清潔能源 氫能 課件

1、氫 能1清潔能源主要內(nèi)容主要內(nèi)容前言氫能發(fā)展史氫的制取氫的儲(chǔ)存與輸運(yùn)氫的應(yīng)用氫的安全性2讓我們帶著以下問(wèn)題走進(jìn)氫能的世界讓我們帶著以下問(wèn)題走進(jìn)氫能的世界氫能氫能氫能的利氫能的利用現(xiàn)狀用現(xiàn)狀氫能的一氫能的一般特性般特性氫能的儲(chǔ)氫能的儲(chǔ)存與運(yùn)輸存與運(yùn)輸氫能的氫能的生產(chǎn)生產(chǎn)什么是什么是氫能氫能氫能的氫能的限制限制前言二次能源 聯(lián)系一次能源和用戶的中間紐帶，可分為聯(lián)系一次能源和用戶的中間紐帶，可分為 “含能含能體能源體能源” 和和“過(guò)程性能源過(guò)程性能源”，目前，目前是當(dāng)前是當(dāng)前4中國(guó)能源一次能源需求 中國(guó)中國(guó)2005年的一次能源需求總量年的一次能源需求總量 （其它指交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)及未指明的行業(yè)

2、）（其它指交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)及未指明的行業(yè)） 前言氫能，新的含能體能源 由于目前由于目前，因此汽，因此汽車(chē)等交通工具只能采用車(chē)等交通工具只能采用這一類(lèi)這一類(lèi)“含能體能源含能體能源”。 隨著常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)，在開(kāi)發(fā)新的一次能源隨著常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)，在開(kāi)發(fā)新的一次能源(如可燃如可燃冰冰)的同時(shí)，人們將目光也投向?qū)で笮碌牡耐瑫r(shí)，人們將目光也投向?qū)で笮碌摹昂荏w能源含能體能源”，。 已有資料表明，如車(chē)用燃料使用已有資料表明，如車(chē)用燃料使用20% H2 + 80% CH4，尾，尾氣中氣中COx(CO與與CO2)可降低可降低20%、NOx可降低可降低40%。 6為什么氫是永恒的能源？氫的氫的資源豐

3、富資源豐富 存在形式存在形式氫的氫的來(lái)源豐富來(lái)源豐富 制取方法制取方法氫是氫是最環(huán)保的能源最環(huán)保的能源 利用低溫燃料電池，由電化學(xué)反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為電能和水，利用低溫燃料電池，由電化學(xué)反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為電能和水，不排放不排放CO2和和NOx；使用氫燃料內(nèi)燃機(jī)，也可顯著減少；使用氫燃料內(nèi)燃機(jī)，也可顯著減少污染。污染。氫氣具有氫氣具有可儲(chǔ)存性可儲(chǔ)存性 與電、熱最大的不同與電、熱最大的不同氫的氫的可再生性可再生性 循環(huán)永無(wú)止境循環(huán)永無(wú)止境氫是氫是“和平和平”能源能源 中東戰(zhàn)爭(zhēng)中東戰(zhàn)爭(zhēng)氫是氫是安全能源安全能源 氫的擴(kuò)散能力很大，不具毒性及放射性氫的擴(kuò)散能力很大，不具毒性及放射性7名稱(chēng)名稱(chēng)氫氣氫氣甲烷甲烷汽油汽

4、油乙醇乙醇甲醇甲醇燃燒值燃燒值 / kJ kg-1121, 06150, 05444, 46727, 00620, 2548表表3-1 幾種物質(zhì)的燃燒值幾種物質(zhì)的燃燒值 燃燒熱值高燃燒熱值高 高于所有化石燃料和生物質(zhì)燃料高于所有化石燃料和生物質(zhì)燃料為什么氫是永恒的能源？為什么氫是永恒的能源？燃燒穩(wěn)定性好燃燒穩(wěn)定性好 燃燒充分燃燒充分氫能量轉(zhuǎn)化的載體氫能量轉(zhuǎn)化的載體 由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且目前電能存在由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且目前電能存在著難以?xún)?chǔ)存、遠(yuǎn)程輸運(yùn)時(shí)損耗大的缺點(diǎn)，著難以?xún)?chǔ)存、遠(yuǎn)程輸運(yùn)時(shí)損耗大的缺點(diǎn)，故在未來(lái)能源體系中，故在未來(lái)能源體系中，。 9氫能發(fā)展史發(fā)展期19701970年，通用汽車(chē)公

5、司的技術(shù)中心提出年，通用汽車(chē)公司的技術(shù)中心提出“氫經(jīng)濟(jì)氫經(jīng)濟(jì)”的概的概念，主要的思路是利用大型核電站的電力電解水制氫。念，主要的思路是利用大型核電站的電力電解水制氫。19741974年，受石油危機(jī)的影響和啟迪，一些學(xué)者組建了國(guó)年，受石油危機(jī)的影響和啟迪，一些學(xué)者組建了國(guó)際氫能協(xié)會(huì)際氫能協(xié)會(huì)(International Association for (International Association for Hydrogen Energy, IAHE)Hydrogen Energy, IAHE)。IAHEIAHE隨后創(chuàng)辦了隨后創(chuàng)辦了國(guó)際氫能雜志國(guó)際氫能雜志并舉行了兩年一次的并舉行了兩年一次的

6、世界氫能大會(huì)。世界氫能大會(huì)。10氫能發(fā)展史步入工程探索階段二十世紀(jì)二十世紀(jì)8080年代，德國(guó)認(rèn)真地提出年代，德國(guó)認(rèn)真地提出HYSOLARHYSOLAR計(jì)劃，它是計(jì)劃，它是德國(guó)德國(guó)/ /沙特在阿拉伯半島的項(xiàng)目，計(jì)劃用沙漠地帶的太沙特在阿拉伯半島的項(xiàng)目，計(jì)劃用沙漠地帶的太陽(yáng)能制氫。改項(xiàng)目已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)示范了太陽(yáng)發(fā)電和電解陽(yáng)能制氫。改項(xiàng)目已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)示范了太陽(yáng)發(fā)電和電解的直接結(jié)合，示范功率達(dá)到的直接結(jié)合，示范功率達(dá)到350kW350kW。德國(guó)還考慮利用加拿大廉價(jià)的水電就地電解水制氫，德國(guó)還考慮利用加拿大廉價(jià)的水電就地電解水制氫，液化后用船運(yùn)輸液氫到歐洲。液化后用船運(yùn)輸液氫到歐洲。11氫能發(fā)展史為科學(xué)家認(rèn)可

