浅谈氢能发电的发展趋势和存在问题

精品文档 1欢迎下载 浅谈氢能发电的发展趋势浅谈氢能发电的发展趋势 和存在问题和存在问题 课程 课程 新能源概论新能源概论 班级 班级 姓名 姓名 学号 学号 精品文档 2欢迎下载 20132013 年年 5 5 月月 精品文档 3欢迎下载 目目 录录 第一章第一章 氢能的介绍氢能的介绍 1 1 11 1 氢能的特点氢能的特点 1 第二章第二章 氢能开发与利用的现状氢能开发与利用的现状 3 2 12 1 氢能的开发氢能的开发 3 第三章第三章 氢能的发展现状氢能的发展现状 9 3 13 1 国外发展概况国外发展概况 9 3 23 2 国内发展概况国内发展概况 9 第四章第四章 氢能的应用前景氢能的应用前景 11 4 14 1 氢的直接燃烧利用氢的直接燃烧利用 11 4 24 2 氢能在燃料电池中的应用氢能在燃料电池中的应用 11 4 34 3 氢能在其它领域的应用氢能在其它领域的应用 12 第五章第五章 氢能开发面临的问题氢能开发面临的问题 14 第六章第六章 总总结结 15 参考文献参考文献 16 精品文档 1欢迎下载 第一章第一章 氢能的介绍氢能的介绍 1 1 1 1 氢能的特点氢能的特点 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 作为能源 氢有以下特点 1 1 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 固态氢 1 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 1 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 存储量大 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 90O0 倍 1 4 氢的发热值高 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 如表 1 4 表 1 4 几种物质的燃烧值 1 5 氢燃烧性能好 点燃快 与空气混合时有广泛的可燃范围 3 97 范围内均可燃 而且燃点高 燃烧速度快 1 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 少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境 精品文档 2欢迎下载 1 7 氢循环使用性好 燃烧反应生成的水可用来制备氢 循环使用 1 8 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 1 9 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 精品文档 3欢迎下载 第二章第二章 氢能开发与利用的现状氢能开发与利用的现状 2 1 2 1 氢能的开发氢能的开发 氢能否被广泛使用 制氢工艺是基础 因为水分子中氢和氧的结合非常牢 固 要把它们分开 需花费很大的力气 比方说 必须加热到摄氏二 三千摄 氏度的高温 才能把水分解成氢气和氧气 这样不仅要消耗很多的能量 而且 还要有相应的耐高温 耐高压设备 为了避开这个难点 目前实际上主要还是 利用天然气 煤炭和石油产品作原料来制取氢气 1 矿物燃料制氢是利用化学方法将矿物中的氢元素提取出来的方法 煤的焦化 即将煤通过高温干馏生产焦炭 同时得到一种气体产品 炼 焦煤气 从炼焦煤气可以制得氢气 这是一种古老的生产氢的方法 而且氢只 是一种副产品 水煤气转化 水蒸气通过炽热的煤层制得水煤气 C H2O CO H2 Q 然后把水煤气跟水蒸气混合 以氧化铁等为催化剂 在 500 5500C 使水煤 气中的一氧化碳转化为二氧化碳 CO H2O CO2 H2 Q 再把混合气体加压 