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1、向文国向文国能源与环境学院能源与环境学院1. 1. 氢是什么？氢是什么？氢原子最氢原子最轻的元素轻的元素，是，是宇宙中含量最多的宇宙中含量最多的元素元素符号符号： H H；电子排布电子排布： 1s11s1原子序数原子序数： 1 1含1个质子，不含中子熔点熔点： - -259.1 259.1 ；沸点沸点：252.879252.879 发现时间发现时间： 1766 1766 年；年；发现者发现者： 亨利亨利卡文迪什卡文迪什原子质量原子质量： 1.00794 1.00794 0.00001 0.00001 u u热容热容：28.836 Jmol1K1热导率热导率：0.1805 Wm1K1密度：密度：
2、(0 , 01.325 kPa) 0.08988 g/L常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味的气体透明、无臭无味的气体氢气燃烧生成水氢气燃烧生成水(H(H2 2+O+O2 2HH2 2O)O)，拉瓦锡根，拉瓦锡根据这一性质将该元素命名为据这一性质将该元素命名为 “hydrogen”hydrogen”氢气在空气中的体积分数为氢气在空气中的体积分数为4%4%至至75%75%时都时都能燃烧。氢气燃烧的焓变为能燃烧。氢气燃烧的焓变为 286 kJ/mol:286 kJ/mol:2 H2 H2 2(g) + O(g) + O2 2(g) 2 H(g) 2
3、 H2 2O(l); H = O(l); H = - -572 kJ/mol 572 kJ/mol 氢气的着火点为氢气的着火点为500 500 ，纯净的氢气与氧气，纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线的混合物燃烧时放出紫外线地球上极稀少的游离状态氢，地球上极稀少的游离状态氢，在地壳里，如果按质量计算，在地壳里，如果按质量计算，氢只占总质量的氢只占总质量的1%1%，而如果，而如果按原子百分数计算，则占按原子百分数计算，则占17%17%。自然界中分布很广，以重量百自然界中分布很广，以重量百分比计算，水中含分比计算，水中含11%11%的氢；的氢；泥土中约有泥土中约有1.5%1.5%的氢；石油、的
4、氢；石油、天然气、动植物体也含氢。天然气、动植物体也含氢。宇宙中，按原子百分数，氢最宇宙中，按原子百分数，氢最多。在太阳大气中，按原子百多。在太阳大气中，按原子百分数计算，氢占分数计算，氢占93%93%。在宇宙空间中，氢原子的数目在宇宙空间中，氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约比其他所有元素原子的总和约大大100100倍。倍。在三角座星系的在三角座星系的NGC 604NGC 604是是一个巨大质量的电离氢区一个巨大质量的电离氢区来源：http:/zh.wikipedia.org/wiki/氢氢是一种清洁能源载体氢是一种清洁能源载体燃烧放热，产物是水，不产生污染，可燃烧放热，产物是水，不产生
5、污染，可以作为能量储存以作为能量储存自然界单质稀少，属于二次能源自然界单质稀少，属于二次能源氢气是质量能量密度极高，汽油的氢气是质量能量密度极高，汽油的3 3倍倍 ，酒精的酒精的3.93.9倍，焦炭的倍，焦炭的4.54.5倍倍水是氢的来源，氢能是取之不尽用之不水是氢的来源，氢能是取之不尽用之不竭的洁净能源竭的洁净能源二氧化碳二氧化碳- -Greenhouse Gas Greenhouse Gas 零排放零排放回顾人类使用能源的历程回顾人类使用能源的历程传统能源对人类社会文明的贡献：传统能源对人类社会文明的贡献：木材，原始社会，造就了农耕文明木材，原始社会，造就了农耕文明煤炭，煤炭，175717
6、57年，工业革命（蒸汽机），造就了工业文年，工业革命（蒸汽机），造就了工业文明明石油、常规天然气，石油、常规天然气，18951895年，造就了现代文明年，造就了现代文明隐含脱碳的进化：隐含脱碳的进化：H/C H/C 木材木材= =1:101:31:101:3，煤，煤1:21:2，石油石油2:12:1，天然气，天然气4:14:1；人类社会的进步，是逐步由高碳（煤炭）、中人类社会的进步，是逐步由高碳（煤炭）、中碳（石油）到低碳（天然气）碳（石油）到低碳（天然气） ，再到无碳（氢，再到无碳（氢气）的过程，即气）的过程，即朝高氢利用方向朝高氢利用方向2. 2. 未来氢能构想未来氢能构想 过渡到氢能经济