7、近年來(lái)燃料電池技術(shù)近年來(lái)燃料電池技術(shù)低溫的質(zhì)子交換膜燃料電池和高低溫的質(zhì)子交換膜燃料電池和高溫的固體氧化物燃料電池溫的固體氧化物燃料電池發(fā)展迅速，被廣泛認(rèn)為將成發(fā)展迅速，被廣泛認(rèn)為將成為未來(lái)人類(lèi)社會(huì)中主要的動(dòng)力來(lái)源，尤其是用于發(fā)電和為未來(lái)人類(lèi)社會(huì)中主要的動(dòng)力來(lái)源，尤其是用于發(fā)電和交通工具方面交通工具方面而燃料電池最適宜的燃料就是氫。因此，科學(xué)家們預(yù)測(cè)，而燃料電池最適宜的燃料就是氫。因此，科學(xué)家們預(yù)測(cè)，1221世紀(jì)將是“氫經(jīng)濟(jì)(Hydrogen economy)”時(shí)代 13一次能源一次能源 二次能源二次能源 最終用戶最終用戶 太陽(yáng)能太陽(yáng)能風(fēng)能風(fēng)能海洋能海洋能地?zé)崮艿責(zé)崮芷?chē)、飛機(jī)、汽車(chē)、飛機(jī)、船

8、舶船舶電電 力力氫氫 氣氣工業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民生民生制氫制氫發(fā)電發(fā)電燃料電池燃料電池電解水電解水圖3-1 設(shè)想中的21世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)體系美國(guó)能源部 Hydrogen Posture Plan第一階段第一階段(Phase I)(Phase I)為相關(guān)技術(shù)的研發(fā)階段，并在此基礎(chǔ)上為相關(guān)技術(shù)的研發(fā)階段，并在此基礎(chǔ)上做出是否商業(yè)化的決策，此階段中政府將起到主導(dǎo)作用做出是否商業(yè)化的決策，此階段中政府將起到主導(dǎo)作用; ;在第二階段在第二階段(Phase II)(Phase II)，氫能初步進(jìn)入市場(chǎng)，便攜式電源和，氫能初步進(jìn)入市場(chǎng)，便攜式電源和固定固定/ /運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在國(guó)家政策的引導(dǎo)下開(kāi)

9、運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在國(guó)家政策的引導(dǎo)下開(kāi)始與氫能相關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)投資；始與氫能相關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)投資；進(jìn)入第三階段進(jìn)入第三階段(Phase III)(Phase III)后，氫能源和運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)用化，后，氫能源和運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)用化，市場(chǎng)和基建投資規(guī)模不斷擴(kuò)大；市場(chǎng)和基建投資規(guī)模不斷擴(kuò)大；第四階段第四階段(Phase IV)(Phase IV)為市場(chǎng)與基礎(chǔ)建設(shè)均已完善的階段，氫為市場(chǎng)與基礎(chǔ)建設(shè)均已完善的階段，氫能源和運(yùn)輸系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，完全實(shí)現(xiàn)能源和運(yùn)輸系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，完全實(shí)現(xiàn)“氫經(jīng)濟(jì)氫經(jīng)濟(jì)”。 14其它已開(kāi)展的大規(guī)模氫能開(kāi)發(fā)項(xiàng)目冰島于冰島于19991999年在其首都雷克雅未克啟動(dòng)了年

10、在其首都雷克雅未克啟動(dòng)了“生態(tài)城市生態(tài)城市交通系統(tǒng)交通系統(tǒng)”(Ecological City Transport System, (Ecological City Transport System, ECTOS)ECTOS)計(jì)劃，并為此專(zhuān)門(mén)成立了冰島新能源公司計(jì)劃，并為此專(zhuān)門(mén)成立了冰島新能源公司(Icelandic New Energy Ltd.)(Icelandic New Energy Ltd.)負(fù)責(zé)實(shí)施該計(jì)劃其負(fù)責(zé)實(shí)施該計(jì)劃其。由于目前冰島所使用的能源主要來(lái)自地?zé)岷退Πl(fā)電，由于目前冰島所使用的能源主要來(lái)自地?zé)岷退Πl(fā)電，因此主要采用電解水技術(shù)因此主要采用電解水技術(shù)( (在加氫站就地在加

11、氫站就地) )制氫，以燃制氫，以燃料電池作為主要?jiǎng)恿υO(shè)備。料電池作為主要?jiǎng)恿υO(shè)備。 15現(xiàn)狀與展望目前全世界每年約生產(chǎn)目前全世界每年約生產(chǎn)5 5101012 12 NmNm3 3氫氣，主要?dú)錃?，主要用于化學(xué)工業(yè)，尤以合成氨和石油加工工業(yè)的用于化學(xué)工業(yè)，尤以合成氨和石油加工工業(yè)的用量最大。用量最大。90%90%以上的氫氣是以石油、天然氣以上的氫氣是以石油、天然氣和煤為原料制取的，北美和煤為原料制取的，北美9595的氫氣產(chǎn)量來(lái)自的氫氣產(chǎn)量來(lái)自天然氣蒸汽重整。天然氣蒸汽重整。16現(xiàn)狀與展望主要原因是氫能的大規(guī)模利用離不開(kāi)大量廉價(jià)氫主要原因是氫能的大規(guī)模利用離不開(kāi)大量廉價(jià)氫的獲得和安全、高效的氫氣儲(chǔ)存

12、與輸送技術(shù)，以的獲得和安全、高效的氫氣儲(chǔ)存與輸送技術(shù)，以及應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)。而現(xiàn)階段的科技水平與這些及應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)。而現(xiàn)階段的科技水平與這些條件相比尚存在一定差距，急需解決很多技術(shù)方條件相比尚存在一定差距，急需解決很多技術(shù)方面的難題。面的難題。17現(xiàn)狀與展望譬如，就目前而言，只有通過(guò)礦物燃料譬如，就目前而言，只有通過(guò)礦物燃料( (主要是天主要是天然氣然氣) )重整技術(shù)才能獲得相對(duì)廉價(jià)的氫，并非長(zhǎng)遠(yuǎn)重整技術(shù)才能獲得相對(duì)廉價(jià)的氫，并非長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)，因而，能否開(kāi)發(fā)其他真正可持續(xù)發(fā)展的、之計(jì)，因而，能否開(kāi)發(fā)其他真正可持續(xù)發(fā)展的、大規(guī)模的廉價(jià)制氫技術(shù)大規(guī)模的廉價(jià)制氫技術(shù)將成為將成為“氫經(jīng)濟(jì)氫經(jīng)濟(jì)”能否最能否

13、最終實(shí)現(xiàn)的終實(shí)現(xiàn)的；另外，氫氣以何種方式；另外，氫氣以何種方式儲(chǔ)存儲(chǔ)存及輸送及輸送最經(jīng)濟(jì)、最合理也是最經(jīng)濟(jì)、最合理也是的問(wèn)題的問(wèn)題 。18outline1 1 氫的制取氫的制取2 2 氫的儲(chǔ)存與輸運(yùn)氫的儲(chǔ)存與輸運(yùn)3 3 氫的應(yīng)用氫的應(yīng)用4 4 氫的安全性氫的安全性191 1 氫的制取1.1 1.1 化石燃料制氫化石燃料制氫1.2 1.2 電解水制氫電解水制氫（其它發(fā)展中的技術(shù)：生物及生物質(zhì)制氫，太陽(yáng)（其它發(fā)展中的技術(shù)：生物及生物質(zhì)制氫，太陽(yáng)能光解水制氫，熱化學(xué)分解水制氫）能光解水制氫，熱化學(xué)分解水制氫）1.3 1.3 氫氣提純氫氣提純201.1 1.1 化石燃料制氫化石燃料制氫1.1.1 1.