水洗使二氧化碳溶于水 即分离出氢气 从天然气 炼厂气 石油炼制厂的副产气体 油田气等气体燃料中制取 氢气 把碳氢化合物 如甲烷 存在于天然气 炼厂气中 高温裂解 可制得炭黑 和氢气 CH4 C 2H2 在镍催化剂存在下 把一些碳氢化合物 如甲烷跟水蒸气在 800 9000C 时 起反应 制得氢气和一氧化碳的混合气体 CH4 H2O CO 3H2 再把一氧化碳转成二氧化碳 应用水煤气转化法 并使之加压溶解于水 遂获得氢气 还可采用碳氢化合物部分氧化法来制氢 原理同上面差不多 也是用碳氢 化合物和水蒸气通过催化剂生成氢 一氧化碳 二氧化碳的混合气体 然后在 10000C 500 5500C 高温裂解 800 9000C Ni 精品文档 4欢迎下载 混合气体中加进更多的水蒸气 依靠另一些催化剂的作用 生成更多的氢和二 氧化碳 这些方法大都需要催化剂和高温 催化剂多数是镍的化合物 特别是它们 都以碳氢化合物为原料 仍旧离不开煤炭 天然气 石油等矿物燃料 所以算 不上是一种有前途的制氢技术 2 电解水法 水中放进一点儿氢氧化钠 硫酸钾 硫酸之类的电解质 通电之后 极上就能放出氢气 电解水法制得氢气的纯度可达 99 5 99 8 其原理为 2H2O 2H2 O2 电解法制氢不消耗矿物燃料 但是用电量很大 每生产 1kg 氢需要消耗五 六十度电 成本太高 只有在电力供应充裕 电价低廉 如有大量低价的水力 发电或核动力发电 的情况下 电解水制氢才有可能焕发青春 为大规模生产 氢燃料作出新贡献 3 各种化工过程副产品氢气的回收 如氯碱工业 冶金工业等 2NaCl 2H2O Cl2 2NaOH H2 4 热化学循环分解水制氢 该方法是在水反应系统中加人中间物 经历 不同的反应阶段 最终将水分解为氢和氧 且中间物不消耗 这其实也是一种 加热直接分解水的方法 不过不是单纯依靠加热硬把氢 氧一步分开 而是通 过某些化学药品 如二氧化硫 硫酸和硫酸铋 与水反应 分几步把水分解制 得氢气 形成一个热化学循环 所以又叫做分步反应分解水制氢法 在热化学法制氢中 不同的化学反应有不同的化合物 如硫 铋 钙 溴 汞 铁 碘 镁 铜 氯 镍 钾 锂等的化合物 作为中间反应物参 加 反应温度大多为八 九百度 高的也仅有上千度 反应结束后 化学药品 的数量不减少 可以回收循环使用 消耗的只是水 水被分解成氢和氧了 现在 科学家们已提出了多种热化学分解水制氢的方案 并且正在寻找最 佳的制氢方案而努力 热化学法制氢仍旧需要热 如果把这种方法同核反应堆 联系到一起 利用核反应堆的余热来提供所需要的能量 同时解决高温 腐蚀 性 投资大等不足之处 那就可以大大降低氢的生产成本 5 光化学制氢 它是在有光照催化剂作用下 促使水解制得氢气的一种 方法 电解 电解 精品文档 5欢迎下载 现在世界上已经有了强大的太阳能高温炉 聚焦温度高达 4 000 这样 高的温度 用于直接热分解水或分步的热化学法制氢都是可能的 早在 1972 年 日本科学家本多等人在研究半导体电极在光照下的电化学行 为时 发现把氧化钛晶体电极和铂黑电极连接起来浸到水里 当太阳光照射氧 化钛表面时 就会产生电流 分解水制得氢气 不过 由于氧化钛半导体的禁 带宽度大于 3 0 eV 只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光部分 所以光能利 用效率很低 不过 1 现在的问题是要探索的性能优良的光电极半导体材料 以便进一步提高光解水的效率 专家们认为 应该采用禁带宽度为 1 0 1 6 eV 的半导体 它们可以吸收 差不多整个波长范围内的太阳光 这样的半导体材料有好多种 目前研究得比 较多的是砷化镓 磷化铟等等 不久前美国科学家海勒等人用磷化铟半导体作 电极的光电化学电池制氢 效率达到 12 还有人用硅作电极 在太阳光的照 射下 可以从水中制取 12 13 的氢气 甚至有可能达到 25 这就使氢燃料的 商品化生产有了可能 