氢能—最具发展潜力的安全环保新能源

时间:2014-02-15 11:00:03  来源:  作者:  点击:

  

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    氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是氢的化学能,氢在地球上主要以化合态的形式出现,是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%,二次能源。工业上生产氢的方式很多,常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。
    化学元素氢(H——Hydrogen),在元素周期表中位于第一位,它是所有原子中最小的。众所周知,氢分子与氧分子化合成水,氢通常的单质形态是氢气(H2),它是无色无味,极易燃烧的双原子的气体,氢气是密度最小的气体。在标准状况(0摄氏度和一个大气压)下,每升氢气只有0.0899克重——仅相当于同体积空气质量的二十九分之二。氢是宇宙中最常见的元素,氢及其同位素占到了太阳总质量的84%,宇宙质量的75%都是氢。
    氢具有高挥发性、高能量,是能源载体和燃料,同时氢在工业生产中也有广泛应用。现在工业每年用氢量为5500亿立方米,氢气与其它物质一起用来制造氨水和化肥,同时也应用到汽油精炼工艺、玻璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品工业中。液态氢可以作为火箭燃料,因为氢的液化温度在-253℃。
    氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源,其主要优点有:燃烧热值高,每千克氢燃烧后的热量,约为汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源。资源丰富,氢气可以由水制取,而水是地球上最为丰富的资源,演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。 字串3
一、氢能简介
    二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。当今电能就是应用最广的“过程性能源”;柴油、汽油则是应用最广的“含能体能源”。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无法直接使用从发电厂输出来的电能,只能采用像柴油、汽油这一类“含能体能源”。可见,过程性能源和含能体能源是不能互相替代的,各有自己的应用范围。随着,人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”,作为二次能源的电能,可从各种一次能源中生产出来,例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然,生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加,其储量日益减少,终有一天这些资源将要枯竭,这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。
二、氢元素的特点 字串5
    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。作为能源,氢有以下特点:
(l)所有元素中,氢重量最轻。在标准状态下,它的密度为0.0899g/l;在-252.7°C时,可成为液体,若将压力增大到数百个大气压,液氢就可变为固体氢。
(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。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。
(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,为142,351kJ/kg,是汽油发热值的3倍。
(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,除生成水和少量氨气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,少量的氨气经过适当处理也不会污染环境,而且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用。