14、1.1 天然氣制氫天然氣制氫1.1.2 1.1.2 煤氣化制氫煤氣化制氫21在在“氫經(jīng)濟(jì)氫經(jīng)濟(jì)”的的，氫主要從礦物燃料中獲得，氫主要從礦物燃料中獲得1.1.1 1.1.1 天然氣制氫天然氣制氫天然氣制氫甲烷蒸氣重整絕熱預(yù)重整部分氧化自熱重整223.1.1 化石燃料制氫技術(shù)化石燃料制氫技術(shù)（1 1）甲烷蒸氣重整的原理反應(yīng)(SMR)主要反應(yīng)為：主要反應(yīng)為：CH4 + H2O = CO + 3H2 H = + 49 kcalmol反應(yīng)：反應(yīng)： CO + H2O = CO2 + H2 H = - 10 kcalmol隨著反應(yīng)的進(jìn)行，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，2，因此會(huì)發(fā)生，因此會(huì)發(fā)生下面的反應(yīng)：下面的反應(yīng)： C

15、H4 + CO2 = 2CO + 2H2 H = + 59 kcalmol上述反應(yīng)均需催化劑的存在，最常用的催化劑是上述反應(yīng)均需催化劑的存在，最常用的催化劑是Ni。23（3 3）部分氧化的原理反應(yīng)甲烷可在氧氣中甲烷可在氧氣中生成生成合成氣合成氣(水煤氣水煤氣) ： CH4 + 1/2 O2 = CO + 2H2 H = - 9 kcalmol此反應(yīng)使用或不使用催化劑均可此反應(yīng)使用或不使用催化劑均可24（4 4）自熱重整的原理反應(yīng)自熱重整自熱重整(Autothermal reformingATR)是在氧氣內(nèi)部燃燒的反應(yīng)是在氧氣內(nèi)部燃燒的反應(yīng)器內(nèi)完成全部烴類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的過(guò)程。器內(nèi)完成全部烴類(lèi)物質(zhì)

16、轉(zhuǎn)化反應(yīng)的過(guò)程。ATR反應(yīng)是結(jié)合反應(yīng)是結(jié)合SMR和和POX的一種新方法，最早出現(xiàn)于的一種新方法，最早出現(xiàn)于1970年代。如上所述，年代。如上所述，POX是個(gè)放熱反應(yīng)，是個(gè)放熱反應(yīng)，ATR法是將法是將POX反應(yīng)放出的熱量提供給反應(yīng)放出的熱量提供給SMR，既可限制反應(yīng)器內(nèi)的最高溫度又可降低能耗。既可限制反應(yīng)器內(nèi)的最高溫度又可降低能耗。 25CH4 + H2O = CO + 3H2 H = + 49 kcalmolCH4 + 1/2 O2 = CO + 2H2 H = - 9 kcalmol自熱重整自熱重整(ATR)反應(yīng)：反應(yīng)：CH4 + xO2 + (22x) H2O = CO2 + (42x)

17、H21.1.2 1.1.2 煤氣化 所謂煤氣化，是指煤與氣化劑在一定的溫度、所謂煤氣化，是指煤與氣化劑在一定的溫度、壓力等條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為煤氣的工壓力等條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為煤氣的工藝過(guò)程。藝過(guò)程。煤氣化技術(shù)按氣化前煤炭是否經(jīng)過(guò)開(kāi)采而分為煤氣化技術(shù)按氣化前煤炭是否經(jīng)過(guò)開(kāi)采而分為地面氣化技術(shù)地面氣化技術(shù)( (即將煤放在氣化爐內(nèi)氣化即將煤放在氣化爐內(nèi)氣化) )和地和地下氣化技術(shù)下氣化技術(shù)( (即讓煤直接在地下煤層中氣化即讓煤直接在地下煤層中氣化) )。 26煤氣化的重要意義煤氣化制氫曾經(jīng)是主要的制氫方法，隨著煤氣化制氫曾經(jīng)是主要的制氫方法，隨著，特別是天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)的出現(xiàn)，特

18、別是天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)的出現(xiàn)，。但對(duì)但對(duì)來(lái)說(shuō)，來(lái)說(shuō)，豐富豐富( (我國(guó)是世界上少數(shù)以煤我國(guó)是世界上少數(shù)以煤炭為主的國(guó)家之一，炭為主的國(guó)家之一，19971997年我國(guó)的煤炭消費(fèi)占一次能源年我國(guó)的煤炭消費(fèi)占一次能源的的73.5%73.5%。到。到2030203020502050年，煤在我國(guó)一次能源消費(fèi)中年，煤在我國(guó)一次能源消費(fèi)中仍將占仍將占50%50%以上以上) )，價(jià)格相對(duì)低廉，而天然氣價(jià)格較高，價(jià)格相對(duì)低廉，而天然氣價(jià)格較高，資源儲(chǔ)量并不大，資源儲(chǔ)量并不大，。27(1) (1) 煤地面氣化技術(shù)28煤煤氣化氣化煤氣凈化煤氣凈化H2提純提純CO變換變換H2產(chǎn)品產(chǎn)品氣化劑氣化劑灰渣灰渣副產(chǎn)品硫副

19、產(chǎn)品硫尾氣尾氣水蒸汽水蒸汽副產(chǎn)副產(chǎn)CO2煤氣化制氫技術(shù)工藝流程煤氣化制氫技術(shù)工藝流程 (1) (1) 煤地面氣化技術(shù)煤氣化制氫主要包括三個(gè)過(guò)程，即煤氣化制氫主要包括三個(gè)過(guò)程，即。造氣反應(yīng)方程式為：造氣反應(yīng)方程式為：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) H= +131.2 kJ/mol水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式為：水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式為：CO + H2O = CO2 + H2 H = - 41.8 kJ/mol煤氣化反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)所需熱量由碳的氧化煤氣化反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)所需熱量由碳的氧化反應(yīng)提供。反應(yīng)提供。 29(2) (2) 煤地下氣化技術(shù)煤炭地下氣化，就是將地下處于自然狀

20、態(tài)下的煤進(jìn)行有控煤炭地下氣化，就是將地下處于自然狀態(tài)下的煤進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w，制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w，這一過(guò)程在地下氣化爐的氣化通道中由這一過(guò)程在地下氣化爐的氣化通道中由3 3個(gè)反應(yīng)區(qū)域個(gè)反應(yīng)區(qū)域( (氧化氧化區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)) )來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)現(xiàn)。煤的地下氣化技術(shù)同樣被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫的候選技煤的地下氣化技術(shù)同樣被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫的候選技術(shù)之一。術(shù)之一。30 煤炭地下氣化原理圖煤炭地下氣化原理圖 1.2 1.2 電解水制氫電解水制氫 業(yè)已發(fā)展成熟的制氫方法很多，但在可開(kāi)發(fā)性方面，卻業(yè)已發(fā)展成熟的