光络合催化分解水制氢是最近几年发展起来的一个新领域 11 年前 有人 发现三联毗啶钌络合物的激发态具有电子转移能力 这使人想起可以利用它来 光解水制氢 后来就发明了一种复合催化体系 其中包括光敏剂 中继物 电 子给体和铂催化剂 光敏剂捕获太阳能而呈激发态 起桥梁作用的中继物从光 敏剂的激发态得到电子 然后迅速同水进行电子交换 还原水而得氢气 光敏 剂失去的电子应该得到补充 这就要往溶液中加进电子给体 这样的复合催化 体系的太阳光的照射下 每升溶液每小时可以生产 1L 氢气 目前 科学有正在研究一种办法 把放氢 放氧两个分解水的半过程耦合 起来 这样可以不消耗电子给体 使生产成本大大降低 据报道 最近日本制成了一种高效催化剂 是把氧化钛 氧化钌和铂粘着 在一起 做成颗粒直径只有 1Mr 的灰色粉末 把这种粉末加到水和纤维素的混 合液里 放在太阳光下 就能产生氢气和二氧化碳 水被分解了 最后剩下来 的仅仅是催化剂 关于光解水制氢所取得的突破性成果 曾被我国 27 位著名科学家推荐 评 选为 1982 年的世界十项重大科技进展之一 6 生物质制氢 它是将生物体中的氢元素通过裂解或者气化的方法提取 出来的方法 精品文档 6欢迎下载 生物质催化气化制氢技术 生物质催化气化制氢的主要流程如图 1 所示 三个过程决定最终氢气的产 量和质量 即生物质气化过程 合成气催化变换过程和氢气分离 净化过程 生物质气化 生物质热化学气化是指 将预处理过的生物质在气化介质中如 空气 纯氧 水蒸气或这三者的混合物中加热至 700 度以上 将生物质分解为合成气 生物 质气化的主要产物为 H2 CO2 CO CH4 混 合气的成分组成比因气化温度 压力 气化 停留时间以及催化剂的不同而不同 气化反 应器的选择也是决定混合气组成的一个主要 因素 氢气分离 净化 日前主要采用的分离方法有 金属氢化物分离法 变压 吸附法 低温分离法 钯合金薄膜扩散法 聚合物薄膜扩散法等 利用各种氢 气纯化法使氢气纯化 所得的氢气回收率有很大差别 金属氢化物分离法 变 压吸附法和聚合物薄膜扩散法的回收率一般在 70 85 低温分离法回收率 达到 95 钯合金薄膜扩散法采用富氢原料气时 回收率可达 99 我国的生物质气化技术已达到工业示范和应用阶段 中国科学院广州能源 所多年来进行了生物质气化技术的研究 其气化产物中氢气约占 10 热值达 11MJ m3 在国外 由于转化技术水平较高 生物质气化已能大规模生产水煤气 且氢气含量也较高 等离子体热解 气化制氢 用等离子体进行生物质转化是一项完全不同于传统生物质转化形式的工艺 引起了许多研究者的普遍注意 目前产生等离子的手段有很多 如聚集炉 极 光束 闪光管 微波等离子以及电弧等离子等 其中电弧等离子体是一种典型 的热等离子体 其特点是温度极高 可达到上万度 并且这种等离子体还含有 大量各种类型的带电离子 中性离子以及电子等活性物种 生物质在氮的气氛 下经电弧等离子体热解后 产品气中的主要组分就是 H2和 CO 并完全不含焦油 在等离子体气化中 可通进水蒸气 以调节 H2和 CO 的比例 为制取其他液体 燃料作准备 精品文档 7欢迎下载 国外对生物质的水蒸气催化气化进行了实验研究 其单位 kg 生物质产氢率 从 30 80g 不等 美国夏威夷大学和天然气能源研究所合作建立的一套流化床气 化制氢装置在水蒸气和生物质的摩尔比为 1 7 的情况下 每千克生物质 去湿 除灰 可产生 128g 氢气 达到该生物质最大理论产氢量的 78 表 3 是以焦煤 橄榄壳以及向日葵杆为原料进行的水蒸气催化气化实验结 果 从表 3 可以看出 在催化剂作用下 即使气化温度比较低 450 度 也 可得到较高的氢含量 34 7 另外氢气的产出也随气化原料和催化剂的不 同而不同 微生物制氢 科学家发现了不少能够产氢 的细菌 一类是化能异养菌 一 类是光合自养菌 已知产氢的化 能异养菌有 30 多种 它们能够 发酵糖类 醇类 有机酸等有机 物 吸收其中的一部分化学能来 