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(7)氢能利用形式多,既可以通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,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。用氢代替煤和石油,不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。
(8)氢可以以气态、液态或固态的氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
    由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料,但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题:
廉价的制氢技术:因为氢是一种二次能源,它的制取不但需要消耗大量的能量,而且目前制氢效率很低,因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。
    安全可靠的贮氢和输氢方法 由于氢易气化、着火、爆炸,因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。
    许多科学家认为,氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。氢能是一种二次能源,因为它是通过一定的方法利用其它能源制取的,而不象煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。在自然界中,氢易和氧结合成水,必须用电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热转换成的电支分解水制氢,那显然是划不来的。现在看来,高效率的制氢的基本途径,是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢,那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了,其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的现实意义,但这却是一个十分困难的研究课题,有大量的理论问题和工程技术问题要解决,然而世界各国都十分重视,投入不少的人力、财力、物力,并且也已取得了多方面的进展。因此在以后,以太阳能制得的氢能,将成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料。 字串1
三、氢能的前景
    氢是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%,因此氢能被称为人类的终极能源。水是氢的大“仓库”,如把海水中的氢全部提取出来,将是地球上所有化石燃料热量的9000 倍。氢的燃烧效率非常高,只要在汽油中加入4% 的氢气,就可使内燃机节油40%。目前,氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。美国政府已明确提出氢计划,宣布今后4年政府将拨款17亿美元支持氢能开发。美国计划到2040年美国每天将减少使用1100万桶石油,这个数字正是现在美国每天的石油进口量。
    氢能 【hydrogen energy】 通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是氢的化学能,氢在地球上主要以化合态的形式出现,是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%。由于氢气必须从水、化石燃料等含氢物质中制得,因此是二次能源。工业上生产氢的方式很多,常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。氢能具有以下主要优点:燃烧热值高,每千克氢燃烧后的热量,约为汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源。资源丰富,氢气可以由水制取,而水是地球上最为丰富的资源。目前,氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。
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四、行业发展
    氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,人类对氢能应用自200年前就产生了兴趣,到20世纪70年代以来,世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。
    早在1970年,美国通用汽车公司的技术研究中心就提出了“氢经济”的概念。1976年美国斯坦福研究院就开展了氢经济的可行性研究。20世纪90年代中期以来多种因素的汇合增加了氢能经济的吸引力。这些因素包括:持久的城市空气污染、对较低或零废气排放的交通工具的需求、减少对外国石油进口的需要、CO2排放和全球气候变化、储存可再生电能供应的需求等。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,是人类的战略能源发展方向。世界各国如冰岛、中国、德国、日本和美国等不同的国家之间在氢能交通工具的商业化的方面已经出现了激烈的竞争。虽然其它利用形式是可能的(例如取暖、烹饪、发电、航行器、机车),但氢能在小汽车、卡车、公共汽车、出租车、摩托车和商业船上的应用已经成为焦点。
    中国对氢能的研究与发展可以追溯到20世纪60年代初,中国科学家为发展本国的航天事业,对作为火箭燃料的液氢的生产、H2/O2燃料电池的研制与开发进行了大量而有效的工作。将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发,则是从20世纪70年代开始的。现在,为进一步开发氢能,推动氢能利用的发展,氢能技术已被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划(能源领域)》。
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    氢燃料电池技术,一直被认为是利用氢能,解决未来人类能源危机的终极方案。上海一直是中国氢燃料电池研发和应用的重要基地,包括上汽、上海神力、同济大学等企业、高校,也一直在从事研发氢燃料电池和氢能车辆。随着中国经济的快速发展,汽车工业已经成为中国的支柱产业之一。2007年中国已成为世界第三大汽车生产国和第二大汽车市场。与此同时,汽车燃油消耗也达到8000万吨,约占中国石油总需求量的1/4。在能源供应日益紧张的今天,发展新能源汽车已迫在眉睫。用氢能作为汽车的燃料无疑是最佳选择。
    虽然燃料电池发动机的关键技术基本已经被突破,但是还需要更进一步对燃料电池产业化技术进行改进、提升,使产业化技术成熟。这个阶段需要政府加大研发力度的投入,以保证中国在燃料电池发动机关键技术方面的水平和领先优势。这包括对掌握燃料电池关键技术的企业在资金、融资能力等方面予以支持。除此之外,国家还应加快对燃料电池关键原材料、零部件国产化、批量化生产的支持,不断整合燃料电池各方面优势,带动燃料电池产业链的延伸。同时政府还应给予相关的示范应用配套设施,并且支持对燃料电池相关产业链予以培育等,以加快燃料电池车示范运营相关的法规、标准的制定和加氢站等配套设施的建设,推动燃料电池汽车的载客示范运营。有政府的大力支持,氢能汽车一定能成为朝阳产业。

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五、开发利用
    氢能利用方面很多,有的已经实现,有的人们正在努力追求。为了达到清洁新能源的目标,氢的利用将充满人类生活的方方面面,我们不妨从古到今,把氢能的主要用途简要叙述一下。
依靠氢能
    1869年俄国著名学者门捷列夫整理出化学元素周期表,他把氢元素放在周期表的首位,此后从氢出发,寻找与氢元素之间的关系,为众多的元素打下了基础,人们则氢的研究和利用也就更科学化了。至1928年,德国齐柏林公司利用氢的巨大浮力,制造了世界上第一艘“LZ—127齐柏林”号飞艇,首次把人们从德国运送到南美洲,实现了空中飞渡大西洋的航程。大约经过了十年的运行,航程16万多公里,使1.3万人领受了上天的滋味,这是氢气的奇迹。
    然而,更先进的是本世纪50年代,美国利用液氢作超音速和亚音速飞机的燃料,使B57双引擎辍炸机改装了氢发动机,实现了氢能飞机上天。特别是1957前苏联宇航员加加林乘坐人造地球卫星遨游太空和1963年美国的宇宙飞船上天,紧接着1968年阿波罗号飞船实现了人类首次登上月球的创举。这一切都依靠着氢燃料的功劳。面向科学的21世纪,先进的高速远程氢能飞机和宇航飞船,商业运营的日子已为时不远。过去帝王的梦想将被现代的人们实现。

