氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究現(xiàn)狀及工程運(yùn)用(修改終結(jié)版)

1、氫能的特性1燃燒性能好燃燒性能好 對(duì)環(huán)境友好對(duì)環(huán)境友好利用形式多樣利用形式多樣貯運(yùn)形式多樣貯運(yùn)形式多樣引 言氫能的限制2著火范圍寬著火范圍寬著火能更低著火能更低更容易泄漏更容易泄漏傳播速度快傳播速度快更容易爆炸更容易爆炸安全性方面安全性方面制取能耗高制取能耗高產(chǎn)氫率較低產(chǎn)氫率較低設(shè)備成本較高設(shè)備成本較高.制取方面制取方面儲(chǔ)存方面儲(chǔ)存方面成本過高成本過高安全問題安全問題技術(shù)要求高技術(shù)要求高氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究現(xiàn)狀氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其工程應(yīng)用及其工程應(yīng)用3組長(zhǎng)：李輝組長(zhǎng)：李輝PPT制作：制作： 鄒遠(yuǎn)輝鄒遠(yuǎn)輝PPT報(bào)告：報(bào)告： 許靜許靜資料收集：曾世榮、曹奇敏、資料收集：曾世榮、曹奇敏、 黃佳平

2、、江生林、彭志權(quán)、黃佳平、江生林、彭志權(quán)、 張建、魯釗、陳聰張建、魯釗、陳聰outline一、氫氣的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備研究的現(xiàn)狀一、氫氣的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備研究的現(xiàn)狀1.1氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法簡(jiǎn)介氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法簡(jiǎn)介1.2氫氣儲(chǔ)運(yùn)材料簡(jiǎn)介氫氣儲(chǔ)運(yùn)材料簡(jiǎn)介1.3高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備簡(jiǎn)介高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備簡(jiǎn)介1.4高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)控制高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)控制二、二、氫氣的工程應(yīng)用氫氣的工程應(yīng)用2.1氫氣的工程應(yīng)用概述氫氣的工程應(yīng)用概述2.2氫氣的工程應(yīng)用示例氫氣的工程應(yīng)用示例（氫動(dòng)力汽車）（氫動(dòng)力汽車）4一、氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究現(xiàn)狀一、氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究現(xiàn)狀n氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是開發(fā)利用氫能的關(guān)鍵性技術(shù)，如何有氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是開發(fā)利用氫能的

3、關(guān)鍵性技術(shù)，如何有效地對(duì)氫進(jìn)行儲(chǔ)存，并且在使用時(shí)能夠方便地釋放出效地對(duì)氫進(jìn)行儲(chǔ)存，并且在使用時(shí)能夠方便地釋放出來，是該項(xiàng)技術(shù)研究的來，是該項(xiàng)技術(shù)研究的焦點(diǎn)焦點(diǎn)。n目前目前的一些儲(chǔ)氫材料和技術(shù)離氫能的實(shí)用化還有較大的一些儲(chǔ)氫材料和技術(shù)離氫能的實(shí)用化還有較大的距離，在質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度、工作溫度、可逆循的距離，在質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度、工作溫度、可逆循環(huán)性能以及安全性等方面，還不能同時(shí)滿足實(shí)用化要環(huán)性能以及安全性等方面，還不能同時(shí)滿足實(shí)用化要求。求。51.1氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法簡(jiǎn)介氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法簡(jiǎn)介 物理法物理法:液氫儲(chǔ)存、高壓氫氣儲(chǔ)存、活性炭吸附儲(chǔ)存、 碳纖維和碳納米管儲(chǔ)存、玻璃微球儲(chǔ)存、 儲(chǔ)存儲(chǔ)存 地下巖洞