满足生命活动的需要 同时把另 一部分能量以氢气的形式释放出来 有些化能异养菌的产氢能力很强 比如有 一种酪酸梭状芽孢杆菌 发酵 1 g 葡萄糖能产出 0 25 L 氢气 光合自养菌比化能异养菌更有能耐 它们不需要消耗有机营养物 而能像 绿色植物那样吸收太阳光 把简单的无机物合成有机物以满足自身的需要 同 时放出氢气 太阳光取之不尽 无机物到处都是 所以用光合自养菌产氢大有 前途 这样的细菌也已经找到了十几种 30 多年前人们就发现 绿藻在无氧条件下被太阳光照射时 可以放也氢气 后来又发现 蓝绿藻等好多藻类都有这种光合产氢的本领 甚至某些高等植物 也是光合放氢的好材料 有些科学家提出培育 氢树 的设想 想从高等植物 那里取得氢燃料 他们认为 如果让植物的光合作用保留在分解水的阶段 使 氢不与二氧化碳起作用 而直接从植物体内分离出来 那么 一棵棵的 氢树 就可以直接给我们提供纯净的氢气了 这种利用某些高等植物的光合作用制氢 的办法是很经济的 不过也有不足 主要是效率低 占地面积大 氢气的收集 比较困难 有待进一步探索 精品文档 8欢迎下载 还有人琢磨从植物身上取出叶绿体 使之成为 生产氢气的工厂 第一 台叶绿体制氢装置于 1973 年在美国问世 1 mg 叶绿体可产出 15 L 氢气 以 后 英国 苏联科学家用 1 g 叶绿体在 1h 内生产出了 1L 氢气 问题是天然的 叶绿体寿命太短 需要寻找延长它们工作寿命的办法 还有人在研究人工叶绿 体制氢 综上所述 制氢的方法确实是很多的 水电解制氢 生物质制氢等制氢方法 现已 形成规模 其中 低价电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备的主要方法 目前应用中尚需要降低电耗 精品文档 9欢迎下载 第三章第三章 氢能的发展现状氢能的发展现状 3 1 3 1 国外发展概况国外发展概况 现阶段由于氢能系统技术在国民经济中起着越来越重要的作用 在国外氢 能的发展已经不单纯停留在技术领域上 同时产生了 氢能经济 的新经济模 式的概念 4 最近又有专家提出未来要发展到 氢能文明社会 的新阶段 5 不过 由于氢能在制备储存等方面的局限使氢能商业化进展仍然很慢 即使对 发达国家而言 虽然氢能的技术条件已经成熟 但仍处于示范阶段 现阶段氢能作为一种高效能源在航天飞机 火箭等航天行业及城市公共汽 车中有广泛应用 一些国外的发达国家在 1993 年就开始使用以液氢为燃料的城 市公共汽车 目前世界各国推出的燃料电池动力车及可用于手提电脑 播放器 手机的 小型燃料电池等利用氢能的产品已经非常多 6 目前欧洲已有 22 座加氢站 而在美国 日本建立的加氢站则更多 美国联邦政府计划在 2004 2008 年投入 12 亿美元用于实施 氢能技术研究 开发与示范行动计划 7 北欧国家冰 岛与戴一克 壳牌等公司合作 9 希望在今后 30 40 年的时间内在该国的公 共汽车 轿车和渔船上用氢取代石油 从而使该岛国成为初步实现氢经济的国 家 10 日本于 1993 年启动了二个项目 计划到 2020 年投入 30 亿美元 构建 一个环球能源网络 11 用于氢能源的有效供给 输送与利用 将 500 万辆燃 料电池车投入市场 近期将建成 2000 多个加氢站 3 2 3 2 国内发展概况国内发展概况 我国对氢能的研究与发展可以追溯到 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 12 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 是 70 年代的 事 氢能也可应用于电子工业中 例如在集成电路 电子管 显像管等制作过 程中都是用氢作为保护气的 13 炼油工业中可用氢进行加氢精制 14 冶金 工业中可用作还原剂将金属氧化物还原出来 15 在精细有机合成工业中氢气 也是重要的合成原料之一 16 