21、制氫方法很多，但在可開(kāi)發(fā)性方面，卻尚未發(fā)現(xiàn)比水電解法更為優(yōu)越的方法，因而電解水制氫尚未發(fā)現(xiàn)比水電解法更為優(yōu)越的方法，因而電解水制氫是最有應(yīng)用前景的一種方法，它具有產(chǎn)品純度高、操作是最有應(yīng)用前景的一種方法，它具有產(chǎn)品純度高、操作簡(jiǎn)便、無(wú)污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)便、無(wú)污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化傳統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化80余年，但其現(xiàn)狀仍余年，但其現(xiàn)狀仍很不令人滿意。很不令人滿意。2002年全球氫氣年產(chǎn)量約為年全球氫氣年產(chǎn)量約為4.1107 t，而采用電解水方法獲得的氫氣不超過(guò)而采用電解水方法獲得的氫氣不超過(guò)5%。 32就目前而言，以堿液為介質(zhì)、采用加壓、高溫方法

22、電解就目前而言，以堿液為介質(zhì)、采用加壓、高溫方法電解水制氫是已經(jīng)發(fā)展得比較成熟的一種操作簡(jiǎn)單、可以大水制氫是已經(jīng)發(fā)展得比較成熟的一種操作簡(jiǎn)單、可以大規(guī)模制氫的方法，但該法所制氫氣僅占全球氫氣總產(chǎn)量規(guī)模制氫的方法，但該法所制氫氣僅占全球氫氣總產(chǎn)量的的14%。電解水制氫存在的最大問(wèn)題是槽電壓過(guò)高，導(dǎo)致電能消電解水制氫存在的最大問(wèn)題是槽電壓過(guò)高，導(dǎo)致電能消耗增大，進(jìn)而導(dǎo)致成本增加，這也是目前該技術(shù)無(wú)法與耗增大，進(jìn)而導(dǎo)致成本增加，這也是目前該技術(shù)無(wú)法與化石燃料制氫技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的主要原因?；剂现茪浼夹g(shù)競(jìng)爭(zhēng)的主要原因。 水電解制氫目前主要包括三種方法，分別是水電解制氫目前主要包括三種方法，分別是堿性水溶液

23、堿性水溶液電解、固體聚合物電解質(zhì)水電解和高溫水蒸氣電解電解、固體聚合物電解質(zhì)水電解和高溫水蒸氣電解。 33電解水制氫的方法電解水制氫的方法1.3 1.3 氫氣提純氫氣提純無(wú)論采用何種原料制備氫氣，都只能得到含氫的混合氣，無(wú)論采用何種原料制備氫氣，都只能得到含氫的混合氣，需要進(jìn)一步提純和精制，以得到高純氫。需要進(jìn)一步提純和精制，以得到高純氫。氫氣提純方法較多，但有些方法不適宜用來(lái)制備高純氫，氫氣提純方法較多，但有些方法不適宜用來(lái)制備高純氫，如膜分離法，所得產(chǎn)品純度低，無(wú)法達(dá)到高純氫純度要求。如膜分離法，所得產(chǎn)品純度低，無(wú)法達(dá)到高純氫純度要求。一些常用的氫氣提純精制方法，如冷凝法、低溫吸收法，一些

24、常用的氫氣提純精制方法，如冷凝法、低溫吸收法，單獨(dú)使用時(shí)凈化所得產(chǎn)品難以達(dá)到要求。單獨(dú)使用時(shí)凈化所得產(chǎn)品難以達(dá)到要求。目前，用于精制高純氫的方法主要有：冷凝低溫吸附法、目前，用于精制高純氫的方法主要有：冷凝低溫吸附法、低溫吸收吸附法、變壓吸附法、鈀膜擴(kuò)散法、金屬氫化低溫吸收吸附法、變壓吸附法、鈀膜擴(kuò)散法、金屬氫化物法以及這些方法的聯(lián)合使用。物法以及這些方法的聯(lián)合使用。 341.3.1 1.3.1 冷凝低溫吸附法 純化分兩步進(jìn)行：首先，采用低溫冷凝法進(jìn)行預(yù)處純化分兩步進(jìn)行：首先，采用低溫冷凝法進(jìn)行預(yù)處理，除去雜質(zhì)水和二氧化碳等，需在不同溫度下進(jìn)理，除去雜質(zhì)水和二氧化碳等，需在不同溫度下進(jìn)行二次或

25、多次冷凝分離。再采用低溫吸附法精制，行二次或多次冷凝分離。再采用低溫吸附法精制，經(jīng)預(yù)冷后的氫進(jìn)入吸附塔，在液氮蒸發(fā)溫度經(jīng)預(yù)冷后的氫進(jìn)入吸附塔，在液氮蒸發(fā)溫度(-196)(-196)下，用吸附劑除去各種雜質(zhì)。如可用活性氧化鋁進(jìn)下，用吸附劑除去各種雜質(zhì)。如可用活性氧化鋁進(jìn)一步除去微量水，分子篩吸附除一步除去微量水，分子篩吸附除O O2 2，除，除N N2 2，硅膠除，硅膠除COCO、N N2 2、ArAr，活性炭除，活性炭除CHCH4 4等等。吸附劑用加熱等等。吸附劑用加熱H H2 2再生。再生。工藝多采用兩個(gè)吸附塔交替操作。凈化后工藝多采用兩個(gè)吸附塔交替操作。凈化后H H2 2純度達(dá)純度達(dá)99.

26、99999.99999.9999%99.9999%。 351.3.2 1.3.2 低溫吸收吸附法 純化仍需分兩步進(jìn)行：首先，根據(jù)原料氫中雜質(zhì)的種類(lèi)，純化仍需分兩步進(jìn)行：首先，根據(jù)原料氫中雜質(zhì)的種類(lèi)，選用適宜的吸收劑，如甲烷、丙烷、乙烯、丙烯等，在選用適宜的吸收劑，如甲烷、丙烷、乙烯、丙烯等，在低溫下循環(huán)吸收和解吸氫中雜質(zhì)。例如可用液體甲烷在低溫下循環(huán)吸收和解吸氫中雜質(zhì)。例如可用液體甲烷在低溫下吸收低溫下吸收COCO等雜質(zhì)，然后用丙烷吸收其中的等雜質(zhì)，然后用丙烷吸收其中的CHCH4 4，可，可得到得到99.99%99.99%的的H H2 2。然后，再經(jīng)低溫吸附法，用吸附劑除。然后，再經(jīng)低溫吸附法

27、，用吸附劑除去其中微量雜質(zhì)，制得純度為去其中微量雜質(zhì)，制得純度為99.99999.99999.9999%99.9999%的高純的高純氫。氫。 361.3.3 1.3.3 變壓吸附法(PSA(PSA法) ) 變壓吸附是利用氣體組分在吸附劑上吸附特性的差異變壓吸附是利用氣體組分在吸附劑上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化的原理，通過(guò)周期性的壓力變以及吸附量隨壓力變化的原理，通過(guò)周期性的壓力變化過(guò)程實(shí)現(xiàn)氣體的分離?；^(guò)程實(shí)現(xiàn)氣體的分離。由于由于PSAPSA技術(shù)具有能耗低，產(chǎn)品純度高，工藝流程簡(jiǎn)單，技術(shù)具有能耗低，產(chǎn)品純度高，工藝流程簡(jiǎn)單，預(yù)處理要求低，操作方便、可靠，自動(dòng)化程度高等優(yōu)預(yù)處理要求低，操

