新能源之氢能ppt课件

• 在上述三个步骤中可分别利用太阳能的 光化学作用、光热作用和光电作用。
• 这种方法为大规模利用太阳能制氢提供 了实现的基础，其关键是寻求光解效率 高、性能稳定、价格低廉的光敏催化剂。
• (4) 太阳能光电化学分解水制氢
• 这种方法是利用特殊的化学电池，这种 电池的电极在太阳光的照射下能够维持 恒定的电流，并将水离解而获取氢气。 这种方法的关键是需要有合适的电极材 料。
• 这种装置的最大特点是由于反应过程中 不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不 受“卡诺循环”的限制，其能量转换率 高达60%－80%，实际使用效率则是普 通内燃机的2－3倍。
• 氢燃料电池工作原理： • 工作时给负极供给燃料
(氢)，给正极供给氧化 剂(空气)。 • 氢在负极分解成正离子 H＋和电子e-： 2H2→4H++4e－，氢 离子进入电解质中，而 电子则沿外部电路(含 负载)移向正极。 • 氧在正极获得氢离子和 电子反应为水： O2+4H++4e-→2H2O。
新能源篇——氢能 hydrogen energy
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• 氢能概述 • 氢的特点 • 氢的利用 • 氢经济 • 氢的制取 • 氢的储存与运输
一、氢能概述
一次能源
二次 能源
能源用户
二次能源又可分为两类：
•
过程性能源 （水能、风能、电能……）
•
含能体能源 （汽油、柴油…… ）
• 由于目前“过程性能源”尚不能大量地 直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机 动性强的现代交通运输工具就只能采用 像柴油、汽油这一类“含能体能源”。
• 但随后二十年间中东形势趋缓、原油价格 下跌，石油依旧成为交通运输业的首要选
择，因此对于氢经济发展的相关研究渐少。 直到1990年代末期气候变化（全球变暖 等）问题引起重视以后，氢能与氢经济又 再度成为世界各国研究的热点。
（1）美国氢经济发展战略：
• 美国在1990年就通过了氢能研究与发展、 示范法案。
• 氢燃料电池工作原理：
• 氢燃料电池的应用：
•
把化学能直接转化为电能供机械应用
采 用 氢 燃 料 电 池 的 实 验 车
• 在旧金山召开的英特尔开发商论坛上， 千年电池公司向人们展示了一台运行原 型氢燃料电池的电脑。目前绝大多数笔 记本电脑在电池充满情况下可工作三到 四小时。
• 迄今，千年电池的 工作时间仅有三小 时，但是公司的开 发目标是将电池性 能提高到八小时。
• 德国戴姆勒-奔驰航空公司和俄罗斯航空 公司已从1996年开始进行试验，证实在 配备有双发动机的喷气机中使用液氢， 其安全性有足够的保证。
• 由于液态氢的工作温度为－253℃，因此 必须改进目前的飞机燃料系统。
• 氢燃料电池：
• 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过 电极反应直接转换成电能的装置。
• 随着常规能源危机的出现，在开发新的 一次能源的同时，人们将目光也投向寻
求新的“含能体能源”，氢能正是一种
人们期待的新的二次能源。
• 21世纪最有前途的能源有两种：
•
氢能
•
受控核聚变能
二、氢的特点
氢位于元素周期表之首，它的原子序数 为1，在常温常压下为气态，在超低温高 压下又可成为液态。
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1）所有元素中，氢 重量最轻。
• 在交通运输方面，美、德、法、日等汽 车大国早已推出以氢作燃料的示范汽车， 并进行了几十万公里的道路运行试验。
• 试验证明，以氢作燃料的汽车在经济性、 适应性和安全性三方面均有良好的前景， 但目前仍存在贮氢密度小和成本高两大 障碍。
• 目前制造一辆燃料 电池车的花费大约 是普通汽车成本的 100倍左右，只有 那些为批量上市而 生产的车型才能产 生经济效益，但其 成本仍然是普通汽 车成本的10倍。
燃烧氢气能 发电
氢能汽车
氢能
氢燃料电池
氢能 航空航天
三、氢的利用 • 氢能汽车 • 氢能航空航天 • 氢燃料电池 • 燃烧氢气能发电
• 氢能汽车：
氢能汽车可有两种形式： ⒈通过内燃机燃烧氢产生动能，此时的
燃料可以是纯氢，也可以是氢与天然气的 混合物。
⒉以氢为原料的燃料电池作为汽车的动 力，即现在我们所说的氢燃料电池汽车。
• 确定了在发展氢经济的初始阶段的技术 研究、开发与示范的具体内容和目标， 以及相关的后续行动等。该计划明确提 出美国将于2040年实现向氢经济的过渡。
（2）氢经济循环过程：
