氢能源的开发和利用报告.doc

缺点是水电解的能耗仍然非常高目前,我国水电解工业仍停留在压滤式复极结构电解楷或单极箱式电解槽的水平上,与国外工业和研究的水平差距还很大1.3甲烷催化热分解制氢传统的甲烷裂解制造氢气过程都伴有大量的二氧化碳排放,但近年来,甲烷因热分解制氢能避免CO2的排放,而成为人们研究的热点甲烷分解l mol 氢气需要37.8kJ的能量,排放CO 20.05tool该法主要优点在于制取高纯氢气的同时,制得更有经济价值、易于储存的固体碳,从而不向大气排放二氧化碳,减轻了温室效应由于基本不产生CO2,被认为是连接化石燃料和可再生能源之间的过渡工艺但生产成本不低,如果副产物碳能够具有广阔的市场前景,该法将会成为一种很有前途的制氢方法1.4 生物制氢利用生物制氢技术,可节约不可再生能源,减少环境污染,可能成为未来能源制备技术的主要发展方向之一生物制氢是利用微生物在常温、常压下以含氢元素物质<包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物及水>为底物进行酶生化反应来制得氢气迄今为止,已研究报道的产氢生物可分为两大类：光合生物<厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻>和非光合生物<严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌>光合生物蓝细菌和绿藻可利用体内巧妙的光合结构转化太阳能为氢能,故其产氢研究远较非光合生物深入。

二者均可光裂解水产生氢气,光裂解水产氢是理想的制氢途径,但蓝细菌和绿藻在光合放氢的同时,伴随氧的释放,除产氢效率较低外,如何解决放氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题厌氧光合细菌与蓝细菌和绿藻相比,其厌氧光合放氢过程不产氧,故工艺简单目前鉴于光合放氢过程的复杂性和精密性,研究内容仍主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、优化和控制环境条件以提高产氢量,其研究水平和规模还基本处于实验室水平非光合生物可降解大分子有机物而产氢,使其在生物转化可再生能源物质<纤维素及其降解产物和淀粉等>生产氢能研究中显示出优越于光合生物的优势该类微生物作为氢来源的研究始于20世纪60年代,至20世纪90年代未,我国科学家任南琪等研究开发了以厌氧活性污泥和有机质废水为原料的"有机废水发酵法生物制氢技术",该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限,开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径,中试试验结果表明,生物制氢反应器最高持续产氢能力达到5.7m3／,生产成本约为目前采用的电解水法制氢成本的一半2 储氢技术2.1 高压气态储氢根据气体状态方程,对于一定量的气体,当温度一定时,升高压力会减小气体所占的体积,从而提高氯气密度。

高压钢瓶储氢就是基于这一原理的一种常用的氢气储存方法高压气态储氢是一种应用广泛、简便易行、技术相对成熟的储氢方式,而且成本低,充放氢速度快,在常温下就可进行但其缺点是需要厚重的耐压容器,并要消耗较大的氢气压缩功,存在氢气易泄漏和容器爆破等不安伞因素[3]一个充气压力为15 MPa的标准高压钢瓶储氢质量仅约占1.0％；供太空用的钛瓶储氢质量分数也仅为5％可见,高压钢瓶储氢的能量密度一般都比较低我国XX大学研制成功5m3固定式高压<42 MPa>储氢罐,服务于北京奥运会的氢燃料示范车加氢2.2 低温液态储氢低温液态储氢具有较高的体积能量密度常温、常压下液氧的密度为气态氢的845倍,其体积能量密度比压缩储存要高好几倍,与同一体积的储氢容器相比,其储氢质量大幅度提高液氢储存工艺特别适于储存空间有限的运载场合,如航天飞机用的火箭发动机、汽车发动机和洲际飞行运输工具等若仅从质量和体积上考虑,液氢储存是一种极为理想的储氢方式但是由于氢气液化要消耗很大的冷却能量,液化过程所需的能耗约是储存氢气热值的50％,增加了储氢和用氧成本另外,液氢储存容器必须使用超低温用的特殊容器,由于液氖储存的装料和绝热不完善,容易导致较高的蒸发损失,因而技术复杂、储氧成本高。