7、时代的话，需要考虑：过渡到氢能经济时代的话，需要考虑：制氢制氢运输运输储存储存能量转换能量转换能量使用能量使用有关制氢的问题有关制氢的问题氢元素丰富，但是作为单质氢存在很少氢元素丰富，但是作为单质氢存在很少作为化合物以水的形式存在或富存于化石能源中，作为化合物以水的形式存在或富存于化石能源中，需要制备需要制备化石能源制备过程会产生污染以及排放温室气体化石能源制备过程会产生污染以及排放温室气体电解水需要消耗高级电能电解水需要消耗高级电能技术方面技术方面如何获取氢能源如何获取氢能源如何运输如何运输如何存储如何存储怎么使用怎么使用3. 3. 制氢制氢现有制氢技术现有制氢技术现有现状（美国）现有现状（
8、美国）4848% natural gas% natural gas30% oil30% oil18% coal18% coal4% electrolysis4% electrolysis全球需量全球需量50 50 million million tonnestonnes / yr/ yrGrowing 10% / yrGrowing 10% / yrUS US 产量产量11 million 11 million tonnestonnes / yr/ yrNatural Gas48%Oil30%Coal18%Electrolysis4%来源：http:/en.wikipedia.org/wiki
9、/Hydrogen_economy中国：中国：80% H80% H2 2用于合成氨用于合成氨6262- -65%65%来自于煤、焦炭，来自于煤、焦炭，1212- -16%16%来自于轻来自于轻油、重油，油、重油，1818- -23%23%来自于天然气来自于天然气以消耗化石能源为代价，但仍将持续一段以消耗化石能源为代价，但仍将持续一段时间时间，直到直到新技术新技术成熟成熟制氢方法制氢方法化石能源重整化石能源重整重整重整 CO+HCO+H2 2气化气化 CO+HCO+H2 2水解水解电解水制电解水制 O O2 2和和 H H2 2高温水解高温水解研究试验阶段研究试验阶段生物自制备生物自制备气化气化
10、实验室小规模试验实验室小规模试验Partial OxidationSteam ReformingElectrolysisThermochemicalFossil FuelsWaterBiomassBiomass GasificationMicrobialCoal Gasification化石能源制氢：甲烷蒸汽重整化石能源制氢：甲烷蒸汽重整来自碳氢化合物来自碳氢化合物天然气，低碳碳氢化合物天然气，低碳碳氢化合物Water Water (steam) (steam) + hydrocarbon + hydrocarbon 在高温在高温 ( (700700900 )900 )下混合下混合Steam
11、(HSteam (H2 2O) O) 与与methane methane (CH(CH4 4) ) 反应反应CHCH4 4+ + H H2 2O O CO + 3 H CO + 3 H2 2- -191.7 kJ/mol 191.7 kJ/mol 高温、催化剂高温、催化剂Catalysts: Ni, or Au-Ni水煤气变化反应水煤气变化反应water gas shift reactionwater gas shift reaction进一步将进一步将COCO转化为转化为H H2 2放热反应，温度低放热反应，温度低(400) (400) water gas shift water gas s
12、hift reactionreactionCO + HCO + H2 2O COO CO2 2+ H+ H2 2+ 40.4 kJ/mol + 40.4 kJ/mol 工业上一般分两步走工业上一般分两步走高温变换高温变换HTHT- -WGSWGS，温度，温度350350低温变换低温变换LTLT- -WGSWGS，温度，温度200200催化剂催化剂PSAHTHTLTLT变压吸附变压吸附 Pressure Pressure S Swing wing A Adsorptiondsorption（PSAPSA）化石能源化石能源- -煤气化（煤气化（GasificationGasification）制氢
