱循環(huán)試劑(氧化物、硫化物、鹵化物、硫酸)第十六頁，共47頁。利用太陽能分解(fēnjiě)金屬氧化物的熱化學(xué)循環(huán)：第十七頁，共47頁。硫-碘分解(fēnjiě)熱化學(xué)循環(huán)：總反應(yīng)(fǎnyìng)第十八頁，共47頁。?太陽能光電轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)制氫及光化學(xué)分解水太陽能電能(diànnéng)氫氣(qīnɡqì)光電轉(zhuǎn)換電解水光催化分解水制氫，其核心是尋找合適的光敏催化劑?

生物質(zhì)能制氫生物秸稈富氫氣體氣化、裂解厭氧發(fā)酵富氫氣體第十九頁，共47頁。?甲醇(jiǎchún)制氫CO+2H2CH3OHZn催化劑CH3OHCO+2H2CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2CH3OH+H2OCO2+3H2總反應(yīng)(fǎnyìng)第二十頁，共47頁。常用的制取氫氣(qīnɡqì)的方法原理圖：第二十一頁，共47頁。日產(chǎn)開發(fā)(kāifā)汽車燃料電池組及高壓貯氫器6.3氫的儲存(chǔcún)與運輸氫氣的儲存和運輸是氫能應(yīng)用(yìngyòng)的前提和關(guān)鍵；氫通常以氣態(tài)形式存在，這就為貯存和運輸帶來很大困難。氫存儲問題涉及到氫生產(chǎn)、運輸、最終應(yīng)用(yìngyòng)等所有環(huán)節(jié)。第二十二頁，共47頁。目前，氫的存儲主要有三種方法：高壓(gāoyā)氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和儲氫材料儲氫。（1）高壓(gāoyā)氣態(tài)儲存：氣態(tài)氫可貯存在地下庫或鋼瓶中。為減小貯存體積，必須先將氫氣壓縮，為此需消耗較多的壓縮功。物理法儲氫第二十三頁，共47頁。為提高貯氫量，目前正在研究一種微型球床儲氫裝置(zhuāngzhì)。微球壁厚(1~10μm)，微孔(10~100μm)，氫氣貯存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金屬制造。不同(bùtónɡ)氣體裝在不同(bùtónɡ)顏色鋼瓶O2天藍色黑字N2黑色黃字壓縮空氣黑色白字Cl2草綠色白字H2深綠色紅字NH3黃色黑字石油液化氣灰色(huīsè)紅字乙炔白色紅字第二十四頁，共47頁。高壓(gāoyā)儲存對器具抗壓性、防漏性要求較高。因為氫氣易燃易爆，在儲存運輸過程中安全性尤為重要！對高壓儲氣罐的日常維護檢修(jiǎnxiū)非常重要。第二十五頁，共47頁。將氫氣(qīnɡqì)冷卻到-253℃，即可呈液態(tài)，然后，將其貯存在高真空的絕熱容器中。液氫貯存工藝主要用于宇航領(lǐng)域，貯存成本高，安全技術(shù)也比較復(fù)雜。高度絕熱的貯氫容器是目前研究的重點。（2）低溫(dīwēn)液態(tài)儲氫：第二十六頁，共47頁。目前，一種在壁間充滿中孔微珠的絕熱容器已經(jīng)問世。由于這種微珠導(dǎo)熱系數(shù)極小，粒徑細小，可完全抑制顆粒間的對流換熱；將部分鍍鋁微珠混入不鍍鋁的微珠中可有效地切斷輻射傳熱(chuánrè)。這種新型的熱絕緣容器不需抽真空，其絕熱效果遠優(yōu)于普通高真空的絕熱容器，是一種理想的液氫貯存桶，美國宇航局已廣泛采用這種貯氫容器。第二十七頁，共47頁。在低溫下，氫氣液化為液態(tài)(yètài)。液態(tài)(yètài)氫可以直接作為高效率燃料，適用于汽車、火箭、宇宙飛船。運載火箭(yùnzàihuǒjiàn)氫燃料發(fā)動機以液氫為燃料(ránliào)的汽車以液氫為燃料的航空器第二十八頁，共47頁。氫與金屬氫化物之間可進行可逆反應(yīng)，當(dāng)外界有熱量加給金屬氫化物時，它就分解為氫化金屬并放出氫氣。反之氫和氫化金屬構(gòu)成氫化物時，氫就以固態(tài)結(jié)合的形式儲于其中。用來貯氫的氫化金屬大多為由多種元素組成的合金。目前世界上已研究成功多種貯氫合金，它們大致(dàzhì)可以分為四類。（3）儲氫材料存儲(cúnchǔ)：(固態(tài)儲氫)第二十九頁，共47頁。儲氫合金(héjīn)吸氫和放氫微觀過程儲氫合金材料

