氢能利用的详细信息全集

氢能是一种二次能源，由天然气重整、电解水、太阳能光合作用、生物制氢等能源产生，不像煤炭、石油、天然气可以直接从地下开采，几乎完全依赖化石燃料。

中文名:氢能利用mbth:氢能利用优势:安全环保应用:广泛历史:二战以来利用方向:氢能利用历史、发展现状、氢能制备方法、特点、氢能利用安全问题、氢能利用方向、前景、氢能利用史在化学史上，人们主要把氢的发现归功于英国化学家、物理学家卡文迪许(卡文迪许，h . 1731-1810)。但早在16世纪，著名的瑞士医生宫描述有一种铁屑与酸接触时产生的气体。17世纪，比利时著名医学化学学者赫耳蒙特(J.B.1579-1644)偶然接触到这种气体，但未能将其分离收集。尽管波义耳偶然收集了这种气体，但他并没有研究它。他们只知道它易燃，对它知之甚少；1700年，法国药剂师勒梅里(N.1645-1715)在巴黎科学院的报告中也有提及。卡文迪许是第一个收集和研究氢的人，但是卡文迪许对氢的理解并不正确。他认为水是一种元素，氢是含有过多燃素的水。直到1782，拉瓦锡才明确提出水不是元素而是化合物。1787年，他将这种气体命名为“氢气”，意为“产生水”，并确认它是一种元素。氢作为内燃机的燃料并不是人类最近的发明。氢已经在内燃机中使用了很长时间。人类历史上第一台氢内燃机的历史可以追溯到1807年，一个叫艾萨克·德·莱维兹的瑞士人做出了单缸氢内燃机。他在气缸中充入氢气，氢气在气缸中燃烧，最终推动活塞往复运动。这项发明于1807 65438+10月30日获得法国专利，这是第一项关于汽车产品的专利。但由于当时技术水平有限，氢气的生产和使用远比蒸汽和汽油的使用复杂，所以氢气内燃机被蒸汽机、柴油机和汽油机“淹没”了。第二次世界大战期间，氢被用作A-2火箭发动机的液体推进剂。1960年首次使用液氢作为航天动力燃料，1970年美国发射的阿波罗飞船使用的起飞火箭也使用液氢作为燃料。现在氢已经成为火箭领域的常用燃料。对于现代航天飞机来说，更重要的是减轻燃料重量，增加有效载荷。氢气的能量密度非常高，是普通汽油的3倍，这意味着使用氢气作为燃料，航天飞机的重量可以减轻2/3，这无疑对航天飞机极为有利。此外，氢还可以用于航天器。现在科学家们正在研究一种“固态氢”宇宙飞船。固态氢不仅用作航天器的结构材料，还用作航天器的动力燃料。在飞行过程中，飞船上所有非重要的部分都可以转化为能量而被“消耗”，这样飞船就可以在宇宙中飞行更长的时间。20世纪80年代末公开展示了多种燃料电池汽车，20世纪90年代末证实了用小型燃料电池替代蓄电池的可行性。21世纪，面对环境污染等危机，氢燃料电池发展迅速，更多成型的氢燃料电池汽车开始进入市场。氢能作为一种执拗当前人类面临困境的新能源，其发展现状成为各国大力研究的对象。根据美国能源部(DOE)新能源发展中心的调查，在过去的五年中，全世界工业化国家对氢能发展的投资每年增长20.5%。美国一直重视氢能。2003年，布什投资6543.8+07亿美元启动氢燃料发展计划，提出了氢能工业化生产技术、氢能储存技术、氢能应用等重点发展项目。2004年2月，美国能源部公布了氢能技术研究、开发和示范行动计划，详细阐述了发展氢经济的步骤和向氢经济过渡的时间表。该计划的出台是推动美国氢经济发展的又一重大举措，标志着美国氢经济发展从政策评估和制定阶段进入系统实施阶段。2004年5月，美国第一个氢气站建立，第三代家庭能源站——加州的固定氢气产生装置开始试用。2005年7月，世界上最早生产氢燃料电池的公司之一戴姆勒·克莱斯勒公司成功开发出横跨美国的“第五代新型电瓶车”，创造了燃料电池汽车上路的新纪录。该车以氢为动力，总里程5245km，最高时速65438+。