4、儲(chǔ)存等 化學(xué)法化學(xué)法: :金屬氫化物儲(chǔ)存、有機(jī)液態(tài)氫化物儲(chǔ)存、 儲(chǔ)儲(chǔ) 無機(jī)物儲(chǔ)存、鐵磁性材料儲(chǔ)存等。 運(yùn)運(yùn) 壓縮氫氣壓縮氫氣 運(yùn)輸運(yùn)輸 (主要） 壓縮液氫壓縮液氫67氫氣儲(chǔ)存氫氣儲(chǔ)存主要主要方法的比較方法的比較81.2氫氣儲(chǔ)存材料簡(jiǎn)介氫氣儲(chǔ)存材料簡(jiǎn)介n氫氣儲(chǔ)存材料的氫氣儲(chǔ)存材料的性能分析性能分析：氫有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種儲(chǔ)存方式。氣態(tài)儲(chǔ)存的安全性差, 儲(chǔ)氫的體積密度較小; 液態(tài)儲(chǔ)氫的體積密度大, 但由于氫氣液化要冷卻到 20 K 的超低溫下才能實(shí)現(xiàn), 因此能耗大、成本高; 而利用吸氫材料與固體反應(yīng)生成固溶體和氫化物的固體儲(chǔ)氫方式, 能有效地克服氣、液兩種儲(chǔ)存方式的不足,因此被研究界普遍看好。9

5、1.2.1無機(jī)儲(chǔ)氫材料無機(jī)儲(chǔ)氫材料n基于鎂基合金材料：基于鎂基合金材料：儲(chǔ)氫合金是指在一定溫度和壓強(qiáng)下, 能可逆地大量吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的金屬?gòu)?fù)合物。其儲(chǔ)氫機(jī)理是氫分子被吸附在金屬表面后, 離解成氫原子嵌入到金屬的晶格中形成氫化物。合金作為儲(chǔ)氫材料, 具有儲(chǔ)氫量大, 安全可靠, 無污染, 可重復(fù)使用等特點(diǎn)。n無機(jī)氫化物儲(chǔ)氫材料無機(jī)氫化物儲(chǔ)氫材料：近年來, 無機(jī)儲(chǔ)氫材料由于具有相對(duì)較高的儲(chǔ)氫質(zhì)量比和良好的吸放氫性能而備受青睞, 其儲(chǔ)氫機(jī)理是堿金屬和氫反應(yīng)生成無機(jī)金屬氫化物, 這種氫化物受熱或者與水反應(yīng)可以分解放出氫氣。101.2.2有機(jī)儲(chǔ)氫材料有機(jī)儲(chǔ)氫材料n碳基材料碳基材料：具有優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能

6、，儲(chǔ)氫過程是通過物理吸附來實(shí)現(xiàn)的該材料的物理吸附性能與其表面積的大小密切相關(guān)。碳基材料由于具有高的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)使其具有儲(chǔ)氫容量大、吸放氫條件溫和等良好的儲(chǔ)氫性能。n有機(jī)化合物材料有機(jī)化合物材料：有機(jī)化合物儲(chǔ)氫材料是近年來材料研究的一個(gè)新的方向。在對(duì)碳基材料的研究中, 研究者發(fā)現(xiàn),具有大的比表面積和對(duì)氫的高的吸附結(jié)合能是決定吸附型材料性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素。于是人們努力尋求具有這類性質(zhì)的有機(jī)分子材料。n有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料：借助不飽和液體有機(jī)物與氫的加氫和脫氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。目前常用的有機(jī)液體氫化物的儲(chǔ)氫劑有苯和甲苯, 有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫材料巨大的儲(chǔ)氫容量使其具有廣闊的前景。111.

