华中科技大学核能课程论文

1、电气学科大类2012级核能与核电原理课程论文 (氢能发展概况)班 级 A班 姓 名 学 号 U201211000 时 间 2015.11.6 审 阅 人 论文成绩 氢能发展概况能源是人类社会发展、生产技术进步的推动力，是人类生存与文明的基础。世界各个发达国家的经验表明，经济发展取决于能源的开发和利用，人均能源消耗已成为衡量一个国家生产水平的重要标志。经济越发达，对能源的需求量也越大；机械化、自动化水平越高，对能源的依赖性也越重要。因此，能源的发展与其他生产力的发展是成正比的，这一点又称为“能源超前规律”。从长远的眼光看，煤、石油、天然气、水力等资源正在逐渐减少。氢能正是一种在常规能源危机的出现

2、、环境污染问题严重以及在开发新的能源的同时人们期待的新的清洁能源。不同于普通民众对核能的恐怖情绪，中国文化中自古有“上善若水”的说法，对于从水中获取氢能普通民众几乎没有抗拒情绪，便于推广。一、 氢能源简介氢，位于元素周期表之首，原子序数为1，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。作为一种理想的新的合能体能源，它具有以下特点：重量最轻：标准状态下，密度为 0.0899g/l，252.7时，可

3、成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。导热性最好：比大多数气体的导热系数高出10倍。普遍元色：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。回收利用：利用氢能源的汽车排出的废物只是水，所以可以再次分解氢，再次回收利用。理想的发热值：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。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

4、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，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损。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。多种形态：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。耗损少：可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损耗减小利用率高：氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。运输方便：氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益

5、优于其他能源。减少温室效应：氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应二、 氢能制造储备技术发展概况氢气制造的方法有很多，电解水制氢、水煤气法制氢、由石油热裂的合成气和天然气制氢以及一些新型制氢方法，如用氧化亚铜做催化剂从水中制氢气、用新型的钼的化合物从水中制氢气、用光催化剂反应和超声波照射把水完全分解的方法、陶瓷跟水反应制取氢气、甲烷制氢气、有机废水发酵法生物制氢气等等。英国科学和技术设施委员会(STFC)的一个研究团队最新研究新方法将氨分解为氢并不使用催化剂，而是由两个同时进行的化学过程完成，最终得到的氢气与使用催化剂一样多，但成本降低很多。然而，目前大规模的廉价的制氢技术以及安全可靠的贮氢和

6、输氢方法仍然是限制氢能源发展的瓶颈。目前氢气储存方法主要有4种：压缩储氢；液化储氢；金属氢化物储氢；碳质吸附储氢。目前大量研究的是物理吸附的方法。加压压缩储氢是最常见的一种储氢技术，通常采用体积大、质量重的钢瓶作为容器，由于氢密度小，故其储氢效率很低，加压到15 MPa 时，质量储氢密度3%。对于移动用途而言，加大氢压来提高携氢量将有可能导致氢分子从容器壁逸出或产生氢脆现象。为解决上述问题，加压压缩储氢技术近年来的研究进展主要体现在改进容器材料和研究吸氢物质这两个方面。对容器材料的改进，目标是使容器耐压更高，自身质量更轻，以及减少氢分子透过容器壁，避免产生氢脆现象等。过去十

7、多年来，在储氢容器研究方面已取得了重要进展，储氢压力及储氢效率不断得到提高，目前容器耐压与质量储氢密度分别可达70 MPa 和78%。所采用的储氢容器通常以锻压铝合金为内胆，外面包覆浸有树脂的碳纤维。这类容器具有自身质量轻、抗压强度高及不产生氢脆等优点。液化储氢技术是将纯氢冷却到20 K，使之液化后装到“低温储罐”中储存。为了避免或减少蒸发损失，储罐做成真空绝热的双层壁不锈钢容器，两层壁之间除保持真空外还放置薄铝箔以防止辐射。该技术具有储氢密度高的优点，对于移动用途的燃料电池而言，具有十分诱人的应用前景。可逆金属氢化物储氢的最大优势在于高体积储氢密度和高安全性，这