对中国来说，能源建设战略是国民经济发展的关键战略。中国化石能源探明可采储量中，煤炭量为1145亿t，石油量为38亿t，天然气储量为1.37万亿m3，分别占11.6%，2.6%。中国人口多，人均资源不足。煤炭人均探明可采储量仅为世界平均水平的1/2，石油仅为1/10左右，人均能源拥有量明显落后。与此同时，近年来，交通能源在中国的比重越来越大。与此同时，汽车尾气污染已经成为空气污染，尤其是城市空气污染的最主要因素。因此，寻找新的清洁能源对中国的可持续发展具有重要意义。“九五”和“十五”期间，科技部将燃料电池汽车及相关技术的研发列入国家科技计划。2002年6月，中科院启动了科技创新战略行动计划重大项目——高功率质子交换膜燃料电池发动机及氢能技术，由中科院大连化学物理研究所主持。基于科技部国家高技术发展计划(“863”)，研发具有自主知识产权的75KW和150KW燃料电池发动机及成套氢能技术，助力中国早日进入氢能时代。目前，我国已成功开发除燃料电池以外的轿车和客车，累计实验运行超过2000km，这标志着我国已具备开发氢动力燃料电池发动机的能力。当2008年奥运会和2010世博会举行时，燃料电池汽车已经小批量地在街道上行驶了。氢能1的制备方法。化石燃料制氢在传统的制氢工业中，化石燃料制氢是应用最广泛的方法，有成熟的技术和工业装置。主要方法有重油部分氧化重整制氢、天然气蒸汽重整制氢和煤气化制氢。水蒸气和天然气制氢的化学反应为:CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2。水蒸气和煤制氢的基本反应过程为:C+2H 2 O=CO 2 +2H 2。虽然目前90%以上的制氢是基于天然气和煤。但是天然气和煤的储量有限，制氢的过程会污染环境。根据科学发展观的要求，这种方法显然不是未来制氢技术的最佳选择。2.通过电解水生产氢气具有悠久的工业历史。这种方法是基于以下氢和氧的可逆反应:2H 2 O=2H 2 +O 2。目前常用的电解槽一般采用压滤双极结构或箱式单级结构。每对电解槽的压力在1.8 ~ 2.0V之间，生产1m3H2的能耗在4.0 ~ 4.5 kWh之间。箱式结构的优点是设备简单，维护方便，投资少，缺点是占地面积大，时空产率低。压滤机结构比较复杂，优点是紧凑，占地面积小，时空产率高，缺点是维护困难，投资大。随着科学技术的发展，出现了固体聚合物电解质(SPE)电解槽。固相萃取池材料易得，适合大规模生产。此外，使用相同数量的阳极和阴极分离H 2和O 2的效率高于常规碱性电解槽。此外，SPE电解槽的液体流量是常规碱性电解槽的1/10，使用寿命约为300天。缺点是电解水的能耗还是很高。目前，我国水电解工业还停留在压滤复极电解槽或单级箱式电解槽的水平，与国外工业和研究水平还有很大差距。3.甲烷催化热分解制氢传统的甲烷热解制氢工艺伴随着大量二氧化碳的排放。然而，近年来，甲烷热分解制氢成为研究的热点。甲烷分解1mol氢气需要37.8KJ的能量，排放0.05 mol的CO 2。这种方法的主要优点是在生产高纯度氢气的同时，可以生产出更有经济价值、更易出现的固体碳，从而不向大气中排放二氧化碳，减少温室效应。因为它基本不产生CO 2，所以被认为是化石燃料和可再生能源之间的过渡过程。但生产成本并不低，如果副产碳有广阔的市场前景，这种方法将成为一种很有前途的制氢方法。4.利用生物制氢技术进行生物制氢可以节约不可再生能源，减少黄精的污染，有可能成为未来能源制备技术的主要发展方向之一。生物制氢是在常温常压下，利用微生物酶与含氢物质(包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物和水)发生生化反应产生氢气。