7、3高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備簡(jiǎn)介高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備簡(jiǎn)介1.3.1現(xiàn)有儲(chǔ)氫方式的對(duì)比現(xiàn)有儲(chǔ)氫方式的對(duì)比:121.3.2高壓儲(chǔ)氫的商業(yè)化發(fā)展：高壓儲(chǔ)氫的商業(yè)化發(fā)展： 高壓儲(chǔ)氫雖然在儲(chǔ)氫密度方面受到一定的限制 ,但仍具有儲(chǔ)氫設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備的能耗低、充裝速度快等優(yōu)點(diǎn)。 隨著輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展 ,高壓儲(chǔ)氫技術(shù)已得到快速發(fā)展。世界上絕大多數(shù)從事燃料電池汽車研究的公司 ( 如通用、三菱、 DaimlerChrysler Ford 等) 均將高壓氫氣作為燃料電池汽車的儲(chǔ)氫方式。131.3.2主要高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備簡(jiǎn)介主要高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備簡(jiǎn)介根據(jù)生產(chǎn)和使用的不同應(yīng)用方式 , 高壓儲(chǔ)氫設(shè)備大致可分為 : 1

8、4(1)車用高壓車用高壓儲(chǔ)氫儲(chǔ)氫容器容器 是燃料電池汽車或氫內(nèi)燃機(jī)汽車上用于儲(chǔ)存高壓氫氣的容器。與車用天然氣儲(chǔ)存容器相比 ,其工作壓力更高。目前國(guó)際上車用儲(chǔ)氫容器主要朝著輕質(zhì)、高壓的方向發(fā)展 ,致力于提高效率 ,增加容器可靠性、降低成本、制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的工作.15注：該裝置一次可儲(chǔ)氫注：該裝置一次可儲(chǔ)氫3.1 kg3.1 kg，裝配于，裝配于GMGM的的HydroGen3HydroGen3汽車上，行駛里程汽車上，行駛里程為為170170英里。英里。 16美國(guó)美國(guó)QUANTUM公司開發(fā)的第公司開發(fā)的第4類車用壓力儲(chǔ)氫裝置類車用壓力儲(chǔ)氫裝置 (2)高壓氫氣的高壓氫氣的運(yùn)輸運(yùn)輸設(shè)備設(shè)備

9、 主要用于將氫氣從產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)绞褂玫鼗蚣託湔?。有的用大型高壓無縫氣瓶、“K ”bottle 氣瓶盛裝氫氣 ,并用汽車運(yùn)輸 ; 有的直接用高壓氫氣管道輸送。管式拖車用旋壓成型的大型高壓氣瓶盛裝氫氣。1718(3)固定式高壓氫氣儲(chǔ)存設(shè)備固定式高壓氫氣儲(chǔ)存設(shè)備 主要用于在固定場(chǎng)所儲(chǔ)存高壓氫氣 ,如加氫站和制氫站內(nèi)的儲(chǔ)氣罐 ,電廠內(nèi)儲(chǔ)存高壓氫氣的儲(chǔ)罐等 。 其特點(diǎn)是壓力高 ,固定式使用 ,但是重量的限制不嚴(yán)的，一般都采用較大容量的鋼制壓力容器。 故其容器內(nèi)氫氣的儲(chǔ)存量大 , 一旦發(fā)生泄漏爆炸事故 ,有可能造成嚴(yán)重?fù)p失和人員傷亡。19201.4高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)控制高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)控制 按照 特

10、種設(shè)備監(jiān)察條例的規(guī)定 , 高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備屬于特種設(shè)備 ,其風(fēng)險(xiǎn)很大 ,必須采取有效的措施進(jìn)行控制。 提高設(shè)備的本質(zhì)安全性三方面 加氫過程中的風(fēng)險(xiǎn)控制 加氫過程中的風(fēng)險(xiǎn)控制211.4.1提高提高設(shè)備的設(shè)備的本質(zhì)安全性本質(zhì)安全性主要方法有：主要方法有： （1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）應(yīng)力控制 （3）超壓保護(hù)221.4.2加氫過程中的加氫過程中的風(fēng)險(xiǎn)控制風(fēng)險(xiǎn)控制 高壓儲(chǔ)氫時(shí)的加氫過程是一個(gè)儲(chǔ)氫氣源與使用單元的物質(zhì)和能量交換, 使大量的高能氣體進(jìn)入到空氣瓶中的過程。如果在這一過程中沒有掌握好操作和密封問題 , 就有可能導(dǎo)致儲(chǔ)氫設(shè)備出現(xiàn)危險(xiǎn)。231.4.3輸運(yùn)與車用儲(chǔ)氫設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)控制輸運(yùn)與車用儲(chǔ)氫設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)控

