清潔能源 氫能

清潔能源氫能第1頁/共84頁主要內(nèi)容前言氫能發(fā)展史氫的制取氫的儲存與輸運氫的應(yīng)用氫的安全性2第2頁/共84頁讓我們帶著以下問題走進(jìn)氫能的世界氫能氫能的利用現(xiàn)狀氫能的一般特性氫能的儲存與運輸氫能的生產(chǎn)什么是氫能氫能的限制第3頁/共84頁前言二次能源

聯(lián)系一次能源和用戶的中間紐帶，可分為“含能體能源”和“過程性能源”，目前電能是當(dāng)前應(yīng)用最廣的“過程性能源”。4第4頁/共84頁中國能源一次能源需求

中國2005年的一次能源需求總量（其它指交通運輸、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)及未指明的行業(yè)）

第5頁/共84頁

前言氫能，新的含能體能源

由于目前“過程性能源”尚不能大量地直接儲存，因此汽車等交通工具只能采用汽油、柴油這一類“含能體能源”。隨著常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)，在開發(fā)新的一次能源(如可燃冰)的同時，人們將目光也投向?qū)で笮碌摹昂荏w能源”，氫能正是一種值得期待的新型二次能源。已有資料表明，如車用燃料使用20%H2+80%CH4，尾氣中COx(CO與CO2)可降低20%、NOx可降低40%。

6第6頁/共84頁為什么氫是永恒的能源？氫的資源豐富存在形式氫的來源豐富制取方法氫是最環(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，不排放CO2和NOx；使用氫燃料內(nèi)燃機(jī)，也可顯著減少污染。氫氣具有可儲存性與電、熱最大的不同氫的可再生性循環(huán)－永無止境氫是“和平”能源－中東戰(zhàn)爭氫是安全能源氫的擴(kuò)散能力很大，不具毒性及放射性7第7頁/共84頁名稱氫氣甲烷汽油乙醇甲醇燃燒值/kJ·kg-1121,06150,05444,46727,00620,2548表3-1幾種物質(zhì)的燃燒值

氫的燃燒熱值高

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？

氫的燃燒穩(wěn)定性好

燃燒充分第8頁/共84頁氫－能量轉(zhuǎn)化的載體

由于具有上述優(yōu)點，而且目前電能存在著難以儲存、遠(yuǎn)程輸運時損耗大的缺點，故在未來能源體系中，氫能將成為各種能量形式之間轉(zhuǎn)化的最優(yōu)良載體。

9第9頁/共84頁氫能發(fā)展史－發(fā)展期1970年，通用汽車公司的技術(shù)中心提出“氫經(jīng)濟(jì)”的概念，主要的思路是利用大型核電站的電力電解水制氫。1974年，受石油危機(jī)的影響和啟迪，一些學(xué)者組建了國際氫能協(xié)會(InternationalAssociationforHydrogenEnergy,IAHE)。IAHE隨后創(chuàng)辦了《國際氫能雜志》并舉行了兩年一次的世界氫能大會。10第10頁/共84頁氫能發(fā)展史－步入工程探索階段二十世紀(jì)80年代，德國認(rèn)真地提出HYSOLAR計劃，它是德國/沙特在阿拉伯半島的項目，計劃用沙漠地帶的太陽能制氫。改項目已經(jīng)過實驗示范了太陽發(fā)電和電解的直接結(jié)合，示范功率達(dá)到350kW。德國還考慮利用加拿大廉價的水電就地電解水制氫，液化后用船運輸液氫到歐洲。11第11頁/共84頁氫能發(fā)展史－為科學(xué)家認(rèn)可近年來燃料電池技術(shù)—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—發(fā)展迅速，被廣泛認(rèn)為將成為未來人類社會中主要的動力來源，尤其是用于發(fā)電和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，氫能將與電能一起成為未來能源體系的兩大支柱。