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氢动力汽车
    以氢气代替汽油作汽车发动机的燃料,已经过日本、美国、德国等许多汽世公司的试验,技术是可行的,目前主要是廉价氢的来源问题。氢是一种高效燃料,每公斤氢燃烧所产生的能量为33.6千瓦小时,几乎等于汽车燃烧的2.8倍。氢气燃烧不仅热值高,而且火焰传播速度快,点火能量低(容易点着),所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20%。当然,氢的燃烧主要生成物是水,只有极少的氮氢化物,绝对没有汽油燃烧时产生的一氧化碳、二氧化硫等污染环境的有害成分。氢能汽车是最清洁的理想交通工具。
    氢能汽车的供氢问题,目前将以金属氢化物为贮氢材料,释放氢气所需的热可由发动机冷却水和尾气余热提供。现在有两种氢能汽车,一种是全烧氢汽车,另一种为氢气与汽油混烧的掺氢汽车。掺氢汽车的发动机只要稍加改变或不改变,即可提高燃料利用率和减轻尾气污染。使用掺氢5%左右的汽车,平均热效率可提高15%,节约汽油30%左右。因此,近期多使用掺氢汽车,待氢气可以大量供应后,再推广全燃氢汽车。德国奔驰汽车公司已陆续推出各种燃氢汽车,其中有面包车、公共汽车、邮政车和小轿车。以燃氢面包车为例,使用200公斤钛铁合金氢化物为燃料箱,代替65升汽油箱,可连续行车130多公里。德国奔驰公司制造的掺氢汽车,可在高速公路上行驶,车上使用的储氢箱也是钛铁合金氢化物。 字串8
    掺氢汽车的特点是汽油和氢气的混合燃料可以在稀薄的贫油区工作,能改善整个发动机的燃烧状况。在中国许当城市交通拥挤,汽车发动机多处于部分负荷下运行、采用掺氢汽车尤为有利。特别是有些工业余氢(如合成氨生产)未能回收利用,若作为掺氢燃料,其经济效益和环境效益都是可取的。
氢能发电
    大型电站,无论是水电、火电或核电,都是把发出的电送往电网,由电网输送给用户。但是各种用电户的负荷不同,电网有时是高峰,有时是低谷。为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站,氢能发电就最适合抢演这个角色。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。在电网低负荷时,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。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,利用液氢冷却发电装置,进而提高机组功率等。
    更新的氢能发电方式是氢燃料电池。这是利用氢和氧(成空气)直接经过电化学反应而产生电能的装置。换言之,也是水电解槽产生氢和氧的逆反应。70年代以来,日美等国加紧研究各种燃料电池,现已进入商业性开发,日本已建立万千瓦级燃料电池发电站,美国有30多家厂商在开发燃料电池.德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究,这种新型的发电方式已引起世界的关注。
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    燃料电池的简单原最巧是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,能源转换效率可达60%—80%,而且污染少,噪声小,装置可大可小,非常灵活。最早,这种发电装置很小,造价很高,主要用于宇航作电源。现在已大幅度降价,逐步转向地面应用。目前,燃料电池的种类很多,主要有以下几种:
燃料电池
    磷酸盐型燃料电池是最早的一类燃料电池,工艺流程基本成熟,美国和日本已分别建成4500千瓦及11 000千瓦的商用电站。这种燃料电池的操作温度为200℃,最大电流密度可达到150毫安/平方厘米,发电效率约45%,燃料以氢、甲醇等为宜,氧化剂用空气,但催化剂为铂系列,目前发电成本尚高,每千瓦小时约40~50美分。
融熔燃料
    融熔碳酸盐型燃料电池一般称为第二代燃料电池,其运行温度650℃左右,发电效率约55%,日本三菱公司已建成10千瓦级的发电装置。这种燃料电池的电解质是液态的,由于工作温度高,可以承受一氧化碳的存在,燃料可用氢、一氧化碳、天然气等均可。氧化剂用空气。发电成本每千瓦小时可低于40美分。
固体电池
    固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池,其操作温度1000℃左右,发电效率可超过60%,目前不少国家在研究,它适于建造大型发电站,美国西屋公司正在进行开发,可望发电成本每千瓦小时低于20美分。