13、）制氢煤的主要成分煤的主要成分C C，H H，O O，S S，N N，（元素分析）（元素分析）灰分，水分，挥发分，固定碳灰分，水分，挥发分，固定碳（工业分析）（工业分析）煤煤+ + 氧气氧气 + + 水蒸气高温水煤气反应水蒸气高温水煤气反应C Cn nH Hm mO + HO + H2 2O +OO +O2 2 CO CO2 2+ H+ H2 2+ CO+ COS S H H2 2S or COSS or COSN N NHNH3 3吸热反应吸热反应高温，需要消耗氧气，电耗高高温，需要消耗氧气，电耗高可以是空气，但是可以是空气，但是fluidised bed gasifier fluidise
14、d bed gasifier 流化床流化床fixed bed gasifier fixed bed gasifier 固定床固定床entrained flow gasifier entrained flow gasifier 气流床气流床煤气除尘，除尘技术煤气除尘，除尘技术高温除尘高温除尘降温，中温除尘降温，中温除尘洗涤洗涤煤气脱硫技术煤气脱硫技术H H2 2S or COS + HS or COS + H2 2O O H H2 2S+COS+CO2 2CLAUSCLAUS工艺（吸收工艺（吸收- -解析法分离解析法分离H H2 2S S后）后）ZnOZnO（200200- -400400）2
15、H2 H2 2S + 3 OS + 3 O2 2 2 SO 2 SO2 2+ 2 H+ 2 H2 2O O (H(H = = - -4147.2 kJ mol4147.2 kJ mol- -1 1) )2 H2 H2 2S + SOS + SO2 2 3 S + 2 H 3 S + 2 H2 2O O(H(H = = - -1165.6 kJ mol1165.6 kJ mol- -1 1) )partially oxidized with airpartially oxidized with airCatalytic StepCatalytic Step（Thermal Step)Therma
16、l Step)CLAUSCLAUS工艺工艺 Claus ProcessClaus Process再生过程的目的：再生过程的目的： 将将ZnSZnS和和NiSNiS氧化至氧化至ZnOZnO和和NiONiO 回收回收S S，SOSO2 2可转化为可转化为 H H2 2SOSO4 4 燃烧积碳燃烧积碳NiO/ZnO NiS/ZnS ZnOZnO法脱硫法脱硫世界上最大的制氢装置（神华鄂尔多斯煤世界上最大的制氢装置（神华鄂尔多斯煤制油）制油）制氢能力制氢能力2*3132*313吨吨/ /日日, ,氢气纯度氢气纯度99.5 % 99.5 % 磨煤及干燥磨煤及干燥气化气化, , 荷兰荷兰 Shell She
17、ll 干煤粉加压气化干煤粉加压气化CO CO 变换采用耐硫宽温变换串耐硫低温变换工艺变换采用耐硫宽温变换串耐硫低温变换工艺低温甲醇洗脱除酸性气体低温甲醇洗脱除酸性气体变压吸附氢气提纯变压吸附氢气提纯 PSA PSA 能耗高能耗高 COCO2 2排放排放 怎么办怎么办 ？hydrogen membranehydrogen membrane膜分离技术膜分离技术化学链燃烧技术化学链燃烧技术载氧体：载氧体：NiONiO, Fe, Fe2 2O O3 3, , CuOCuO, Mn, Mn2 2O O3 3, , CoOCoO燃料反应器：燃料反应器：MeMex xO Oy y+C+Cn nH Hm mO
18、 O MeMex xO Oy y- -1 1+CO+CO2 2+H+H2 2O+QO+Q1 1空气反应器空气反应器: :MeMex xO Oy y- -1 1+O+O2 2 MeMex xO Oy y+Q+Q2 2总反应：总反应：C Cn nH Hm mO O+O+O2 2 MeMex xO Oy y- -1 1+CO+CO2 2+H+H2 2O+QO+Q3 3Q Q3 3=Q=Q1 1+Q+Q2 2实现了燃烧过程中的二氧化碳分离实现了燃烧过程中的二氧化碳分离作为载氧体，作为载氧体，FeFe2 2O O3 3很特别很特别Fe Fe FeOFeO FeFe3 3O O4 4 FeFe2 2O O
19、3 3且且Fe/Fe/FeOFeO + steam + steam FeFe3 3O O4 4+H+H2 2化学链制氢化学链制氢（ChemicalChemical- -looping Hydrogen Generation)looping Hydrogen Generation)化学链制氢化学链制氢还原过程还原过程CxHy + Fe2O3 CO2+ H2O + Fe/FeO制氢过程制氢过程Fe/FeO + H2O H2+ Fe3O4氧化过程氧化过程Fe3O4+ O2 Fe2O3总反应总反应CxHy + HCxHy + H2 2O + OO + O2 2 H H2 2+H+H2 2O +COO