28、作方便、可靠，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在氣體分離領(lǐng)域得到廣泛使用。點(diǎn)，在氣體分離領(lǐng)域得到廣泛使用。PSAPSA法制氫，可用各種氣源為原料，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，法制氫，可用各種氣源為原料，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，產(chǎn)品純度可以在產(chǎn)品純度可以在999999.999%99.999%范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。 371.3.4 1.3.4 鈀膜擴(kuò)散法 利用鈀合金膜在一定溫度利用鈀合金膜在一定溫度(400(400500)500)，只能使，只能使H H2 2透過(guò)，透過(guò)，其它雜質(zhì)氣體不能滲透的特性，使其它雜質(zhì)氣體不能滲透的特性，使H H2 2得到純化。得到純化。這種方法對(duì)原料氣中這種方法對(duì)原料氣中O O2 2和水的要

29、求很高。和水的要求很高。O O2 2在鈀合金膜會(huì)在鈀合金膜會(huì)產(chǎn)生氫氧催化反應(yīng)而造成鈀合金局部過(guò)熱，水又會(huì)使鈀產(chǎn)生氫氧催化反應(yīng)而造成鈀合金局部過(guò)熱，水又會(huì)使鈀合金發(fā)生氧化中毒。所以，原料氣需先透過(guò)預(yù)純化器除合金發(fā)生氧化中毒。所以，原料氣需先透過(guò)預(yù)純化器除去去O O2 2和水，再經(jīng)過(guò)濾器除塵后，才能送入鈀合金擴(kuò)散室和水，再經(jīng)過(guò)濾器除塵后，才能送入鈀合金擴(kuò)散室純化，得到純化，得到H H2 2的純度可達(dá)的純度可達(dá)99.9999%99.9999%。但鈀膜擴(kuò)散法提純。但鈀膜擴(kuò)散法提純技術(shù)僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)。 381.3.5 1.3.5 金屬氫化物分離法 金屬氫化物精制和貯存氫是一項(xiàng)

30、新技術(shù)，正在研究和發(fā)展金屬氫化物精制和貯存氫是一項(xiàng)新技術(shù)，正在研究和發(fā)展中。利用貯氫合金對(duì)氫進(jìn)行選擇性化學(xué)吸收，生成金屬氫中。利用貯氫合金對(duì)氫進(jìn)行選擇性化學(xué)吸收，生成金屬氫化物，氫中雜質(zhì)則濃縮于氫化物之外隨廢氫排出，氫化物化物，氫中雜質(zhì)則濃縮于氫化物之外隨廢氫排出，氫化物再發(fā)生分解反應(yīng)放出氫，使氫得到純化。氫氣進(jìn)入氫合金再發(fā)生分解反應(yīng)放出氫，使氫得到純化。氫氣進(jìn)入氫合金純化器之前通常需先進(jìn)行預(yù)處理，以除去大部分純化器之前通常需先進(jìn)行預(yù)處理，以除去大部分O O2 2、COCO、H H2 2O O等雜質(zhì)。純化裝置通常由數(shù)個(gè)純化器聯(lián)合操作，連續(xù)等雜質(zhì)。純化裝置通常由數(shù)個(gè)純化器聯(lián)合操作，連續(xù)得到高純氫

31、，純度可達(dá)得到高純氫，純度可達(dá)99.9999%99.9999%以上。以上。金屬氫化物在反復(fù)吸氫、放氫過(guò)程中會(huì)逐漸粉化，因此還金屬氫化物在反復(fù)吸氫、放氫過(guò)程中會(huì)逐漸粉化，因此還必須在生產(chǎn)裝置終端裝有高效過(guò)濾器以除去粉塵。必須在生產(chǎn)裝置終端裝有高效過(guò)濾器以除去粉塵。 392 2 氫的儲(chǔ)存與輸運(yùn)氫能的儲(chǔ)存與輸運(yùn)是氫能應(yīng)用的前提。氫能的儲(chǔ)存與輸運(yùn)是氫能應(yīng)用的前提。但氫氣無(wú)論以氣態(tài)還是液態(tài)形式存在，密度都非常低，但氫氣無(wú)論以氣態(tài)還是液態(tài)形式存在，密度都非常低，氣態(tài)時(shí)為氣態(tài)時(shí)為0.08988 g L0.08988 g L-1-1( (約為空氣的約為空氣的7%)7%)，液態(tài)，液態(tài)(-253)(-253)時(shí)為

32、時(shí)為70.8 g L70.8 g L-1-1( (約為水的約為水的7%)7%)。4041燃燃 料料氣態(tài)氣態(tài)(20、1 atm)液態(tài)液態(tài)(沸點(diǎn)、沸點(diǎn)、1 atm)絕對(duì)值絕對(duì)值 / kg m-3相對(duì)于氫相對(duì)于氫絕對(duì)值絕對(duì)值 / kg m-3相對(duì)于氫相對(duì)于氫氫氫 氣氣0.091.0070.81.0甲甲 烷烷0.658.13422.86.0汽汽 油油4.455.0700.09.9幾種常用燃料的氣態(tài)和液態(tài)下的密度幾種常用燃料的氣態(tài)和液態(tài)下的密度 氫在一般條件下以氣態(tài)形式存在，且易燃?xì)湓谝话銞l件下以氣態(tài)形式存在，且易燃(4-75%)(4-75%)、易爆、易爆(15-(15-59%)59%)，這就為儲(chǔ)存和運(yùn)

33、輸帶來(lái)了很大的困難。當(dāng)氫作為一種燃，這就為儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來(lái)了很大的困難。當(dāng)氫作為一種燃料時(shí)，必然具有分散性和間歇性使用的特點(diǎn)，因此必須解決儲(chǔ)料時(shí)，必然具有分散性和間歇性使用的特點(diǎn)，因此必須解決儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題。儲(chǔ)氫和輸氫技術(shù)要求能量密度大存和運(yùn)輸問(wèn)題。儲(chǔ)氫和輸氫技術(shù)要求能量密度大( (包含單位體包含單位體積和質(zhì)量?jī)?chǔ)存的氫含量大積和質(zhì)量?jī)?chǔ)存的氫含量大) )、能耗少、安全性高。、能耗少、安全性高。當(dāng)作為車(chē)載燃料使用當(dāng)作為車(chē)載燃料使用( (如燃料電池動(dòng)力汽車(chē)如燃料電池動(dòng)力汽車(chē)) )時(shí)，應(yīng)符合車(chē)載狀時(shí)，應(yīng)符合車(chē)載狀況所需要求。一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)行駛況所需要求。一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)行駛400 km400 km需消耗汽