12第12頁/共84頁21世紀(jì)將是“氫經(jīng)濟(jì)(Hydrogeneconomy)”時代

13一次能源

二次能源最終用戶

太陽能風(fēng)能海洋能地?zé)崮芷?、飛機(jī)、船舶電力氫氣工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民生制氫發(fā)電燃料電池電解水圖3-1設(shè)想中的21世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)體系第13頁/共84頁美國能源部HydrogenPosturePlan第一階段(PhaseI)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;在第二階段(PhaseII)，氫能初步進(jìn)入市場，便攜式電源和固定/運輸系統(tǒng)開始實現(xiàn)商業(yè)化，并在國家政策的引導(dǎo)下開始與氫能相關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)投資；進(jìn)入第三階段(PhaseIII)后，氫能源和運輸系統(tǒng)實用化，市場和基建投資規(guī)模不斷擴(kuò)大；第四階段(PhaseIV)為市場與基礎(chǔ)建設(shè)均已完善的階段，氫能源和運輸系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，完全實現(xiàn)“氫經(jīng)濟(jì)”。14第14頁/共84頁其它已開展的大規(guī)模氫能開發(fā)項目冰島于1999年在其首都雷克雅未克啟動了“生態(tài)城市交通系統(tǒng)”(EcologicalCityTransportSystem,ECTOS)計劃，并為此專門成立了冰島新能源公司(IcelandicNewEnergyLtd.)負(fù)責(zé)實施該計劃其總體目標(biāo)是在2030年左右，冰島全境實現(xiàn)以氫能替代傳統(tǒng)燃料。由于目前冰島所使用的能源主要來自地?zé)岷退Πl(fā)電，因此主要采用電解水技術(shù)(在加氫站就地)制氫，以燃料電池作為主要動力設(shè)備。

15第15頁/共84頁現(xiàn)狀與展望目前全世界每年約生產(chǎn)5×1012Nm3氫氣，主要用于化學(xué)工業(yè)，尤以合成氨和石油加工工業(yè)的用量最大。90%以上的氫氣是以石油、天然氣和煤為原料制取的，北美95％的氫氣產(chǎn)量來自天然氣蒸汽重整。若設(shè)想將這些氫氣全部作為能源，僅相當(dāng)于全球年能耗的1.5%。16第16頁/共84頁現(xiàn)狀與展望真正的“氫經(jīng)濟(jì)”距離人們的日常生活還比較遙遠(yuǎn)主要原因是氫能的大規(guī)模利用離不開大量廉價氫的獲得和安全、高效的氫氣儲存與輸送技術(shù)，以及應(yīng)用技術(shù)的開發(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)方面的難題。17第17頁/共84頁現(xiàn)狀與展望譬如，就目前而言，只有通過礦物燃料(主要是天然氣)重整技術(shù)才能獲得相對廉價的氫，并非長遠(yuǎn)之計，因而，能否開發(fā)其他真正可持續(xù)發(fā)展的、大規(guī)模的廉價制氫技術(shù)將成為“氫經(jīng)濟(jì)”能否最終實現(xiàn)的關(guān)鍵所在；另外，氫氣以何種方式儲存及輸送最經(jīng)濟(jì)、最合理也是亟待解決的問題。18第18頁/共84頁outline1氫的制取2氫的儲存與輸運3氫的應(yīng)用4氫的安全性19第19頁/共84頁1氫的制取1.1化石燃料制氫1.2電解水制氫（其它發(fā)展中的技術(shù)：生物及生物質(zhì)制氫，太陽能光解水制氫，熱化學(xué)分解水制氫）1.3氫氣提純20第20頁/共84頁1.1化石燃料制氫1.1.1天然氣制氫1.1.2煤氣化制氫21在“氫經(jīng)濟(jì)”的起始階段，氫主要從礦物燃料中獲得第21頁/共84頁1.1.1天然氣制氫223.1.1化石燃料制氫技術(shù)第22頁/共84頁（1）甲烷蒸氣重整的原理反應(yīng)甲烷蒸汽重整(SMR)主要反應(yīng)為：CH4+H2O=CO+3H2△H=+49kcal／mol水－氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)：

CO+H2O=CO2+H2△H=-10kcal／mol隨著反應(yīng)的進(jìn)行，蒸汽有可能被CO2取代，因此會發(fā)生下面的反應(yīng)：

CH4+CO2=2CO+2H2△H=+59kcal／mol上述反應(yīng)均需催化劑的存在，最常用的催化劑是Ni。23第23頁/共84頁（3）部分氧化的原理反應(yīng)甲烷可在氧氣中部分氧化(partialoxidation,POX)生成合成氣(水煤氣)：