20、+CO2 2化学链制氢技术化学链制氢技术Fuel GasFeO/FeFe2O3Fe2O3/Fe3O4H2O+CO2SteamFe3O4AirO2 Depleted Air H2O+H2化学链燃烧化学链燃烧 钙基二氧化碳吸收钙基二氧化碳吸收碳酸化（碳酸化（CarbonationCarbonation）: :常压、常压、650650下下CaOCaO(s)+CO(s)+CO2 2(g)(g) CaCOCaCO3 3(s)+179kJ/mol(s)+179kJ/mol煅烧反应（煅烧反应（CalcinationCalcination): ):常压、常压、900900下下CaOCaO(s)+CO(s)+C
21、O2 2(g)(g) CaCOCaCO3 3(s)+179kJ/mol(s)+179kJ/mol应用于烟气捕集二氧化碳或制氢应用于烟气捕集二氧化碳或制氢碳酸化反应碳酸化反应: : CaO+COCaO+CO2 2CaCOCaCO3 3煅烧反应煅烧反应: : CaCOCaCO3 3CaOCaO + CO+ CO2 2 碳酸化反应器（CO2 的捕捉）煅烧反应器(CaO的再生)CaOCaCO3含有CO2的烟气烟气(CO25%)CO2失活吸收剂和灰补充的CaCO3煤和O2Carbonation: CaO + CO2 CaCO3Steam Methane Reforming:CH4+H2O H2+CO+C
22、O2Water Gas Shift :CO + H2O H2+ CO2煤气化煤气化CaOCaO固碳制氢：固碳制氢：C+HC+H2 2O O CO+HCO+H2 2CO+HCO+H2 2O O COCO2 2+H+H2 2COCO2 2+CaO +CaO CaCOCaCO3 3( (CaOCaO + 2H+ 2H2 2O + C O + C CaCOCaCO3 3+ 2H+ 2H2 2) )CaOCaO再生、富集再生、富集COCO2 2：C + OC + O2 2+ CaCO+ CaCO3 3 2CO2CO2 2+ + CaOCaOOxygenCoalCO2 2SteamH2 2Char +Ca
23、CO3CaOCaCO3可再生的方法可再生的方法电解水；电解水；光催化分解水制氢；光催化分解水制氢；热化学循环分解水制氢；热化学循环分解水制氢；生物制氢；生物制氢；以消耗一次能源为代价，是否可持续？以消耗一次能源为代价，是否可持续？净化水装置-调节阀-气体干燥器-断路开关-等等氢气氢气存储存储GridGridH H2 2GasGas+-V水水卡车运输管道运输O O2 2GasGas调峰调峰Peak ShavingPeak ShavingICE/Fuel CellICE/Fuel Cell功率调节器-Grid Interconnector-Max Power Tracker-AC/DC conve
24、rter-Power Supply Switch -etc.控制控制系统系统本地本地使用使用电解装置电解装置Renewable Energy for ElectrolysisRenewable Energy for Electrolysishttp:/ Electrolyzer现状现状: : 目前碱性条件下电解水制氢效率目前碱性条件下电解水制氢效率606070 % 70 % （LHVLHV） 操作温度：低于操作温度：低于8080 操作压力操作压力: 1: 125 25 atmatm 成本：成本：10001000美元美元/kW /kW 25002500美元美元/kW/kW电解技术电解技术 Ele
25、ctrolyzer TechnologiesElectrolyzer Technologies发展方向发展方向: : 提高规模，提高效率和降低成本提高规模，提高效率和降低成本发展先进的电解技术，提高制氢效率至发展先进的电解技术，提高制氢效率至 707080 % 80 % （LHVLHV） 工业级规模的电解槽工业级规模的电解槽 （MW MW 级别）级别） 成本降至300300美元美元/kW /kW 500500美元美元/kW/kW 可再生能源可再生能源( (风能，太阳能，生物能，等风能，太阳能，生物能，等) )与电解制氢结合与电解制氢结合+3.0+2.0+1.00.0-1.0Band gapH+