34、油需消耗汽油24 kg24 kg，而以氫氣為燃料則只需要而以氫氣為燃料則只需要8 kg(8 kg(內(nèi)燃機(jī)，效率內(nèi)燃機(jī)，效率25%)25%)或或4 kg(4 kg(燃料燃料電池，效率電池，效率50-60%)50-60%)。 422.1 氫氣儲(chǔ)存和輸運(yùn)中的考慮氫氣儲(chǔ)存和輸運(yùn)中的考慮總體說(shuō)來(lái)，氫氣儲(chǔ)存可分為總體說(shuō)來(lái)，氫氣儲(chǔ)存可分為物理法和化學(xué)法物理法和化學(xué)法兩大類(lèi)。物理儲(chǔ)存兩大類(lèi)。物理儲(chǔ)存方法主要包括液氫儲(chǔ)存、高壓氫氣儲(chǔ)存、活性炭吸附儲(chǔ)存、碳方法主要包括液氫儲(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、地下巖洞儲(chǔ)存等?；瘜W(xué)纖維和碳納米管儲(chǔ)存、玻璃微球儲(chǔ)存、地下巖洞儲(chǔ)存等?；?/p>

35、學(xué)儲(chǔ)存方法有金屬氫化物儲(chǔ)存、有機(jī)液態(tài)氫化物儲(chǔ)存、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)儲(chǔ)存方法有金屬氫化物儲(chǔ)存、有機(jī)液態(tài)氫化物儲(chǔ)存、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)存、鐵磁性材料儲(chǔ)存等。存、鐵磁性材料儲(chǔ)存等。氫氣的輸運(yùn)與氫氣儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，目前氫氣的運(yùn)輸氫氣的輸運(yùn)與氫氣儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，目前氫氣的運(yùn)輸方式主要包括壓縮氫氣和液氫兩種，金屬氫化物儲(chǔ)氫、配位氫方式主要包括壓縮氫氣和液氫兩種，金屬氫化物儲(chǔ)氫、配位氫化物儲(chǔ)氫等技術(shù)尚有待成熟?；飪?chǔ)氫等技術(shù)尚有待成熟。432.2 氫氣的儲(chǔ)存和輸運(yùn)方法氫氣的儲(chǔ)存和輸運(yùn)方法44 Linde水冷液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車(chē)照片水冷液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車(chē)照片 注：該裝置一次可儲(chǔ)氫注：該裝置一次可儲(chǔ)氫

36、3.1 kg3.1 kg，裝配于，裝配于GMGM的的HydroGen3HydroGen3汽車(chē)上，行駛里程汽車(chē)上，行駛里程為為170170英里。英里。 45美國(guó)美國(guó)QUANTUM公司開(kāi)發(fā)的第公司開(kāi)發(fā)的第4類(lèi)車(chē)用壓力儲(chǔ)氫裝置類(lèi)車(chē)用壓力儲(chǔ)氫裝置 2.3 2.3 金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫把氫以金屬氫化物的形式儲(chǔ)存在合金中，是近把氫以金屬氫化物的形式儲(chǔ)存在合金中，是近3030年來(lái)新發(fā)展的年來(lái)新發(fā)展的技術(shù)。技術(shù)。原則上說(shuō)，這類(lèi)合金大都屬于金屬間化合物，制備方法一直沿原則上說(shuō)，這類(lèi)合金大都屬于金屬間化合物，制備方法一直沿用制造普通合金的技術(shù)。這類(lèi)技術(shù)有一種特性，當(dāng)把它們?cè)谝挥弥圃炱胀ê辖鸬募夹g(shù)。這類(lèi)技術(shù)

37、有一種特性，當(dāng)把它們?cè)谝欢囟群蛪毫ο缕刂迷跉錃夥罩袝r(shí)，就可以吸收大量的氫氣，定溫度和壓力下曝置在氫氣氛中時(shí)，就可以吸收大量的氫氣，生成金屬氫化物。生成的金屬氫化物加熱后釋放出氫氣，利用生成金屬氫化物。生成的金屬氫化物加熱后釋放出氫氣，利用這一特性就可以有效地儲(chǔ)氫。這一特性就可以有效地儲(chǔ)氫。金屬氫化物儲(chǔ)氫比液氫和高壓氫安全，并且有很高的儲(chǔ)存容量。金屬氫化物儲(chǔ)氫比液氫和高壓氫安全，并且有很高的儲(chǔ)存容量。但由于成本問(wèn)題，金屬氫化物儲(chǔ)氫僅適用于少量氣體儲(chǔ)存。但由于成本問(wèn)題，金屬氫化物儲(chǔ)氫僅適用于少量氣體儲(chǔ)存。 46注：由表可見(jiàn)，有些金屬氫化物的儲(chǔ)氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的注：由表可見(jiàn)，有些金屬氫化物的

38、儲(chǔ)氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的1,0001,000倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過(guò)液氫。倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過(guò)液氫。 儲(chǔ)氫介質(zhì)儲(chǔ)氫介質(zhì)氫原子密度氫原子密度/1022個(gè)個(gè) cm3儲(chǔ)氫儲(chǔ)氫相對(duì)密度相對(duì)密度含氫量含氫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%標(biāo)態(tài)下的氫氣標(biāo)態(tài)下的氫氣0.00541100氫氣鋼瓶氫氣鋼瓶(15 MPa)0.81150100-253液氫液氫4.2778100LaNi5H66.21,1481.37FeTiH1.955.71,0561.85MgNiH45.61,0373.6MgH26.61,2227.65某些金屬氫化物的儲(chǔ)氫能力某些金屬氫化物的儲(chǔ)氫能力 2.4 2.4 氫的輸運(yùn)氫的輸運(yùn)壓縮氫氣的運(yùn)輸壓

39、縮氫氣的運(yùn)輸壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車(chē)或管道輸送，氣瓶壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車(chē)或管道輸送，氣瓶和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材。和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材。現(xiàn)有天然氣管道可以被改裝成輸氫管道，但需要采現(xiàn)有天然氣管道可以被改裝成輸氫管道，但需要采取措施預(yù)防取措施預(yù)防氫脆所帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題氫脆所帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題。 482.4 2.4 氫的輸運(yùn)氫的輸運(yùn)運(yùn)輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高運(yùn)輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高(1輛拖車(chē)運(yùn)載的液氫相輛拖車(chē)運(yùn)載的液氫相當(dāng)于當(dāng)于20輛拖車(chē)運(yùn)輸?shù)膲嚎s氫氣輛拖車(chē)運(yùn)輸?shù)膲嚎s氫氣)，適合于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，適合于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸(在不適合在不適合鋪設(shè)管道的情況下鋪設(shè)管道的情況下)。若氫

40、氣產(chǎn)量達(dá)到若氫氣產(chǎn)量達(dá)到450 kg h-1、儲(chǔ)存時(shí)間為、儲(chǔ)存時(shí)間為1天、運(yùn)輸距離超過(guò)天、運(yùn)輸距離超過(guò)160 km，則采用液氫的方式運(yùn)輸成本最低，金屬氫化物運(yùn)輸方式也，則采用液氫的方式運(yùn)輸成本最低，金屬氫化物運(yùn)輸方式也很有競(jìng)爭(zhēng)力。很有競(jìng)爭(zhēng)力。但運(yùn)輸距離若達(dá)到但運(yùn)輸距離若達(dá)到1,600 km，液氫運(yùn)輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠?，液氫運(yùn)輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠锏偷?倍，比壓縮氫氣低倍，比壓縮氫氣低7倍。倍。493 3 氫的應(yīng)用氫在燃?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)用氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用氫在燃料電池中的應(yīng)用氫在燃料電池中的應(yīng)用50目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重

41、要原料，目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重要原料，此外此外Ni-MH電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車(chē)方面也獲得了廣電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車(chē)方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。對(duì)于未來(lái)的對(duì)于未來(lái)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：燃料電而言，氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：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，燃料電池是未來(lái)人類(lèi)社會(huì)最主要的發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備。普遍認(rèn)為，燃料電池是未來(lái)人類(lèi)社會(huì)最主要的發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備。 513.1 氫的應(yīng)用概述氫的應(yīng)用概述氫能的利用氫能的利用氫能的利用氫能的利用航天飛機(jī)的高壓補(bǔ)燃?xì)?