制取
储存
应用
运输 • 氢能在化工、航空航天、交通运输、供
热、供电等方面有着广泛的应用空间。 氢主要有两种转化应用的方式，以燃烧 的形式在发动机中使用，以化学作用的 形式在燃料电池中使用。
• 氢燃料电池展示：
东 芝 燃 料 电 池 本 本 亮 相
• 燃烧氢气能发电： • 利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机
组。
• 这种机组是火箭型内燃发动机配以发电 机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因 此结构简单，维修方便，启动迅速，要 开即开，欲停即停。
• 在电网低负荷的，还可吸收多余的电来 进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时 发电用。这种调节作用对于用网运行是 有利的。
卡车APV 分布式电站 组合式取暖和电力
氢能与氢能经济
氢能系统
可再生能源制备 化石原料制备
CO2处理
输运 转换
储存
应用
五、氢的制取
• 氢能是一种二次能源，在人类生存的地 球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然 界中氢多以化合物的形式的存在，氢气 极少。
• 最丰富的含氢物质是水（H2O），其次 就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气） 及 各种生物质等。因此要开发利用这种 理想的清洁能源，必需首先开发氢源， 即研究开发各种制氢的方法。
（3）氢的转化利用：
燃烧
转化技术 气体涡轮机
往复式发动机
应用
分布式电站 组合式取暖和电力 中央电站
车辆 分布式电站 组合式取暖和电力 便携式电源
质子交换膜
燃料电池
碱性电解质 磷酸
熔融碳酸盐
固体氧化物
车辆 分布式电站 组合式取暖和电力 便携式电源
车辆
分布式电站
分布式电站 组合式取暖和电力
分布式电站 组合式取暖和电力
• 美国能源部(DOE)启动了一系列氢能研 究项目。2001年以来，美国政府将发展 氢能作为其能源政策的一个重要方面， 先后制定了多项氢能研究计划，以实现 向氢经济的过渡。
• 2004年2月，美国能源部出台了《氢态 势计划：综合研究、开发和示范计划》。
• 氢经济必须经历4个相互重叠、关联的阶 段： – 技术研发与示范(2000—2015年) – 前期市场渗透(2010—2025年) – 基础设施建设与投资(2015—2035年) – 氢经济实现(2025—2040年)
福特汽车领先投产氢燃料内燃机
• 氢能航空航天：
• 早在第二次世界大战 期间，氢即用作A—2 火箭发动机的液体推 进剂。
• 1960年液氢首次用 作航天动力燃料。
• 1970年美国发射的 “阿波罗”登月飞 船使用的起飞火箭 也是用液氢作燃料。 现在氢已是火箭领 域的常用燃料了。
• 现在科学家们正在研究一种“固态氢” 的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构 材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行 期间，飞船上所有的非重要零件都可以 转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇 宙中就能飞行更长的时间。
• (5) 模拟植物光合作用分解水制氢
• 从合烃的化石燃料中制氢 • 这是过去以及现在采用最多的方法。它
是以煤、石油或天然气等化石燃料作原 料来制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作 原料来制取氢气的基本反应过程为：
C＋H2O→CO＋H2
• 用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢 化学反应为：
CH4 H2O 8003H2 CO
• 上述反应均为吸热反应，反应过程中所 需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧 中获得，也可利用外部热源。
5）氢燃烧性能好，点燃快， 与空气混合时有广泛的可 燃范围，而且燃点高，燃 烧速度快。
6）氢本身无毒，与其 他燃料相比氢燃烧时最 清洁，除生成水和少量 氮化氢外不会产生诸如 一氧化碳、二氧化碳、 碳氢化合物、铅化物和 粉尘颗粒等对环境有害 的污染物质，而且燃烧 生成的水还可继续制氢，
反复循环使用。
7）氢能利用形式多， 既可以通过燃烧产生 热能，又可以作为能 源材料用于燃料电池， 或转换成固态氢用作 结构材料。