11、制 輸運(yùn)和車用的儲(chǔ)氫設(shè)備必須考慮動(dòng)載荷對(duì)設(shè)備本身的影響 ,設(shè)備要做減震的措施增強(qiáng)保護(hù)。 由于震動(dòng)等的影響 ,這類設(shè)備的閥門可能會(huì)受到一定的影響 ,配備在輸運(yùn)和車用上的儲(chǔ)氫設(shè)備必須進(jìn)行嚴(yán)格檢查后才能使用。 除了在儲(chǔ)氫設(shè)備中要進(jìn)行安全狀態(tài)監(jiān)控 ,還應(yīng)在駕駛室、車體外部增加氣體探測(cè)器等。24二、氫氣的工程應(yīng)用二、氫氣的工程應(yīng)用252.1氫的應(yīng)用概述氫的應(yīng)用概述n氫在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用氫在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用n氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用n氫在燃料電池中的應(yīng)用氫在燃料電池中的應(yīng)用26 目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重要原料，目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重

12、要原料，此外此外Ni-MH電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車方面也獲得了廣泛的電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于未來的應(yīng)用。對(duì)于未來的“氫經(jīng)濟(jì)氫經(jīng)濟(jì)”而言，氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：而言，氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：燃料電燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)池、燃?xì)廨啓C(jī)(蒸汽輪機(jī)蒸汽輪機(jī))發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。普遍認(rèn)為，。普遍認(rèn)為，燃料電池是未來人類社會(huì)最主要的發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備。主要應(yīng)用有：燃料電池是未來人類社會(huì)最主要的發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備。主要應(yīng)用有： 汽車是人們生活中的重要交通工具，而汽車排放的尾氣又是造成日益嚴(yán)重的環(huán)境污染的重要原因，為此，人們急需尋找一種代用燃料。科學(xué)家經(jīng)過

13、幾十年的精心研究發(fā)現(xiàn)，用氫燃料電池作汽車動(dòng)力無污染環(huán)境的有害成份。因此，使用氫燃料電池的汽車才是名副其實(shí)的“綠色燃料”汽車。 據(jù)報(bào)道，在冰島政府的支持下，戴姆勒克萊斯勒公司和殼牌公司1999年初公布了把這個(gè)島國(guó)變?yōu)槭澜缟系谝粋€(gè)“氫經(jīng)濟(jì)”的國(guó)家計(jì)劃最終用無污染的氫能源取代所有小轎車、公共汽車上使用的柴油和汽油。德國(guó)已經(jīng)陸續(xù)推出了各種燃?xì)淦嚒?72.2氫氣的工程應(yīng)用示例氫氣的工程應(yīng)用示例（氫動(dòng)力汽車）（氫動(dòng)力汽車）2829 Linde水冷液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車照片水冷液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車照片 2.2.1氫動(dòng)力的節(jié)能優(yōu)勢(shì)氫動(dòng)力的節(jié)能優(yōu)勢(shì) 與傳統(tǒng)汽車相比，氫動(dòng)力汽車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60-80%，為內(nèi)燃機(jī)的2至3倍。 燃料電池本身工作沒有噪聲、沒有振動(dòng)，其電極僅作為化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所和導(dǎo)電的通道，本身不參與化學(xué)反應(yīng)，沒有損耗，壽命長(zhǎng)。從這些方面來看，氫動(dòng)力汽車當(dāng)之無愧地是未來汽車發(fā)展的重點(diǎn)。302.2.2氫動(dòng)力汽車的發(fā)展阻力氫動(dòng)力汽車的發(fā)展阻力n需使用的是存