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    此外,还有几种类型的燃料电池,如碱性燃料电池,运行温度约200℃,发电效率也可高达60%,且不用贵金属作催化剂,瑞典已开发200千瓦的一个装置用于潜艇。美国最早用于阿波罗飞船的一种小型燃料电池称为美国型,实为离子交换膜燃料电池,它的发电效率高达75%,运行温度低于100℃,但是必需以纯氧作氧化剂。后来,美国又研制一种用于氢能汽车的燃料电池,充一次氢可行300公里,时速可达100公里,这是一种可逆式质子交换膜燃料电池,发电效率最高达80%。
燃料电池理想的燃料是氢气,因为它是电解制氢的逆反应。燃料电池的主要用途除建立固定电站外,特别适合作移动电源和车船的动力,因此也是今后氢能利用的孪生兄弟。
家庭用氢
    随着制氢技术的发展和化石能源的缺少,氢能利用迟早将进入家庭,首先是发达的大城市,它可以像输送城市煤气一样,通过氢气管道送往千家万户。每个用户则采用金属氢化物贮罐将氢气贮存,然后分别接通厨房灶具、浴室、氢气冰箱、空调机等等,并且在车库内与汽车充氢设备连接。人们的生活靠一条氢能管道,可以代替煤气、暖气甚至电力管线,连汽车的加油站也省掉了。这样清洁方便的氢能系统,将给人们创造舒适的生活环境,减轻许多繁杂事务 字串7
    氢能在工业领域(如切割,焊接),巳有非常长的历史. 特别是在首饰加工行业,有机玻璃制品火焰抛光, 连铸坯切割,制药厂水针剂拉丝封口等领域的应用非常普及.
    作为新能源,其安全性受到人们的普遍关注。从技术方面讲,氢的使用是绝对安全的。氢在空气中的扩散性很强,氢泄漏或燃烧时,可以很快地垂直升到空气中并消失得无影无踪,氢本身没有毒性及放射性,不会对人体产生伤害,也不会产生温室效应。科学家已经做过大量的氢能安全试验,证明氢是安全的燃料。如在汽车着火试验中,分别将装有氢气和天然汽油燃料罐点燃,结果氢气作为燃料的汽车着火后,氢气剧烈燃烧,但火焰总是向上冲,对汽车的损坏比较缓慢,车内人员有较长得时间逃生,而天然燃料的汽车着火后,由于天然气比空气重,火焰向汽车四周蔓延,很快包围了汽车,伤及车内人员的安全。
六、氢能特点
安全环保
    氢气分子量为2, 是空气的1/14, 因此,氢气泄漏于空气中会自动逃离地面,不会形成聚集。而其他燃油燃气均会聚集地面而构成易燃易爆危险。无味无毒,不会造成人体中毒,燃烧产物仅为水,不污染环境。
高温高能
    1kg氢气的热值为34000Kcal, 是汽油的三倍。氢氧焰温度高达2800度,高于常规液气。
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热能集中
    氢氧焰火焰挺直,热损失小,利用效率高。
自动再生
    氢能来源于水,燃烧后又还原成水。
催化特性
    氢气是活性气体催化剂,可以与空气混合方式加入催化燃烧所有固体,液体、气体燃料。加速反应过程,促进完全燃烧,达到提高焰温、节能减排之功效。
还原特性
    各种原料加氢精炼.
变温特性
    可根据加热物体的熔点实现焰温的调节。
来源广泛
    氢气可由水电解制取,水取之不尽,而且每kg水可制备1860升氢氧燃气。
即产即用
    利用先进的自动控制技术,由氢氧机按照用户设定的按需供气,不贮存气体。
应用广泛 字串4

    适合于一切需要燃气的地方。
七、氢能的可依赖性
高效清洁
    氢能是高效清洁的合能体能源
    能源可以分为两大类,一次能源和二次能源。一次能源是指以自然形态存在的能源,包括风能、水能、太阳能、地热能和核能等。二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源,包括电能、汽油、柴油、液化石油气,氢能等。二次能源又可以分为“过程性能源”和“合能体能源”,电能就是应用最广的过程性能源,而汽油和柴油是目前应用最广的合能体能源。
    氢元素周期表代号H,元素周期表序号1,英文Hydrogen,原子量1.0079,熔点-259.14度,沸点-252.87度。氢是重量最轻,导热性及燃烧性最好,燃烧最清洁的元素。氢能是人类能够从自然界获取的储量最丰富且高效的合能体能源。
表现卓越
    氢能各项性能表现卓越,氢燃料电池将结束内燃机时代
  现下对氢能的应用主要是通过氢燃料电池来实现的。氢燃料电池的工作方式从本质上不同于内燃机,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。 字串8
    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,研究表明氢燃料电池的产能效率是内燃机的四倍以上,根据权威机构研究表明汽油能量从油箱转换到车轮的过程由于燃烧,散热,机械磨损等原因最后传输到车轮的推进能量不到五分之一,而氢燃料电池汽车用能效率却能达到五分之三以上,换句话说如果用同现下汽车的储油箱储藏同样体积的氢能的话可以行驶现下汽车三倍以上的距离而不用加氢。令人兴奋的是通过计算机控制还可以对四轮实现智能化,原先不可想象的横向泊车,原地90到180度转向,通过对四轮施加不同速度来防滑等特殊性能均由于机械传动装置的省略而变得轻而易举。
    还有,氢能的安全存储性也大大高于燃油,由于氢是质量最轻的元素,即使泄漏燃烧也只会向上蒸发不会像汽油一样附着于人体或车辆长时间燃烧,氢能的安全系数大大高于燃油。还有氢燃料电池汽车的尾气排放物是水,对空气和环境的污染为零。这就难怪各发达国家的有识之士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、克莱斯勒等大公司。

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