8）氢可以以气态、 液态或固态的金属氢 化物出现，能适应贮 运及各种应用环境的 不同要求。
• 氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重 量轻和储存及输送性 能好、应用形式多等
诸多优点，赢得了人们的青睐。
因此利用常规能源生产的电能来大规模 的电解水制氢显然是不合算的。
• 百度文库化学制氢
• 这种方法是通过外加高温热使水起化学 分解反应来获取氢气。
• 到目前为止虽有多种热化学制氢方法， 但总效率都不高，仅为20％～50％，而 且还有许多工艺问题需要解决。依靠这 种方法来大规模制氢还有待进一步研究。
• 太阳能制氢 • 随着新能源的崛起，以水作为原料利用
• 氢的能量密度很高，是普 通汽油的3倍，这意味着燃 料的自重可减轻2／3，这 对航天飞机无疑是极为有 利的。
• 今天的航天飞机以氢作为 发动机的推进剂，以纯氧 作为氧化剂，液氢就装在 外部推进剂桶内，每次发 射需用1450m3，重约100t。
• 在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作 动力燃料的研究已进行多年，目前已进 入样机和试飞阶段。
2）所有气体中，氢 气的导热性最好，比 大多数气体的导热系 数高出10倍，因此在 能源工业中氢是极好 的传热载体。
3）氢是自然界存在 最普遍的元素，据估 计它构成了宇宙质量 的75%，除空气中含 有氢气外，它主要以 化合物的形态贮存于 水中，而水是地球上 最广泛的物质。
4）除核燃料外氢的发热值 是所有化石燃料、化工燃 料和生物燃料中最高的， 每千克氢燃烧后能放出 142.35千焦的热量，约为 汽油的3倍，酒精的3.9倍， 焦炭的4.5倍。
• 另外，氢和氧还可直接改变常规火力发 电机组的运行状况，提高电站的发电能 力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电，利 用液氢冷量发电装置，进而提高机组功 率等。
四、氢经济
• 氢经济（Hydrogen Economy）一词， 为美国通用汽车公司（General Motors） 于1970年发生第一次能源危机时所创， 主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑 全球经济的主要能源后，整个氢能源生 产、配送、贮存及使用的市场运作体系。
核能和太阳能来大规模制氢已成为世界 各国共同努力的目标。
• 其中太阳能制氢 最具吸引力，也 最有现实意义。
利用太阳光制造氢能设备
• (1) 太阳热分解水制氢
• 热分解水制氢有两种方法，即直接热分 解和热化学分解。前者需要把水或蒸汽 加热到3000K以上，水中的氢和氧才能 够分解，虽然其分解效率高，不需催化 剂，但太阳能聚焦费用太昂贵。后者是 在水中加入催化剂，使水中氢和氧的分 解温度降低到900~1200K，催化剂可 再生后循环使用，目前这种方法的制氢 效率已达50%。
• 自从天然气大规模开采后，现在氢的制 取有96%都是以天然气为原料。天然气 和煤都是宝贵的燃料和化工原料，用它 们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源 的依赖。
• 电解水制氢 • 这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：
H2

1 2
O2

H 2O

Q
• 为了提高制氢效率，电解通常在高压下 进行，采用的压力多为3.0～5.0MPa。 目前电解效率约为50％～70％。由于电 解水的效率不高且需消耗大量的电能，
• 长远看以水为原料制取氢气是最有前途 的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放 出能量后又生成产物水，不造成环境污 染。
• 各种矿物燃料制氢是目前制氢的最主要 方法，但其储量有限，且制氢过程会对 环境造成污染。
• 其它各类含氢物质转化制氢的方法目前 尚处次要地位。
常用的制取氢气的方法原理图：
• 制取氢气目前最常用的四种方法： • 1.从合烃的化石燃料中制氢 • 2.电解水制氢 • 3.热化学制氢 • 4.太阳能制氢
• (2) 太阳能电解水制氢
• 这种方法是首先将太阳能转换成电能， 然后再利用电能来电解水制氢。
• (3) 太阳能光化学分解水制氢
• 将水直接分解成氧和氢是很困难的，但 把水先分解为氢离子和氢氧离子，再生 成氢和氧就容易得多。
• 基于这个原理，先进行光化学反应，再 进行热化学反应，最后再进行电化学反 应即可在较低温度下获得氢和氧。