高度绝热的储氢容器是目前研究的重点2.3 固态储氢固态材料储氢是通过化学反应或物理吸附将氢气储存于固态材料中,其能量密度高且安全性好,被认为是最有发展前景的一种氢气储存方式固态储氢材料包括可充氢化物<如金属氢化物一镍电池>、化学氢化物<如水解或热解储氢>、碳和其他高比表面积材料<主要以物理吸附为主>下图给出了固态储氢材料的发展过程可以看出,在中低温条件下,储氢材料是随着可逆储氢容量的增加和体系吸放氢动力学的改善而发展的另外,储氢材料按氢的结合方式可分为化学键合储氢<如储氢合金、配位氢化物、氨基化合物、有机液体碳氢化合物等>和物理吸附储氢<碳纳米管、多孔碳基材料、金属有机框架材料、纳米储氢材料、多孔聚合物等>最近,丹麦研究人员[8-9]开发了一类新型金属氨络合物储氢材料,该类材料可用MnXm表示研究表明,该类材料如Mg6Cl2可以以氨的形式存储质量分数9.1％的氢,Ca6Cl2甚至可达到9.7％,而且整个过程完全可逆,结合使用氨分解催化剂,可使氢在620 K以下的温度完全释放,同时其副产物是N2,不会带来任何环境污染。

金属氨络合物储氢材料是迄今为止报道的可逆存储氢量最大的材料3 氢能利用方法氢能的利用方式主要有三种：①直接燃烧；②通过燃料电池转化为电能；③核聚变其中最安全高效的使用方式是通过燃料电池将氢能转化为电能目前,氢能的开发正在引发一场深刻的能源革命,并将可能成为2 1世纪的主要能源美、欧、日等发达国家都从国家可持续发展和安全战略的高度,制定了长期的氢能源发展战略[10]3.1 氢内燃机氢内燃机的基本原理与汽油或者柴油内燃机原理一样氢内燃机是传统汽油内燃机的带小量改动的版本氢内燃直接燃烧氢,不使用其他燃料或产生水蒸气排出氢内燃机不需要任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完成做功,这样就不会存在造价过高的问题现在很多已经研发成功的氢内燃机都是混合动力的,也就是既可以使用液氢,也可以使用汽油等作为燃料这样氢内燃机就成了一种很好的过渡产品例如,在一次补充燃料后不能到达目的地,但能找到加氢站的情况下就使用氢作为燃料；或者先使用液氢,然后找到普通加油站加汽油这样就不会出现加氢站还不普及的时候人们不敢放心使用氢动力汽车的情况氢内燃机由于其点火能量小,易实现稀薄燃烧,故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性[11]。

3.2 燃料电池氢能的应用主要通过燃料电池来实现的氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置,它把电能储存起来,需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置而使用氢燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,能量转换率可达60％一80％,而且污染少、噪声小,装置可大可小,非常灵活从本质上看,氢燃料电池的工作方式不同于内燃机,氢燃料电池通过化学反应产生电能来推动汽车,而内燃机车则是通过燃烧产生热能来推动汽车由于燃料电池汽车工作过程不涉及燃烧,因此无机械损耗及腐蚀,氢燃料电池所产生的电能可以直接被用在推动汽车的四轮上,从而省略了机械传动装置现在,各发达国家的研究者都已强烈意识到氢燃料电池将结束内燃机时代这一必然趋势,已经开发研制成功氢燃料电池汽车的汽车厂商包括通用、福特、丰田、奔驰、宝马、克莱斯勒等国际大公司[12]。

3.3 核聚变核聚变,即氢原子核〔氘和氚结合成较重的原子核〔氦时放出巨大的能量 热核反应,或原子核的聚变反应,是当前很有前途的新能源参与核反应的氢原子核,如氢〔氕、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应〔参见核聚变热核反应是氢弹爆炸的基础,可在瞬间产生大量热能,但目前尚无法加以利用如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有控制地产生与进行,即可实现受控热核反应这正是目前在进行试验研究的重大课题受控热核反应是聚变反应堆的基础聚变反应堆一旦成功,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源目前,可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的我国也有两座核聚变实验装置4 国内外氢能研究开发现状氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象,据美国能源部新能源开发中心调查,过去5年,全世界工业化国家对氢能的开发投入年均递增20.5％。

美国一直重视氢能2003年,布什政府投资17亿美元,启动氢燃料开发计划,该计划提出了氢能工业化生产技术、氢能存储技术、氢能应用等重点开发项目2004年2月,美国能源部公布了《氢能技术研究、开发与示范行动计划》,该计划详。