26、H2H2OO2H+/H2O2/H2Oh+ h+ h+ h+ h+e- e- e- e- e-V/NHEWater reductionWater oxidationhv价带价带 Valence bandValence band导带导带 Conduction bandConduction band半导体光催化制氢半导体光催化制氢 半导体吸收光子（能量大于禁带宽度半导体吸收光子（能量大于禁带宽度1.23eV)1.23eV)，电子由价带向导带跃迁，电子由价带向导带跃迁 价带生成空穴，导带生成电子，空穴价带生成空穴，导带生成电子，空穴- -电子具有强氧化还原性电子具有强氧化还原性 H H2 2O+hO+
27、h+ + O O2 2+H+H+ +； H H+ +e +e H H2 2通过光电极受激产生电子通过光电极受激产生电子空穴对作为氧化还原剂空穴对作为氧化还原剂，参与电化学反应参与电化学反应。光激发过程：光激发过程：TiOTiO2 2 + h+ h h h+ + e+ e- -光电极上氧化反应：光电极上氧化反应：H H2 2O + 2hO + 2h+ + O O2 2+2H+2H+ +对电极上阴极反应：对电极上阴极反应：2H2H+ +2e2e- - H H2 2总的光解水反应：总的光解水反应：H H2 2O + hO + h O O2 2+ H+ H2 2光电化学催化制氢体系光电化学催化制氢体系
28、实现太阳光直接分解水制氢实现太阳光直接分解水制氢，要求光催化材料具有要求光催化材料具有：高稳定性高稳定性、价廉；价廉；半导体的禁带宽度半导体的禁带宽度EgEg要大于水的分解电压；要大于水的分解电压；能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配：导带位置要能带位置要与氢和氧的反应电势相匹配：导带位置要负于氢电极的反应电势负于氢电极的反应电势，使光电子的能量满足析氢反使光电子的能量满足析氢反应要求应要求。价带位置应正于氧电极的反应电势价带位置应正于氧电极的反应电势，使光生使光生空穴能够有效地氧化水空穴能够有效地氧化水。高效吸收太阳光谱中大多数的光子高效吸收太阳光谱中大多数的光子。光子的能量还必光子的能量还必
29、须大于半导体禁带宽度须大于半导体禁带宽度EgEg：若：若EgEg3 3V V，则入射光波长则入射光波长应小于应小于400400 nmnm，只占太阳光谱很小一部分只占太阳光谱很小一部分。太阳光谱图太阳光谱图UV Visible Infrared48%5%683 1.80eV400 3.07eV产率低产率低，主要原因：光化学稳定的半导体主要原因：光化学稳定的半导体( (如：如：TiOTiO2 2) )的能隙太宽的能隙太宽( (以以 2 2. .0 0 eVeV为宜为宜) )只吸收只吸收紫外光；紫外光； 光量子产率低光量子产率低( (约约4 4 %) )；具有与太阳光谱较为匹配能隙的半导体材料存在光
30、腐；具有与太阳光谱较为匹配能隙的半导体材料存在光腐蚀蚀、有毒或能级与水的氧化还原能级不匹配等问题有毒或能级与水的氧化还原能级不匹配等问题。光催化材料是关键光催化材料是关键。热化学循环分解水制热化学循环分解水制氢氢- -太阳能、核能太阳能、核能耦合耦合热化学硫碘循环热化学硫碘循环( (1 1) I) I2 2+ SO+ SO2 2+H+H2 2O O HIHI+ H+ H2 2SOSO4 4( (- -100100) )(2) (2) H H2 2SOSO4 4 H H2 2O O +SO+SO2 2+ O+ O2 2( (- - 850850)(3) HI (3) HI I I2 2+ + H
31、 H2 2( (- -450)450)输入热量和水输入热量和水热热氢氢 效率效率50%50%溴溴钙铁钙铁热化学循环热化学循环( (1) 1) CaBrCaBr2 2+ H+ H2 2O O CaOCaO+ 2HBr + 2HBr ( (700700- - 750)750)(2) (2) CaOCaO+ Br+ Br2 2 CaBrCaBr2 2+ +12O12O2 2( (500500- - 600)600)(3) (3) FeFe3 3O O4 4+ 8HBr + 8HBr 3FeBr3FeBr2 2+ + 4H4H2 2O O + + BrBr2 2 (200(200- - 300)300
32、)(4) (4) 3FeBr3FeBr2 2+ 4H+ 4H2 2O OFeFe3 3O O4 4+ 6HBr+ H+ 6HBr+ H2 2 (550(550- - 600)600)2ZnO + heat 2Zn + O2（1900）2Zn + 2H2O 2ZnO + 2H2生物质生物质制氢制氢生物质能的特点生物质能的特点 可再生性可再生性，生物质能通过植物光合作用再生生物质能通过植物光合作用再生，保证可持续利用；保证可持续利用； 低污染性低污染性，生物质硫生物质硫、氮含量低氮含量低、燃烧生成燃烧生成SOSO2 2等较少等较少，生长时所需生长时所需COCO2 2相当于排放量相当于排放量，因而因