儲氫合金(héjīn)裝置儲氫鋼瓶(ɡānɡpínɡ)第三十頁，共47頁。由于活性炭吸附性強，利用納米碳管儲氫已展現(xiàn)良好的前景，其儲氫量遠大于金屬(jīnshǔ)氫化物，隨著納米碳管成本下降，這種儲氫方法有可能實用化。碳納米管

第三十一頁，共47頁。氫的運輸(yùnshū)與氫的存儲方式密切相關(guān)，存在著多種運輸(yùnshū)方式。氫的輸運可以是氣態(tài)、液態(tài)和氫化物的形式，無論哪種狀態(tài)都可以使用管道和車輛進行運輸(yùnshū)。第三十二頁，共47頁。6.4氫能的利用(lìyòng)氫能航天燃料氫氣發(fā)電氫能汽車燃料電池第三十三頁，共47頁。氫能汽車可有兩種形式：⒈通過內(nèi)燃機燃燒氫產(chǎn)生動能(dòngnéng)，此時的燃料可以是純氫，也可以是氫與天然氣的混合物。⒉以氫為原料的燃料電池作為汽車的動力，即現(xiàn)在我們所說的氫燃料電池汽車。氫能汽車(qìchē)：第三十四頁，共47頁。在交通運輸方面，美、德、法、日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示范汽車，并進行了幾十萬公里(ɡōnɡlǐ)的道路運行試驗。試驗證明，以氫作燃料的汽車在經(jīng)濟性、適應(yīng)性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙。第三十五頁，共47頁。福特汽車領(lǐng)先投產(chǎn)(tóuchǎn)氫燃料內(nèi)燃機目前制造一輛燃料電池車的花費大約是普通汽車成本的100倍左右，只有那些為批量上市而生產(chǎn)(shēngchǎn)的車型才能產(chǎn)生經(jīng)濟效益，但其成本仍然是普通汽車成本的10倍。第三十六頁，共47頁。氫能航空航天：早在第二次世界大戰(zhàn)期間(qījiān)，氫即用作A-2火箭發(fā)動機的液體推進劑。第三十七頁，共47頁。1960年液氫首次用作航天動力燃料。1970年美國發(fā)射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭(huǒjiàn)也是用液氫作燃料?，F(xiàn)在氫已是火箭(huǒjiàn)領(lǐng)域的常用燃料了。第三十八頁，共47頁?，F(xiàn)在科學(xué)家們正在研究一種“固態(tài)氫”的宇宙飛船。固態(tài)氫既作為飛船的結(jié)構(gòu)材料，又作為飛船的動力燃料。在飛行期間(qījiān)，飛船上所有的非重要零件都可以轉(zhuǎn)作能源而“消耗掉”。這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間?；鸺亓?zhòngliàng)每減輕1kg，可以多飛行100公里火箭一級分離(fēnlí)時節(jié)省4000多美元，二級分離(fēnlí)節(jié)省1萬多美元第三十九頁，共47頁。氫燃料電池：燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能(diànnéng)的裝置。這種裝置的最大特點是由于反應(yīng)過程中不涉及到燃燒，因此其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，其能量轉(zhuǎn)換率高達60%－80%，實際使用效率則是普通內(nèi)燃機的2－3倍。第四十頁，共47頁。氫燃料電池工作原理：工作時，負極的燃料(氫)，失去電子形成H+：2H2→4H++4e-，H+進入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路(含負載)移向正極(zhèngjí)。氧在正極(zhèngjí)獲得氫離子和電子反應(yīng)為水：O2+4H++4e-→2H2O。第四十一頁，共47頁。采用氫燃料電池(ránliàodiànchí)的實驗車氫燃料電池的應(yīng)用：把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能(diànnéng)供機械應(yīng)用第四十二頁，共47頁。在舊金山召開的英特爾開發(fā)商論壇上，千年電池公司向人們展示了一臺運行原型氫燃料電池的電腦。目前絕大多數(shù)筆記本電腦在電池充滿(chōngmǎn)情況下可工作三到四小時。迄今，千年(qiānnián)電池的工作時間僅有三小時，但是公司的開發(fā)目標(biāo)是將電池性能提高到八小時。第四十三頁，共47頁。東芝燃料電池本本(běnběn)亮相第四十四頁，共47頁。燃燒氫氣(qīnɡqì)能發(fā)電：利用氫氣(qīnɡqì)和氧氣燃燒，組成氫氧發(fā)電機組。這種機組是火箭型內(nèi)燃發(fā)動機配以發(fā)電機，它不需要復(fù)雜的蒸汽鍋