42、氧發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)寶馬氫能源12缸發(fā)動(dòng)機(jī) 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)寶馬氫能源12缸發(fā)動(dòng)機(jī) 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)氫能的利用氫氣同樣可以用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)改進(jìn)的內(nèi)燃機(jī) ；轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)只需要極小的改動(dòng)就可以燃用氫氣 ；RX-8s車(chē)每加滿一罐壓縮氫氣可行駛120英里（約合193.12公里）。氫混合動(dòng)力研究車(chē)（H2RV）氫能摩托車(chē)福特汽車(chē)公司FocusH2RV氫發(fā)動(dòng)機(jī)轎車(chē)燃料電池v燃料電池由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中 間的電解質(zhì)板所組成；3.2 3.2 燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介及技術(shù)現(xiàn)狀 燃?xì)廨啓C(jī)是一種外燃機(jī)。與內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：燃?xì)廨啓C(jī)是一種外燃機(jī)。與內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 重量輕、體積小、投資

43、省。燃?xì)廨啓C(jī)的重量及所占的容積一般只有汽輪重量輕、體積小、投資省。燃?xì)廨啓C(jī)的重量及所占的容積一般只有汽輪機(jī)裝置或內(nèi)燃機(jī)的幾分之一或幾十分之一，消耗材料少，投資費(fèi)用低，機(jī)裝置或內(nèi)燃機(jī)的幾分之一或幾十分之一，消耗材料少，投資費(fèi)用低，建設(shè)周期短。建設(shè)周期短。(2) 起動(dòng)快、操作方便。從冷態(tài)起動(dòng)到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪起動(dòng)快、操作方便。從冷態(tài)起動(dòng)到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪機(jī)裝置或大功率內(nèi)燃機(jī)則需幾分鐘到幾小時(shí)；同時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)機(jī)裝置或大功率內(nèi)燃機(jī)則需幾分鐘到幾小時(shí)；同時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輔助設(shè)備少，運(yùn)行時(shí)操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動(dòng)化程度可以超單、輔助設(shè)備少，運(yùn)行時(shí)操作方便

44、，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動(dòng)化程度可以超過(guò)汽輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。過(guò)汽輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。(3) 水、電、潤(rùn)滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水水、電、潤(rùn)滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水地區(qū)運(yùn)行。地區(qū)運(yùn)行。66 最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它包括三個(gè)主要部件：壓氣最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它包括三個(gè)主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。 燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖 燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，目前在以下幾個(gè)領(lǐng)域已大量燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，目前在以下幾個(gè)領(lǐng)域已大量采用燃?xì)廨啓C(jī)：采用燃?xì)廨啓C(jī)：(1)航空領(lǐng)域。由于燃?xì)廨啓C(jī)小而輕，起動(dòng)快，馬力大，因

45、此在航航空領(lǐng)域。由于燃?xì)廨啓C(jī)小而輕，起動(dòng)快，馬力大，因此在航空領(lǐng)域中已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)?？疹I(lǐng)域中已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。(2)艦船領(lǐng)域。目前燃?xì)廨啓C(jī)已在高速水面艦艇、水翼艇、氣墊船艦船領(lǐng)域。目前燃?xì)廨啓C(jī)已在高速水面艦艇、水翼艇、氣墊船等中占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，在巡航機(jī)、特種艦船中得到了批量采用，海等中占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，在巡航機(jī)、特種艦船中得到了批量采用，海上鉆采石油平臺(tái)也廣泛采用燃?xì)廨啓C(jī)。上鉆采石油平臺(tái)也廣泛采用燃?xì)廨啓C(jī)。(3)陸上領(lǐng)域。在發(fā)電方面，燃?xì)廨啓C(jī)主要用于尖峰負(fù)荷應(yīng)急發(fā)電陸上領(lǐng)域。在發(fā)電方面，燃?xì)廨啓C(jī)主要用于尖峰負(fù)荷應(yīng)急發(fā)電站和移動(dòng)式電站。站和移動(dòng)式電站。68燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域由于空氣質(zhì)量不斷下降

46、，各國(guó)均認(rèn)識(shí)到必需降低由于空氣質(zhì)量不斷下降，各國(guó)均認(rèn)識(shí)到必需降低COx、NOx、煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會(huì)中，很大一部分能源通過(guò)煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會(huì)中，很大一部分能源通過(guò)火力發(fā)電、被轉(zhuǎn)化成電能，因此發(fā)電廠是最大的污染源之一，火力發(fā)電、被轉(zhuǎn)化成電能，因此發(fā)電廠是最大的污染源之一，必須對(duì)發(fā)電設(shè)備加以必要的改進(jìn)。必須對(duì)發(fā)電設(shè)備加以必要的改進(jìn)。 出于降低出于降低NOx排放量的目的，目前氫主要是以富氫燃?xì)馀欧帕康哪康?，目前氫主要是以富氫燃?xì)?富氫天富氫天然氣或合成氣然氣或合成氣)的形式應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)于純氫作為的形式應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)于純氫作為燃料氣的報(bào)道很少。燃料氣

47、的報(bào)道很少。 69氫氣在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用氫氣在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用3.3 3.3 開(kāi)發(fā)氫電池還是氫發(fā)動(dòng)機(jī)？人們?cè)陂_(kāi)發(fā)使用氫或其他燃料的電池方面做了大量的工作，取人們?cè)陂_(kāi)發(fā)使用氫或其他燃料的電池方面做了大量的工作，取得了一定的成果。但燃料電池仍然有一些缺點(diǎn)，如價(jià)格高、體得了一定的成果。但燃料電池仍然有一些缺點(diǎn)，如價(jià)格高、體積大、冷啟動(dòng)性能差，以及高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低等。積大、冷啟動(dòng)性能差，以及高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低等。氫燃料內(nèi)燃機(jī)的使用成本只相當(dāng)于燃料電池的一小部分，工作氫燃料內(nèi)燃機(jī)的使用成本只相當(dāng)于燃料電池的一小部分，工作原理和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)相同，所以有可能制造出既可使用氫燃料原理和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)相同，所以

48、有可能制造出既可使用氫燃料也可使用汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放的唯一有害物質(zhì)是也可使用汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放的唯一有害物質(zhì)是氮氧化合物。氮氧化合物。70氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)！由于氫的特性，使用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)要記住以下幾點(diǎn)：首先，由于氫的特性，使用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)要記住以下幾點(diǎn)：首先，氫在空氣中的可燃比非常高氫在空氣中的可燃比非常高(體積的體積的475)，而汽油，而汽油(17.6)和甲烷和甲烷(5.315)較低，這一特性在氫的燃燒中起了較低，這一特性在氫的燃燒中起了很大的作用。加上氫的燃燒在氣體中傳播速度很快，因此氫燃很大的作用。加上氫的燃燒在氣體中傳播速度很快，因此氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒非常