33、而COCO2 2净排放量近似于零净排放量近似于零，可减轻温室效应；可减轻温室效应； 广泛分布性广泛分布性，缺乏煤炭的地域缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；可充分利用生物质能； 总量十分丰富总量十分丰富，仅次于煤炭仅次于煤炭、石油和天然气石油和天然气。生物制氢技术生物制氢技术 藻类和蓝菌光解水；藻类和蓝菌光解水； 光合细菌光分解有机物；光合细菌光分解有机物； 有机物发酵制氢；有机物发酵制氢； 光合微生物和发酵性微生物的联合运用光合微生物和发酵性微生物的联合运用 生物质热解或气化制氢生物质热解或气化制氢。生物质制氢两大途径生物质制氢两大途径热化学分解热化学分解热化学分解过程包括高温气化或中温热分
34、解以及加水分解等热化学分解过程包括高温气化或中温热分解以及加水分解等，先先得到含得到含COCO和和H H2 2的气体的气体，进一步转化为氢气进一步转化为氢气。生物过程生物过程 厌氧发酵产生甲烷为主的气体然后加工为氢气；厌氧发酵产生甲烷为主的气体然后加工为氢气； 利用某些微生物利用某些微生物( (如绿藻如绿藻) )的代谢功能的代谢功能，通过光化学分解反应产生通过光化学分解反应产生氢氢。热化学分解过程技术基本成熟热化学分解过程技术基本成熟，将实现工业生产将实现工业生产。生物过程适合生物过程适合做民用燃料做民用燃料，大规模制氢不经济大规模制氢不经济，处于基础研究阶段处于基础研究阶段。生物质生物质(
35、(秸杆秸杆) )暗发酵暗发酵产氢产氢简单简单糖类糖类光发酵光发酵产氢产氢氢能氢能发电发电H H2 2+CO+CO2 2H H2 2+CO+CO2 2气体收集系统气体收集系统有机酸有机酸有机酸有机酸糖 类糖 类H H2 2+CO+CO2 2气体分离系统气体分离系统COCO2 2H H2 2生生物物质质生物氢能生物氢能1kg1kg秸杆产生秸杆产生120L120L氢氢厦门大学生物能源中心厦门大学生物能源中心面临的挑战面临的挑战成本高成本高制氢过程的排放制氢过程的排放规模化规模化政策的引导政策的引导先进技术：膜分离和一步法先进技术：膜分离和一步法降低成本降低成本4. 4. 氢气的储运氢气的储运压缩储氢
36、压缩储氢液化储氢液化储氢有机液态氢化物储氢有机液态氢化物储氢金属氢化物储氢金属氢化物储氢纳米碳质材料吸附纳米碳质材料吸附玻璃微球储氢玻璃微球储氢氢气储运方法氢气储运方法: : 压缩和液化储氢压缩和液化储氢采用气体压缩的方法减少氢气储运的采用气体压缩的方法减少氢气储运的体积体积氢密度小，储氢效率低，需要使用巨大的容器氢密度小，储氢效率低，需要使用巨大的容器氢气加压到氢气加压到15 15 MPaMPa ，储氢密度占总质量，储氢密度占总质量3 %3 %，需要设，需要设计抗压强度很高的材料，自重重量较轻的材料计抗压强度很高的材料，自重重量较轻的材料采用液化的方法减少氢气储运的采用液化的方法减少氢气储运
37、的体积体积氢气沸点氢气沸点- -253253（常压），必须使用超低温用的特殊容器。（常压），必须使用超低温用的特殊容器。因此，储存成本较贵，安全技术也比较复杂因此，储存成本较贵，安全技术也比较复杂气体气体压缩压缩和液化都要消耗大量的能量和液化都要消耗大量的能量液态氢化物储氢液态氢化物储氢氨氨氢化合物氢化合物氨储氢的特点氨储氢的特点氨储氨储氢氢量大，液态下是纯氢的量大，液态下是纯氢的1.71.7倍倍便于便于储存和运输，储存和运输，氨是成熟的化工产品，存在大氨是成熟的化工产品，存在大量生产和运输设备量生产和运输设备通过催化重整释放氢气，是吸热过程，易实现通过催化重整释放氢气，是吸热过程，易实现缺点
38、缺点生产氨需要大量的热量生产氨需要大量的热量氨是有毒气体氨是有毒气体金属氢化物储氢金属氢化物储氢常用金属：常用金属：Na Na 、LiLi、B B等等金属金属氢化物在较低的压力氢化物在较低的压力(1 (1 106 Pa ) 106 Pa ) 下具有较高的储下具有较高的储氢能力氢能力, , 可达到可达到100 kg/ m3 100 kg/ m3 以上以上金属金属密度很大密度很大, , 氢的质量百分含量很低氢的质量百分含量很低, ,只有只有2 %2 %7 %7 %。金属氢化物储存单位金属氢化物储存单位kJkJ的氢气与汽油相比，体积为汽油的氢气与汽油相比，体积为汽油的三倍的三倍，质量为汽油的四倍质量