到目前为止，研究报道的产氢生物可分为两类:光合生物(厌氧光合细菌、蓝藻和绿藻)和非光合生物(严格厌氧菌、兼性厌氧菌和好氧菌)。光合生物蓝藻和绿藻可以利用体内巧妙的光合结构将太阳能转化为氢能，因此其产氢研究远比非光合生物深入。两者都能光解水制氢，是一种理想的制氢方式。而蓝藻和绿藻同时释放氢气，除了产氢效率低之外，如何解决暴露在氧气中氢化酶的失活是该技术要解决的关键问题。与蓝藻、绿藻相比，厌氧光合细菌在厌氧光合放氢过程中不产氧，因此过程简单。目前，鉴于光合放氢过程的复杂性和精密性，研究内容仍主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育，选育和控制环境条件提高产氢量，其研究水平和规模基本处于实验室水平。非光合生物可以降解大分子有机物产氢，这使得它们在利用可再生能源物质(纤维素及其降解产物和淀粉等)产氢的研究中，比光合生物显示出优势。).这类微生物作为氢源的研究始于20世纪60年代，到90年代末，中国科学家任南琪等人以厌氧活性污泥和有机废水为原料，开发出了“有机废水发酵生物制氢技术”。该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌和固定化技术的限制，开创了利用非固定化细菌制氢的新途径。中试结果表明，生物制氢反应器的最大持续产氢能力达到5.7m3/(m3。特点(1)氢是自然界中最常见的元素。据估计，它占宇宙质量的75%。除了空气中的氢，主要以化合物的形式储存在水中，水是地球上分布最广的物质。(2)在所有气体中，氢气的导热性能最好，比大多数气体的导热性能高10倍，所以氢气在能源工业中是一种优良的传热载体。除了核燃料，氢气的热值是所有化石燃料、化学燃料和生物燃料中最高的，达到142.35 LKJ/千克。每千克氢气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。(5)在所有元素中，氢是最轻的。在标准状态下，其密度为0.0899克/升；氢气可以以气态、液态或固态金属氢化物的形式出现，可以满足储存、运输和各种应用环境的不同要求。(6)氢气本身无毒，与其他燃料相比燃烧时最清洁。除水和少量的氮化氢外，不会产生对环境有害的污染物，如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化合物和尘粒等，少量的氮化氢经适当处理后也不会污染环境。而且燃烧产生的水可以继续制氢，重复使用氢气可以安全使用。大量实践表明，氢气有安全使用记录。在1967和1977之间，美国发生了145起氢气事故，这些事故都发生在石油炼制、氯碱工业或核电站，并没有真正涉及能源利用。国内外使用氢气的经验表明，氢气的常见事故可以概括为:未被发现的泄漏；阀门故障或泄漏；安全阀失效；疏散系统故障；管道或容器破裂；材料损坏；置换不良，空气或氧气等杂质残留在系统中；氢气排放率过高；管线接头或波纹管损坏；氢气输送过程中发生碰撞或翻车事故。这些事故需要补充两个条件才能引发火灾。一个是火源，一个是氢气和空气或氧气的混合物，在那个时间和地点应该处于着火或剧烈震动的极限。没有这两个条件，就不可能造成事故。事实上，通过严格的管理和认真执行操作程序，大多数事故是可以避免的。氢能的利用方式主要有三种:①直接燃烧；(2)通过燃烧电池转化为电能；③核聚变。其中，最安全有效的方法是通过燃料电池将氢能转化为电能。目前，氢能的发展正在引发一场深刻的能源革命，它有可能成为21世纪的主要能源。美欧日等发达国家从国家可持续发展和安全战略的角度制定了长期的氢能发展战略。1、氢内燃机氢内燃机的基本原理与汽油或柴油内燃机相同。氢内燃机是传统汽油内燃机的略微改进版本。