合成氨中氢气也是重要的合成燃料之一 17 现阶段氢在诸多方面都有广泛的应用 18 所以开发使用氢能源是现在许多科 学家致力于努力的方向 在我国 尽管多年来 氢能领域的专家和科学工作者在国家经费支持不多 的困难条件下 仍然在制氢 储氢和氢能利用等方面取得了不少进展和成绩 19 制氢技术 目前 我国工业制氢方法主要是以天然气 石油和煤为原料 在高 温下使之与水蒸气反应而制得 也可以用部分氧化法制得 20 这些制氢方法 在工艺上都比较成熟 但是由化石能源和电力来换取氢能 在经济上和资源利 用上并不合适 现有的工业制氢主要是维持目前化工 炼油 冶金及电子等部 门的需要 水电解制氢和生物质气化制氢等方法 现已形成规模 其中 低价 电电解水制氢方法是当前氢能规模制备的主要方法 但目前电耗过高 亟待改 精品文档 10欢迎下载 进 21 此外 由中科院山西煤炭化学研究所开发的 甲醇重整制氢技术 已 投入生产实际应用 目前最大规模为 360 Nm3 H2 h 并实现系列化 批量化生 产 中科院大连化学物理所在国家 九五 科技攻关项目 燃料电池技术 中 承担了燃料电池电动车用 甲醇重整制氢装置 21 的研制 目前 已形成概 念样机 为加快氢能的开发利用 有关高等院校和科研院所积极开展了新型制氢方 法的研究 石油大学承担的 九五 科技攻关项目 从 H2S 制取氢气的扩大实 验研究 此方法制氢能耗低 约 2 6 kWh NH2 使低电耗制氢技术达到了世 界先进水平 22 中科院感光化学研究所承担了 九五 科技攻关项目 制氢 技术的中试研究 该所的人工模拟光合作用分解水制氢及非常规资源制氢研 究达到了世界先进水平 在光化学 生物质和电化学制氢领域 23 兰州化学 物理所 微生物以及南开大学 天津大学等单位也进行了大量的基础研究工作 储氢技术 目前 氢的储存方法主要有以下几种 常压储氢 高压储氢 液氢储氢 金属氢化物储氢及吸附储氢等 24 液氢储氢是一种较好的储氢方 法 此法储氢密度高 但是 制备 1 升液氢约需消耗电能 3 kWh 在储存过程 中液氢还有自然挥发 因此能耗较高 金属氢化物的出现为氢的储存 运输及 利用开辟一条新的途径 25 近年来 我国也对氢能和燃料电池技术研究给予了稳定的支持 国 家 863 计划设立了氢能技术和系统技术开发课题 973 计划设立了氢能 基础研究项目 26 科技部从 2001 年开始组织实施以燃料电池汽车研发为重要 内容的 电动汽车重大科技专项 27 作为 十五 的 12 个国家重大科技专 项之一 国家投入近 9 亿元 氢能利用 通过科学家们的努力攻关 我国氢能利用和燃料电池技术正在 不断发展 28 继德国 美国 日本之后 我国自主开发出燃料电池系统及燃 料电池轿车和城市客车 其关键技术指标与国际先进水平相当 29 王贺武表 示 在科技部 电动汽车重大科技专项 和氢能源燃料电池领域项目支持下 清华大学汽车安全与节能国家实验室已经自主研发了 5 辆燃料电池城市客车 它们的关键技术指标优于国际主流车型 而造价只有国外平均水平的 1 4 累 计运行里程已超 5 万公里 引起了国内外的广泛关注 他说 这 5 辆采用氢 能燃料电池的公共汽车 以研发燃料电池轿车为主的上海同济大学 自主研 发出的 超越 3 号 燃料电池轿车去年 6 月在第 8 届必比登清洁能源汽车挑战 赛上取得了优异成绩 30 在加紧氢能和燃料电池自主研发的同时 我国还积 极参与国际合作 2003 年 11 月 包括我国在内的 15 个国家和欧盟共同发起 氢能经济国际合作伙伴 计划 以协调和促进世界各国在氢能和燃料电池方面 的研发工作 31 另外 在联合国发展计划署和全球环境基金的资助下 科技 部 北京市和上海市政府联合实施 中国燃料电池公共汽车商业化示范项 目 采用全球招标方式购买了 3 辆燃料电池公共汽车 目前已在北京试运行 精品文档 11欢迎下载 第四章第四章 氢能的应用前景氢能的应用前景 氢能在燃料内燃机 燃料电池汽车以及核能 氢能系统方面都有很大的应用 