39、为汽油的四倍金属氢化物易与水发生反应金属氢化物易与水发生反应有应用前景的有应用前景的硼氢化钠硼氢化钠 Sodium Sodium BorohydrideBorohydride氢化铝氢化铝锂锂 Lithium Lithium Aluminum HydrideAluminum Hydride氨氨硼烷硼烷 Ammonia Ammonia BoraneBorane碱金属氢化物制造所需能量与自由氢气具有能量之比碱金属氢化物制造所需能量与自由氢气具有能量之比Bossel et al., The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?, Oct 28
40、, 2004 http:/ 纳米碳纳米碳质材料质材料吸附吸附碳纳米碳纳米管管碳碳纳米材料中独特的晶格排列结构，材料尺寸非常细小，纳米材料中独特的晶格排列结构，材料尺寸非常细小，具有具有较大的理论较大的理论比表面积。比表面积。在在常压、温度为常压、温度为2727时，氢时，氢的吸附储存质量百分比为的吸附储存质量百分比为1414%；在在- -7373127127时时则可以则可以达到达到2020%。纳米纳米碳纤维吸附储氢碳纤维吸附储氢MoSMoS2 2纳米管无论是在气固储氢还是在电化学纳米管无论是在气固储氢还是在电化学储氢储氢方面均方面均显示了较好的可逆吸放氢显示了较好的可逆吸放氢性能性能由于由于Mo
41、Mo属于重金属，属于重金属，MoSMoS2 2 的分子量较大，其质量储氢密的分子量较大，其质量储氢密度低。度低。当当采用在采用在10MPa 10MPa 下，多壁下，多壁BNBN纳米管的吸氢纳米管的吸氢量量质量百分比质量百分比为为1.81.8%；竹节；竹节型型BNBN纳米管的吸氢量可高达纳米管的吸氢量可高达2.62.6%。玻璃微球储氢玻璃微球储氢空心玻璃微球具有在低温或室温下呈非渗透性空心玻璃微球具有在低温或室温下呈非渗透性，但，但在较高温度（在较高温度（300300400400）下具有多孔性的特点）下具有多孔性的特点。空心空心玻璃微球玻璃微球在在62MPa 62MPa 氢压条件下，储氢氢压条件
42、下，储氢可达可达1010（质量分数（质量分数）在在370370时，时，15min 15min 内可完成整个吸氢或放氢内可完成整个吸氢或放氢过程。过程。微球成本微球成本较低，由性能优异的耐压材料构成的微较低，由性能优异的耐压材料构成的微球（球（直径小于直径小于100mm100mm）可承受）可承受1000MPa 1000MPa 的压力的压力。玻璃微球储氢特别适用于氢动力车系统，是一种具玻璃微球储氢特别适用于氢动力车系统，是一种具有发展前途的储氢技术有发展前途的储氢技术。氢气的运输氢气的运输储氢储氢合金储合金储氢需要较高的温度氢需要较高的温度和压力和压力, ,且储氢量较且储氢量较低低, ,大规模应用
43、仍然有困难大规模应用仍然有困难。非金属储氢材料多以吸附机理储氢非金属储氢材料多以吸附机理储氢, ,具有储氢量高、具有储氢量高、解吸快、循环使用寿命长等优点解吸快、循环使用寿命长等优点, , 其其研究多处于实验研究多处于实验室研究室研究阶段。阶段。碳碳质材料是最好的质材料是最好的吸附剂吸附剂, ,它对少数的气体杂质不它对少数的气体杂质不敏感敏感, ,且可反复且可反复使用，碳使用，碳纳米管纳米管/ / 纳米碳纤维材料吸纳米碳纤维材料吸附储氢附储氢还还不能进行规模生产不能进行规模生产, ,对其循环性对其循环性能了解尚不能了解尚不够。够。http:/ 5. 氢能的使用氢能的使用燃烧燃烧燃气轮机燃气轮机
44、往复式动力机往复式动力机燃料电池燃料电池碱性燃料电池碱性燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池氢能使用氢能使用电动汽车电动汽车电动轮船、飞机电动轮船、飞机火箭火箭热电站、发电站热电站、发电站分布式能源分布式能源便携式能源便携式能源燃料电池（燃料电池（Fuel Cell)Fuel Cell)氢能汽车（氢能汽车（HydrogenHydrogen- -Powered AutosPowered Autos）http:/ -Powered AutosPowered Autos）http:/ -Power