CH4+1/2O2=CO+2H2△H=-9kcal／mol此反應(yīng)使用或不使用催化劑均可24第24頁/共84頁（4）自熱重整的原理反應(yīng)自熱重整(AutothermalreformingATR)是在氧氣內(nèi)部燃燒的反應(yīng)器內(nèi)完成全部烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的過程。ATR反應(yīng)是結(jié)合SMR和POX的一種新方法，最早出現(xiàn)于1970年代。如上所述，POX是個放熱反應(yīng)，ATR法是將POX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。25CH4+H2O=CO+3H2△H=+49kcal／molCH4+1/2O2=CO+2H2△H=-9kcal／mol自熱重整(ATR)反應(yīng)：CH4+xO2+(2－2x)H2O=CO2+(4－2x)H2第25頁/共84頁1.1.2煤氣化所謂煤氣化，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)化為煤氣的工藝過程。煤氣化技術(shù)按氣化前煤炭是否經(jīng)過開采而分為地面氣化技術(shù)(即將煤放在氣化爐內(nèi)氣化)和地下氣化技術(shù)(即讓煤直接在地下煤層中氣化)。

26第26頁/共84頁煤氣化的重要意義煤氣化制氫曾經(jīng)是主要的制氫方法，隨著石油工業(yè)的興起，特別是天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)的出現(xiàn)，煤氣化制氫技術(shù)呈現(xiàn)逐步減緩發(fā)展態(tài)勢。但對中國來說，煤炭資源豐富(我國是世界上少數(shù)以煤炭為主的國家之一，1997年我國的煤炭消費占一次能源的73.5%。到2030－2050年，煤在我國一次能源消費中仍將占50%以上)，價格相對低廉，而天然氣價格較高，資源儲量并不大，因此對我國大規(guī)模制氫并減排CO2而言，煤氣化是一個重要的途徑。27第27頁/共84頁(1)煤地面氣化技術(shù)28煤氣化煤氣凈化H2提純CO變換H2產(chǎn)品氣化劑灰渣副產(chǎn)品硫尾氣水蒸汽副產(chǎn)CO2煤氣化制氫技術(shù)工藝流程

第28頁/共84頁(1)煤地面氣化技術(shù)煤氣化制氫主要包括三個過程，即造氣反應(yīng)、水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)、氫的純化與壓縮。造氣反應(yīng)方程式為：C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)△H=+131.2kJ/mol水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式為：CO+H2O=CO2+H2△H=-41.8kJ/mol煤氣化反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)，反應(yīng)所需熱量由碳的氧化反應(yīng)提供。

29第29頁/共84頁(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態(tài)下的煤進(jìn)行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w，這一過程在地下氣化爐的氣化通道中由3個反應(yīng)區(qū)域(氧化區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū))來實現(xiàn)。煤的地下氣化技術(shù)同樣被認(rèn)為是實現(xiàn)大規(guī)模制氫的候選技術(shù)之一。30第30頁/共84頁