前景 而按氢能释放形式 化学能和电能 32 可将氢的应用分为直接燃烧和 燃料电池两类 4 1 4 1 氢的直接燃烧利用氢的直接燃烧利用 直接燃烧具体体现在内燃机方面 而现有市场对于利用内燃机的氢的直接 燃烧方法要给予必要的重视和支持 液氢可作为火箭 导弹 汽车 飞机等的燃料 火箭推进器利用液氢和液 氧在火箭发动机燃烧室内燃烧 33 产生 3 000 4 000 K 高温和几十大气压的 蒸汽 以超音速通过火箭尾部喷管喷出 产生巨大推力 美国的阿波罗宇宙飞 船 西欧的阿利亚娜火箭 日本的 H1 火箭及我国的 长征 运载火箭 均以液 氢为燃料 34 氢内燃机可作为燃氢汽车的动力装置 自 20 世纪 70 年代开始 德国宝马 奔驰 日本三菱 美国别林等公司均系统地研究开发了氢内燃机 其中 以德 国宝马公司的研发成果最为卓著 美国福特公司于 1998 年开始研究氢内燃机 其发动机热效率比汽油机约提高 15 氢能飞机的试验早在 1956 年就曾在美 国的 B 57 飞机上获得成功 1973 年 NASA 开始研究超 亚音速液氢飞机的设 计方案 35 洛克希德公司也进行了系统研究 目前已提出对波音 A300 D 10 等类飞机改用液氢燃料的设计方案 4 2 4 2 氢能在燃料电池中的应用氢能在燃料电池中的应用 氢燃料电池是使用氢能的最高级 最有效的方式 氢能发电有多种形式 以燃料电池最为重要 燃料电池是一种将化学能直 接转化为电能 的装置 能量转化效率高达 80 以上 远高于温差电池的 10 和太阳能电池的 20 的转化效率 39 燃料电池的这一独特优点使它被列为未来世界十大科技 之首 作为 高效率 无污染 高效率 适用广 无噪声 具有连续工作和积木 化 等优点的动力装置 氢能燃料电池方面的发展尤为诱人 40 而以氢 为燃烧的燃料电池替代靠热机原理工作的发电机 41 从根本上解决了汽车尾 气对环境的污染问题 开发燃料电池电动汽车技术事在必行 而燃料电池有望成为航天 电动车辆和分散式供电的首选电源 在各种类 型的燃料电池 分别以甲醇 天然气 煤气和氢气等为燃料 中 以氢气为燃料 的质子交换膜燃料电池 PEMFC 最适合应用于电动汽车上 1962 年 杜邦公司 精品文档 12欢迎下载 研制出全氟磺酸膜 20 世纪 80 年代末 美国洛斯 阿拉莫斯国家实验室的研 究人员将质子交换膜的铂催化剂作了大量改进 铂的用量减少了 90 使燃料 电池朝实用化方向迈进了一大步 2001 年 处于全球领先地位的加拿大巴拉德 公司开发出了功率密度高达 l350 W L 的燃料电池组 美国能源部于 l995 年开 始 实施 PEMFC 发展计划 开发用于电动汽车的 PEMFC 42 在美国能源部支 持 Power 公司于 1996 年研制出世界上第一辆以液氢为燃料的 PEMFC 电动汽车 目前 美国 日本 欧洲各国的著名汽车制造厂商皆已加入到燃料电池的 研究开发行列 燃料电池的技术开发竞争激烈 呈现出多极化趋势 戴姆勒克 莱斯勒公司 福特 马自达 沃尔沃等公司与燃料电池生产商巴拉德公司联手 43 丰田 五十铃 菲亚特等联合开发燃料电池技术 两者均宣布投资 10 亿 美元 并准备于近期在市场上推出燃料电池汽车 此外 本田公司单独开发 雷诺与日产公司结伴开发 大众 标致公司与意大利燃料电池商诺拉联手开发 作为氢能的最好的利用方式 燃料电池技术 44 目前有了很大的发展 比如 在汽车方面的应用 目前全世界有大约 200 辆大大小小的燃料电池车在 示范 2005 年 5 月结束的欧洲燃料电池公共汽车的示范也取得很大的成功 30 辆城市燃料电池公共汽车一共行驶 76 万公里 运送乘客 300 万人次 目前看来 燃料电池汽车的实用化还需 15 20 年 也许还会长一些 45 其主要的制约是 价格问题 目前 燃料电池电动汽车的成本太高 为 l000 kW 以上 而普通 汽车发动机的造价约为 50 kW 美国能源部于 2000 年 10 月宣布 