49、清潔。料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒非常清潔。71n其次，氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以靠空氣燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出，其次，氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以靠空氣燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出，不需要節(jié)流閥。這樣做最大的好處是提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率，不需要節(jié)流閥。這樣做最大的好處是提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率，因?yàn)椴淮嬖谌剂媳弥辛髁康膿p失，稀薄燃燒的效率較高也起了因?yàn)椴淮嬖谌剂媳弥辛髁康膿p失，稀薄燃燒的效率較高也起了一定的作用。一定的作用。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)！第三，空氣燃料混合比濃度較高時(shí)，在熱動(dòng)力燃燒環(huán)境非常第三，空氣燃料混合比濃度較高時(shí)，在熱動(dòng)力燃燒環(huán)境非常好的情況下，層流的燃燒速度非?？?。氫的辛烷值高達(dá)好的情況下，層流的燃燒速度非?？?。氫的辛

50、烷值高達(dá)130，而高級(jí)汽油的辛烷值只有大約而高級(jí)汽油的辛烷值只有大約93，因此它的自燃溫度很高，在，因此它的自燃溫度很高，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮過(guò)程中抗提前燃燒的能力強(qiáng)，也就是說(shuō)可以發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮過(guò)程中抗提前燃燒的能力強(qiáng)，也就是說(shuō)可以采用較高的壓縮比采用較高的壓縮比(活塞在行程兩端時(shí)氣缸最大容積和最小容積活塞在行程兩端時(shí)氣缸最大容積和最小容積的比值的比值)。據(jù)福特公司報(bào)道，一臺(tái)壓縮比為。據(jù)福特公司報(bào)道，一臺(tái)壓縮比為14.5:1的氫發(fā)動(dòng)機(jī)最的氫發(fā)動(dòng)機(jī)最大效率可達(dá)到大效率可達(dá)到52。724 4 氫的安全性一種新的能源系統(tǒng)要得到推廣和應(yīng)用，其安全性是我們應(yīng)該首一種新的能源系統(tǒng)要得到推廣和應(yīng)用，其安全性

51、是我們應(yīng)該首先關(guān)心的問(wèn)題，對(duì)氫能系統(tǒng)而言，也是如此。先關(guān)心的問(wèn)題，對(duì)氫能系統(tǒng)而言，也是如此。氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的氫的各種內(nèi)在特性，決定了氫能系統(tǒng)有不同于常規(guī)能源系統(tǒng)的危險(xiǎn)特征，比如易燃、易泄漏、氫脆等，而且由于氫的使用范危險(xiǎn)特征，比如易燃、易泄漏、氫脆等，而且由于氫的使用范圍不廣，經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，在使用者的可接受心理上也存在著較圍不廣，經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，在使用者的可接受心理上也存在著較大問(wèn)題。大問(wèn)題。為了氫能系統(tǒng)和燃料電池汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，制定相關(guān)氫能安為了氫能系統(tǒng)和燃料電池汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，制定相關(guān)氫能安全標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)氫安全問(wèn)題進(jìn)行研究是很有必要的。全標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)氫安全問(wèn)

52、題進(jìn)行研究是很有必要的。 734.1 4.1 泄漏性氫是最輕的元素，比液體燃料和其它氣體燃料更容易從小氫是最輕的元素，比液體燃料和其它氣體燃料更容易從小孔中泄漏。例如，對(duì)于透過(guò)薄膜的擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散速度孔中泄漏。例如，對(duì)于透過(guò)薄膜的擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散速度是天然氣的是天然氣的3.83.8倍。倍。但是，比較有意義的是，在燃料管線、閥門(mén)、高壓儲(chǔ)罐等但是，比較有意義的是，在燃料管線、閥門(mén)、高壓儲(chǔ)罐等上面實(shí)際出現(xiàn)的裂孔中，氫氣泄漏的速度如何。上面實(shí)際出現(xiàn)的裂孔中，氫氣泄漏的速度如何。從高壓儲(chǔ)氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣都會(huì)達(dá)到聲速。從高壓儲(chǔ)氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣都會(huì)達(dá)到聲速。氫氣的聲速氫氣的聲速(1

53、,308 mps)(1,308 mps)幾乎是天然氣聲速幾乎是天然氣聲速(449 mps)(449 mps)的的3 3倍，所以氫氣的泄漏要比天然氣快。倍，所以氫氣的泄漏要比天然氣快。744.2 4.2 氫脆 錳鋼、鎳鋼以及其它高強(qiáng)度鋼容易發(fā)生氫脆。這些鋼長(zhǎng)期暴露錳鋼、鎳鋼以及其它高強(qiáng)度鋼容易發(fā)生氫脆。這些鋼長(zhǎng)期暴露在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強(qiáng)度會(huì)大大降低，導(dǎo)致失在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強(qiáng)度會(huì)大大降低，導(dǎo)致失效。因此，如果與氫接觸的材料選擇不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致氫的泄漏效。因此，如果與氫接觸的材料選擇不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致氫的泄漏和燃料管道的失效。和燃料管道的失效。但是，通過(guò)選擇合適的材料，如鋁和

54、一些合成材料，就可以避但是，通過(guò)選擇合適的材料，如鋁和一些合成材料，就可以避免因氫脆產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，氫氣中含有的極性雜質(zhì)，如免因氫脆產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，氫氣中含有的極性雜質(zhì)，如水蒸汽、水蒸汽、H H2 2S S、COCO2 2、醇、酮及其它類(lèi)似化合物，會(huì)強(qiáng)烈地阻止、醇、酮及其它類(lèi)似化合物，會(huì)強(qiáng)烈地阻止生成金屬氫化物。生成金屬氫化物。754.3 4.3 氫的擴(kuò)散 如果發(fā)生泄漏，氫氣就會(huì)迅速擴(kuò)散。如果發(fā)生泄漏，氫氣就會(huì)迅速擴(kuò)散。與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力( (快速上升快速上升) )和更大的擴(kuò)散性和更大的擴(kuò)散性( (橫向移動(dòng)橫向移動(dòng)) )。氫的密度僅為空氣的。氫的密度僅為空氣的7%7%，而天然，而天然氣的密度是空氣的氣的密度是空氣的55%55%。所以即使在沒(méi)有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，。所以即使在沒(méi)有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，它們也會(huì)向上升，而且氫氣會(huì)上升得更快一些。而丙烷和汽油它們也會(huì)向上升，而且氫氣會(huì)上升得更快一些。而丙烷和汽油氣都比空氣重，所以它們會(huì)停留在地面，擴(kuò)散的很慢。氣都比空氣重，所以它們會(huì)停留在地面，擴(kuò)散的很慢。764.3 4.3 氫的擴(kuò)散 氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的3.83.8倍，丙烷的倍，丙烷的6.16.1倍，汽油氣的倍，汽油氣的121