煤炭地下氣化原理圖

第31頁/共84頁1.2電解水制氫

業(yè)已發(fā)展成熟的制氫方法很多，但在可開發(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、操作簡便、無污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點。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)狀仍很不令人滿意。2002年全球氫氣年產(chǎn)量約為4.1×107t，而采用電解水方法獲得的氫氣不超過5%。32第32頁/共84頁就目前而言，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)量的1～4%。電解水制氫存在的最大問題是槽電壓過高，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)無法與化石燃料制氫技術(shù)競爭的主要原因。水電解制氫目前主要包括三種方法，分別是堿性水溶液電解、固體聚合物電解質(zhì)水電解和高溫水蒸氣電解。33電解水制氫的方法第33頁/共84頁1.3氫氣提純無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。氫氣提純方法較多，但有些方法不適宜用來制備高純氫，如膜分離法，所得產(chǎn)品純度低，無法達(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，單獨使用時凈化所得產(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、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。34第34頁/共84頁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(-196℃)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O2，除N2，硅膠除CO、N2、Ar，活性炭除CH4等等。吸附劑用加熱H2再生。工藝多采用兩個吸附塔交替操作。凈化后H2純度達(dá)99.999－99.9999%。35第35頁/共84頁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，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吸收CO等雜質(zhì)，然后用丙烷吸收其中的CH4，可得到99.99%的H2。然后，再經(jīng)低溫吸附法，用吸附劑除去其中微量雜質(zhì)，制得純度為99.999－99.9999%的高純氫。36第36頁/共84頁1.3.3變壓吸附法(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以及吸附量隨壓力變化的原理，通過周期性的壓力變化過程實現(xiàn)氣體的分離。由于PSA技術(shù)具有能耗低，產(chǎn)品純度高，工藝流程簡單，預(yù)處理要求低，操作方便、可靠，自動化程度高等優(yōu)點，在氣體分離領(lǐng)域得到廣泛使用。PSA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99－99.999%范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。37第37頁/共84頁1.3.4鈀膜擴(kuò)散法利用鈀合金膜在一定溫度(400－500℃)，只能使H2透過，其它雜質(zhì)氣體不能滲透的特性，使H2得到純化。這種方法對原料氣中O2和水的要求很高。O2在鈀合金膜會產(chǎn)生氫氧催化反應(yīng)而造成鈀合金局部過熱，水又會使鈀合金發(fā)生氧化中毒。所以，原料氣需先透過預(yù)純化器除去O2和水，再經(jīng)過濾器除塵后，才能送入鈀合金擴(kuò)散室純化，得到H2的純度可達(dá)99.9999%。但鈀膜擴(kuò)散法提純技術(shù)僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)。38第38頁/共84頁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新技術(shù)，正在研究和發(fā)展中。利用貯氫合金對氫進(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O2、CO、H2O等雜質(zhì)。純化裝置通常由數(shù)個純化器聯(lián)合操作，連續(xù)得到高純氫，純度可達(dá)99.9999%以上。金屬氫化物在反復(fù)吸氫、放氫過程中會逐漸粉化，因此還必須在生產(chǎn)裝置終端裝有高效過濾器以除去粉塵。39第39頁/共84頁2氫的儲存與輸運氫能的儲存與輸運是氫能應(yīng)用的前提。但氫氣無論以氣態(tài)還是液態(tài)形式存在，密度都非常低，氣態(tài)時為0.08988gL-1(約為空氣的7%)，液態(tài)(-253℃)時為70.8gL-1(約為水的7%)。40第40頁/共84頁41燃料氣態(tài)(20℃、1atm)液態(tài)(沸點、1atm)絕對值

/kgm-3相對于氫絕對值

/kgm-3相對于氫氫氣0.091.0070.81.0甲烷0.658.13422.86.0汽油4.455.0700.09.9幾種常用燃料的氣態(tài)和液態(tài)下的密度

第41頁/共84頁氫在一般條件下以氣態(tài)形式存在，且易燃(4-75%)、易爆(15-59%)，這就為儲存和運輸帶來了很大的困難。當(dāng)氫作為一種燃料時，必然具有分散性和間歇性使用的特點，因此必須解決儲存和運輸問題。儲氫和輸氫技術(shù)要求能量密度大(包含單位體積和質(zhì)量儲存的氫含量大)、能耗少、安全性高。當(dāng)作為車載燃料使用(如燃料電池動力汽車)時，應(yīng)符合車載狀況所需要求。一般來說，汽車行駛400km需消耗汽油24kg，而以氫氣為燃料則只需要8kg(內(nèi)燃機(jī)，效率25%)或4kg(燃料電池，效率50-60%)。422.1氫氣儲存和輸運中的考慮第42頁/共84頁總體說來，氫氣儲存可分為物理法和化學(xué)法兩大類。物理儲存方法主要包括液氫儲存、高壓氫氣儲存、活性炭吸附儲存、碳纖維和碳納米管儲存、玻璃微球儲存、地下巖洞儲存等?；瘜W(xué)儲存方法有金屬氫化物儲存、有機(jī)液態(tài)氫化物儲存、無機(jī)物儲存、鐵磁性材料儲存等。氫氣的輸運與氫氣儲存技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，目前氫氣的運輸方式主要包括壓縮氫氣和液氫兩種，金屬氫化物儲氫、配位氫化物儲氫等技術(shù)尚有待成熟。432.2氫氣的儲存和輸運方法第43頁/共84頁44Linde水冷液氫儲罐實際產(chǎn)品及裝配汽車照片第44頁/共84頁注：該裝置一次可儲氫3.1kg，裝配于GM的HydroGen3汽車上，行駛里程為170英里。45美國QUANTUM公司開發(fā)的第4類車用壓力儲氫裝置第45頁/共84頁2.3金屬氫化物儲氫把氫以金屬氫化物的形式儲存在合金中，是近30年來新發(fā)展的技術(shù)。原則上說，這類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)。這類技術(shù)有一種特性，當(dāng)把它們在一定溫度和壓力下曝置在氫氣氛中時，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，利用這一特性就可以有效地儲氫。金屬氫化物儲氫比液氫和高壓氫安全，并且有很高的儲存容量。但由于成本問題，金屬氫化物儲氫僅適用于少量氣體儲存。