氢内燃直接燃烧氢气，不使用其他燃料，也不产生水蒸气排出。氢内燃机完全可以做功，不需要任何昂贵的特殊环境和催化剂，所以不会有成本高的问题。目前很多成功的氢内燃机都是混合动力的，即液氢和汽油都可以作为燃料。这样，氢内燃机就成了一个很好的过渡产品。比如加油一次不能到达目的地，但能找到加氢站，就用氢气做燃料；或者先用液氢，再找个普通加油站加汽油。这样，在加氢站不普及的情况下，人们就不会害怕使用氢动力汽车。氢内燃机由于点火能量小，易于实现稀薄燃烧，可以在较宽的工况范围内获得较好的燃油经济性。2.氢能在燃料电池中的应用主要是通过燃料电池来实现的。氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应。氢气和氧气分别供给阴极和阳极。氢气通过阴极向外扩散，与电解液反应后，释放出电子，通过外负载到达阳极。氢燃料电池与普通电池的主要区别是:干电池和蓄电池都是储能装置，储存电能，需要时释放；严格来说，氢燃料电池是一种发电装置，和发电厂一样，它是一种直接将化学能转化为电能的电化学发电装置。利用氢燃料电池发电，直接将燃烧的化学能转化为电能，无需燃烧，能量转化率可达60% ~ 80%，污染和噪音小，装置可大可小，非常灵活。本质上，氢燃烧电池的工作模式与内燃机不同。氢燃烧电池通过化学反应产生电能来推动汽车，而内燃机通过燃烧热能来推动汽车。由于燃料电池车的工作过程不涉及燃烧，没有机械损耗和腐蚀，氢燃烧电池产生的电能可以直接用来推进车辆的四个车轮，省去了机械传动装置。现在，发达国家的研究人员已经强烈意识到氢燃料电池将结束内燃机时代这一不可避免的趋势。已经成功开发氢燃料电池的汽车制造商包括通用、福特、丰田、奔驰、宝马和其他国际公司。3.核聚变核聚变，即氢原子核(氘和氚)结合形成更重的原子核(氦)时，释放出巨大的能量。热核反应，或称核剧变反应，是一种很有前途的新能源。参与核反应的氢核，如氢、氘、氟、锂等。从热运动中获得必要的动能并引起聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础，能在瞬间产生大量热能，但目前还不能使用。如果热核反应能够按照人的意图控制在一定的限制区域内，就可以实现受控热核反应。这是目前实验研究的一个重要课题。受控热核反应是聚变堆的基础。聚变反应堆一旦成功，可能为人类提供最清洁、取之不尽的能源。目前可行性较大的受控核聚变反应堆是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束实现受控核聚变的环形容器。他的名字托卡马克来自环形，kamera，磁性和kotushka。它最初是由苏联莫斯科库尔恰托夫研究所的阿奇莫维奇在20世纪50年代发明的。托卡马克的中心是一个环形真空室，周围缠绕着线圈。当电源接通时，托卡马克内部会产生巨大的螺旋磁场，将等离子体加热到非常高的温度，从而达到核聚变的目的。中国还包括两个核聚变实验装置。展望能源、资源和环境问题，迫切需要氢能来解决这一危机，但目前氢能的制备还不成熟，大部分储氢材料的研究还处于实验室的探索阶段。氢能的制备应以生物制氢为主，其他制氢方式不可持续，不符合科学发展的要求。生物制氢中的微生物制氢需要基因工程和化学工程的有机结合，充分利用现有技术，尽快开发出符合要求的产氢生物。生物质制氢需要技术的不断完善和大力推广，这是一个艰难的过程。储氢主要着眼于新材料的发现，尚未考虑材料的规模化或工业化制备，不同储氢材料的储氢机理有待进一步研究。此外，由于每种储氢材料都有其优缺点，且大多数储氢材料都具有加成特性，因此单一储氢材料的性能也更受人们的认可。因此，认为开发综合各种单一储氢材料优点的复合储氢材料是未来储氢材料的一个发展方向。