由它组织 研制的电动汽车用 PEMFC 电池系统成本已降全 150 kW 其计划目标为 50 kW 最近 美国政府又拨款 17 亿美元 46 开发氢燃料电池电动车 希 望在 20 年内成功开发出具有经济竞争力的氢能车辆 取代目前的燃油汽车 最 基本的目标是 2020 年实现 500 万辆氢燃料电池车上路 47 我国国家科技部于 1997 年批准将燃料电池技术列为国家 九五 计划重大科技攻关项目之一 以 大连化学物理研究所为牵头单位 在研制成功了 30 kW PEMFC 电动汽车 同时 也有氢能基础设施的问题 48 2003 年底成立的 16 个国家与地区的政府机构 氢能经济国际合作伙伴 球髓 也将其商业化的时间表定在 2020 年之后 能 否按期实现 还很难说 有没有近期氢能就可以派上用场的地方昵 答案是肯 定的 最现实的就是刚才上面提到的内燃机的利用 4 3 4 3 氢能在其它领域的应用氢能在其它领域的应用 无论是从能源需求还是从氢能特点考虑 氢能替代能源都具有现实性 除 以上之外氢能在以下行业也都有着不可估量的发展潜力 1 航天航空领域 利用氢和氧化剂发生反应放出的热能使航天事业看到 了新的曙光 例如氢氧发动机 新型大功率运载火箭及动力装置的燃料都是这 一应用的具体体现 而欧盟 CRYOPI ANE 计划更是充分证明了液氢做为未来 航空燃料的技术可行性 鉴于相同重量液氢的能量密度是煤油的 2 8 倍 49 氢燃料对未来航空发展的影响可能是革命性的 此外还有以氢为燃料的燃料电 池供电的电动飞机 火箭发动机 氢内燃机等 2 军事领域 以氢为燃料的燃料电池供电的潜艇 攻击者 军用车 军用机车中 小规模供舰艇蓄电池充电的燃料电池电厂等 50 都体现了氢能 精品文档 13欢迎下载 在军事方面优势 此外氢和氧化剂在催化剂作用下可从电化学反应过程中直接 获取电能及利用氢的热核反应释放出核能 氢弹就是利用了氢的热核反应释放 出的核能 是氢能的一种特殊应用 3 能源领域 以氢为燃料的燃料电池 太阳能一氢能系统 生物质一氢能 系统 51 4 交通运输领域 燃料电池汽车 大巴 各种适用的运载工具包括高尔 夫车 工程车 铲车 卡车 起重车 矿山机车 自行车 摩托等 5 工业领域 近几年来燃料电池发展迅猛 燃料电池 F6AG HAGG FH 技术的诱人前景使我们看到了氢作为能源的可行性 52 氢作为重要的化工原料 在冶金 半导体工业的还原 保护性气体 等离子体 新工艺燃料供给以及新材料制备工艺改进等方面都体现了其使用性 精品文档 14欢迎下载 第五章第五章 氢能开发面临的问题氢能开发面临的问题 由以上特点可以看出氢是一种理想的新型能源 目前 虽然液氢已广泛用 作航天动力的燃料 但氢能大规模的商业应用还面临着两大亟待解决的关键问 题 1 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 因此大规模的廉价的制氢技术是氢能开 发的关键问题之一 2 安全可靠的贮氢和输氢方法 由于氢的扩散能力强 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是开发氢能的关键问题 氢在一般条件下以气态形式存在 且易燃 4 75 易爆 15 59 这就为 储存和运输带来了很大的困难 当氢作为一种燃料时 必然具有分散性和间歇 性使用的特点 因此必须解决储存和运输问题 储氢和输氢技术要求能量密度 大 包含单位体积和质量储存的氢含量大 能耗少 安全性高 3 当作为车载燃料使用 如燃料电池动力汽车 时 应符合车载状况所 需要求 一般来说 汽车行驶 400 km 需消耗汽油 24 kg 而以氢气为燃料则只 需要 8 kg 内燃机 效率 25 或 4 kg 燃料电池 效率 50 60 4 氢是最轻的元素 比液体燃料和其它气体燃料更容易从小孔中泄漏 例如 对于透过薄膜的扩散 氢气的扩散速度是天然气的 3 8 倍 与汽油 丙 烷和天然气相比 氢气具有