45、ed AircraftPowered Aircraft）http:/aix.meng.auth.gr/lhtee/projects/cryoplane/氢能客机在飞机脊柱部位布置了低温储罐，氢能客机在飞机脊柱部位布置了低温储罐，其体积是喷气式飞机燃料（航空汽油）的四倍。其体积是喷气式飞机燃料（航空汽油）的四倍。http:/ -Powered RocketsPowered Rockets）http:/ 6. 氢能发展面临的困境氢能发展面临的困境环境方面环境方面现有氢气由化石燃料制得现有氢气由化石燃料制得制造温室气体制造温室气体COCO2 2NoxNox， SO2,Hg, PM2.5SO2,Hg,
46、 PM2.5大量大量,氢气氢气不可避免从储罐中不可避免从储罐中泄露泄露同温层同温层中，氢自由基会造成大气中紫外线辐射增加中，氢自由基会造成大气中紫外线辐射增加造成臭氧层空洞（？可能）造成臭氧层空洞（？可能）Crabtree et al., “The Hydrogen Economy,” Physics Today, Dec 2004储氢密度储氢密度Bossel et al., The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?, Oct 28, 2004http:/ (HHV) is a measure of energy不同燃料的热量密度
47、不同燃料的热量密度Hydrogen density and HHV energy content of ammonia and selected synthetic liquid hydrocarbon fuelsBossel et al., The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?, Oct 28, 2004http:/ 氢气与不同燃料能量密度对比氢气与不同燃料能量密度对比Units Hydrogen MethaneDensitykg/m30.08870.707Gravimetric EnergyMJ/kg142.055.6Vo
48、lumetric EnergyMJ/m312.740.0Bossel et al., The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?, Oct 28, 2004http:/ 氢气与甲烷的对比氢气与甲烷的对比Bossel et al., The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?, Oct 28, 2004http:/ 规模与液化能耗对比规模与液化能耗对比氢能使用中的损耗（实例分析）氢能使用中的损耗（实例分析）风力发电机发电风力发电机发电电解电解水，风电转换为水，风电转换为H
49、H2 2，效率，效率 7070%压缩机压缩压缩机压缩H H2 2，2020% % 能量消耗能量消耗H H2 2长距离输送，长距离输送，30%30%能量消耗能量消耗加气站需要消耗加气站需要消耗 5 5%能量能量燃料电池效率损耗燃料电池效率损耗 50%(50%(可能可能4040%) %) 总计总计有效使用有效使用氢气氢气能量能量只有只有1515- -18%18%电电氢氢储运储运终端用户终端用户 效率低下效率低下氢能经济是否可行？氢能经济是否可行？生产氢气成本过高生产氢气成本过高储氢方法不够好储氢方法不够好尚没有更好的输运手段尚没有更好的输运手段氢的物理化学特性对于氢能利用存在先天氢的物理化学特性对
50、于氢能利用存在先天不足不足人无能为力，不是技术层面能解决的问题人无能为力，不是技术层面能解决的问题是否能发现更紧凑是否能发现更紧凑方便的未来能源方便的未来能源载体？载体？天然气，乙炔，甲醇，乙醇，丁烷，辛烷，氨都是优秀天然气，乙炔，甲醇，乙醇，丁烷，辛烷，氨都是优秀的能量载体的能量载体没有必要对待氢能期待过高没有必要对待氢能期待过高氢气不能解决能源危机，也不是一个好的能量载体氢气不能解决能源危机，也不是一个好的能量载体Bossel et al., The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?, Oct 28, 2004http:/ 7. 总结总结燃烧产物仅为水，没有污染物产生燃烧产物仅为水，没有污染物产生避免传统能源的污染避免传统能源的污染避免温室气体的产生避免温室气体的产生降低经济对传统降低经济对传统能源的依赖能源的依赖氢气可以小型化氢气可以小型化生产生产生产原料生产原料广泛广泛可再生循环使用可再生循环使用http:/ 2净能量产出低，制氢净能量产出低，制氢- -储运储运- -终端损耗大终端损耗大潜在的环境问题，臭氧层空洞（？）潜在的环境问题，臭氧层空洞（？）http:/