46第46頁/共84頁注：由表可見，有些金屬氫化物的儲氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的1,000倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過液氫。儲氫介質(zhì)氫原子密度/1022個cm3儲氫相對密度含氫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%標(biāo)態(tài)下的氫氣0.00541100氫氣鋼瓶(15MPa)0.81150100-253℃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氫能力第47頁/共84頁2.4氫的輸運壓縮氫氣的運輸壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車或管道輸送，氣瓶和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材?，F(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)防氫脆所帶來的腐蝕問題。

48第48頁/共84頁2.4氫的輸運運輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點是能量密度高(1輛拖車運載的液氫相當(dāng)于20輛拖車運輸?shù)膲嚎s氫氣)，適合于遠(yuǎn)距離運輸(在不適合鋪設(shè)管道的情況下)。若氫氣產(chǎn)量達(dá)到450kgh-1、儲存時間為1天、運輸距離超過160km，則采用液氫的方式運輸成本最低，金屬氫化物運輸方式也很有競爭力。但運輸距離若達(dá)到1,600km，液氫運輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠锏?倍，比壓縮氫氣低7倍。49第49頁/共84頁3氫的應(yīng)用氫在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用氫在燃料電池中的應(yīng)用50第50頁/共84頁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Ni-MH電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動車方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。對于未來的“氫經(jīng)濟(jì)”而言，氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)(－蒸汽輪機(jī))發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)。普遍認(rèn)為，燃料電池是未來人類社會最主要的發(fā)電及動力設(shè)備。513.1氫的應(yīng)用概述第51頁/共84頁第52頁/共84頁氫能的利用第53頁/共84頁氫能的利用

第54頁/共84頁氫能的利用第55頁/共84頁氫能的利用航天飛機(jī)的高壓補(bǔ)燃?xì)?氧發(fā)動機(jī)第56頁/共84頁57第57頁/共84頁58第58頁/共84頁59第59頁/共84頁60第60頁/共84頁61第61頁/共84頁氫能摩托車第62頁/共84頁福特汽車公司FocusH2RV氫發(fā)動機(jī)轎車第63頁/共84頁燃料電池燃料電池由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成；第64頁/共84頁第65頁/共84頁3.2燃?xì)廨啓C(jī)簡介及技術(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：(1)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，投資費用低，建設(shè)周期短。(2)起動快、操作方便。從冷態(tài)起動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；同時由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡單、輔助設(shè)備少，運行時操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動化程度可以超過汽輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。(3)水、電、潤滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水地區(qū)運行。66第66頁/共84頁

最簡單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它包括三個主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖第67頁/共84頁

燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用范圍越來越廣，目前在以下幾個領(lǐng)域已大量采用燃?xì)廨啓C(jī)：(1)航空領(lǐng)域。由于燃?xì)廨啓C(jī)小而輕，起動快，馬力大，因此在航空領(lǐng)域中已占絕對優(yōu)勢。(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、氣墊船等中占壓倒優(yōu)勢，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)電站和移動式電站。68燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域第68頁/共84頁由于空氣質(zhì)量不斷下降，各國均認(rèn)識到必需降低COx、NOx、煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會中，很大一部分能源通過火力發(fā)電、被轉(zhuǎn)化成電能，因此發(fā)電廠是最大的污染源之一，必須對發(fā)電設(shè)備加以必要的改進(jìn)。出于降低NOx排放量的目的，目前氫主要是以富氫燃?xì)?富氫天然氣或合成氣)的形式應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)于純氫作為燃料氣的報道很少。69氫氣在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用第69頁/共84頁3.3開發(fā)氫電池還是氫發(fā)動機(jī)？人們在開發(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，如價格高、體積大、冷啟動性能差，以及高負(fù)荷運行時效率低等。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，工作原理和點燃式內(nèi)燃機(jī)相同，所以有可能制造出既可使用氫燃料也可使用汽油的發(fā)動機(jī)。氫燃料發(fā)動機(jī)排放的唯一有害物質(zhì)是氮氧化合物。70第70頁/共84頁氫燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)點！由于氫的特性，使用氫燃料發(fā)動機(jī)時要記住以下幾點：首先，氫在空氣中的可燃比非常高(體積的4％?75％)，而汽油(1％?7.6％)和甲烷(5.3％?15％)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，因此氫燃料發(fā)動機(jī)的燃燒非常清潔。71其次，氫發(fā)動機(jī)可以靠空氣－燃料混合比的濃度調(diào)節(jié)動力輸出，不需要節(jié)流閥。這樣做最大的好處是提高了發(fā)動機(jī)的整體效率，因為不存在燃料泵中流量的損失，稀薄燃燒的效率較高也起了一定的作用。第71頁/共84頁氫燃料發(fā)動機(jī)的優(yōu)點！第三，空氣－燃料混合比濃度較高時，在熱動力燃燒環(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)130，而高級汽油的辛烷值只有大約93，因此它的自燃溫度很高，在發(fā)動機(jī)氣缸的壓縮過程中抗提前燃燒的能力強(qiáng)，也就是說可以采用較高的壓縮比(活塞在行程兩端時氣缸最大容積和最小容積的比值)。據(jù)福特公司報道，一臺壓縮比為14.5:1的氫發(fā)動機(jī)最大效率可達(dá)到52％。72第72頁/共84頁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)該首先關(guān)心的問題，對氫能系統(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)的危險特征，比如易燃、易泄漏、氫脆等，而且由于氫的使用范圍不廣，經(jīng)驗不夠豐富，在使用者的可接受心理上也存在著較大問題。為了氫能系統(tǒng)和燃料電池汽車的進(jìn)一步發(fā)展，制定相關(guān)氫能安全標(biāo)準(zhǔn)及對氫安全問題進(jìn)行研究是很有必要的。73第73頁/共84頁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孔中泄漏。例如，對于透過薄膜的擴(kuò)散，氫氣的擴(kuò)散速度是天然氣的3.8倍。但是，比較有意義的是，在燃料管線、閥門、高壓儲罐等上面實際出現(xiàn)的裂孔中，氫氣泄漏的速度如何。從高壓儲氣罐中大量泄漏，氫氣和天然氣都會達(dá)到聲速。氫氣的聲速(1,308mps)幾乎是天然氣聲速(449mps)的3倍，所以氫氣的泄漏要比天然氣快。74第74頁/共84頁4.2氫脆錳鋼、鎳鋼以及其它高強(qiáng)度鋼容易發(fā)生氫脆。這些鋼長期暴露在氫氣中，尤其是在高溫高壓下，其強(qiáng)度會大大降低，導(dǎo)致失效。因此，如果與氫接觸的材料選擇不當(dāng)，就會導(dǎo)致氫的泄漏和燃料管道的失效。但是，通過選擇合適的材料，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。另外，氫氣中含有的極性雜質(zhì)，如水蒸汽、H2S、CO2、醇、酮及其它類似化合物，會強(qiáng)烈地阻止生成金屬氫化物。75第75頁/共84頁4.3氫的擴(kuò)散如果發(fā)生泄漏，氫氣就會迅速擴(kuò)散。與汽油、丙烷和天然氣相比，氫氣具有更大的浮力(快速上升)和更大的擴(kuò)散性(橫向移動)。氫的密度僅為空氣的7%，而天然氣的密度是空氣的55%。所以即使在沒有風(fēng)或不通風(fēng)的情況下，它們也會向上升，而且氫氣會上升得更快一些。而丙烷和汽油氣都比空氣重，所以它們會停留在地面，擴(kuò)散的很慢。76第76頁/共84頁4.3氫的擴(kuò)散

氫的擴(kuò)散系數(shù)是天然氣的3.8倍，丙烷的6.1倍，汽油氣的12倍。這么高的擴(kuò)散系數(shù)表明，在發(fā)生泄