8、是由于氢在金属氢化物中以原子形态储存的缘故。但该技术还存在两个突出问题：由于金属氢化物自身质量大而导致其质量储氢密度偏低；金属氢化物储氢成本偏高。碳质吸附储氢技术是近年来根据吸附理论发展起来的物理储氢方法。该方式主要包括活性碳吸附储氢和碳纳米材料吸附储氢。C.Captis 是最早研究在活性碳中吸附储存氢的学者，他们在论文中第一次提到将低温吸附剂运用到大型储氢系统中指出氢气在活性碳中吸附储存的容积密度和液态氢的容积密度相当。三、 世界氢能发展概况近年来随着国际社会对有对全球环境保护和可持续发展问题的日益关注，加上中东局势动荡对能源供给等方面的影响，对氢能与氢经济问题的研究又成为了各国研

9、究的热点。其中美国在这方面走在了世界前列，美国氢能的发展概况如何？美国从2002年开始有加氢站投运，到2009年加氢站一度达到了63座，随后逐年下降，截止2015年7月19日，美国能源部发布的最新数据，目前仅有41座加氢站处于运行之中，有50座处于规划之中，有2座处于临时停用状态。即便是氢能发展最为先进的美国，其发展程度仍然处于早期阶段，具有生产能力有限、储运能力不足、加氢站还十分稀少、市场规模小等问题。2014年日本经济贸易产业省成立的氢能/燃料电池战略协会对外公布了日本的氢能/燃料电池战略发展路线图（以下简称路线图）。在该路线图中，详细描述了日本氢能技术使用三步走的战略，比如燃料电池以及每

10、步走的战略目标。 第一阶段是从当前到2025年，快速扩大氢能的使用范围，旨在将日本户用燃料电池装置的数量分别在2020年和2030年提高到140万台和530万台，2015年燃料电池车加氢站增加到100座。另外，日本氢能/燃料电池战略协会计划在2015年商业化燃料电池车，2016年商业化燃料电池公交，2017年商业化/产业化使用SOFCs（固态氧化物燃料电池）的燃料电池系统。   第二阶段是2020年中期2030年底，全面引入氢发电和建立大规模氢能供应系统，旨在从海外购氢的价格降到30日元/立方米，扩大日本商业用氢的流通网络，全面利用海外未使用的能源生产、

11、运输、存储氢，全方位发展氢发电产业等。 第三阶段从2040年开始，定位是建零二氧化碳的供氢系统建立期，旨在通过收集和储存二氧化碳，全面实现零排放的制氢、运氢、储氢。06年，俄罗斯科学院主席团召开会议讲座俄罗斯氢能技术的发展状况及未来的发展方向。俄罗斯科学院与俄最大的有色金属镍公司签订了长期合作研究开发氢能技术的协议计划。俄科学院副院长、主管氢能技术研究的根纳基麦夏茨院士说，在未来氢能技术领域，俄罗斯的最终目的不是要赶上西方国家，而是要超过西方国家，氢能要成为未来俄罗斯经济发展的基石。俄罗斯科学院与有色金属镍公司氢能技术长期合作研究和开发的协议计划的主要任务，是在俄罗斯建立从氢能技术基

12、础研究到试验开发过程的综合体系；在氢能和燃料电池发展上选择关键研究方向；建立钯中心研究金属钯及其化合物产品的深加工；计划在2-3年研制出进入市场的氢能技术产品。有关专家指出，这项合作协议计划将提交总统科学和高技术政策委员会讨论，极有可能成为俄罗斯国家氢能技术发展规划。俄罗斯要力争在氢能技术领域走到世界前列，将氢能和燃料电池技术作为一个新的高技术增长点，带动俄罗斯在21世纪进入全球经济大国的行列。欧洲氢能源及燃料电池技术平台战略研究议程（Strategic Research Agenda 简称“SRA”）制定出相关的战略建议以尽力发掘出氢能源及燃料电池技术的环保和经济潜能，并促进其投入市场化运营

13、。四、 我国氢能源发展现状中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，氢氧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70年代的事。2003年11月我国加入了“氢能经济国际合作伙伴”(IPHE)，成为其首批成员国之一。在我国新公布的国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)和国家“十一五”科学技术发展规划中都列入了发展氢能和燃料电池的相关内容。氢的规模储运是氢能应用的关键，随着氢制备技术和燃料电池的发展，带动了储氢技术的研究。我国的储氢技术研究集中在金属氢化物储氢、碳纳米管储氢

14、、复杂化合物储氢等几个方面。我国燃料电池研究进展显著，主要侧重质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等3种燃料电池的研究。 由于我国燃料电池研究起步晚、投入少、工业基础差，使我国氢经济相关技术与国外相比有较大的差距，尤其在氢能和燃料电池示范应用方面，还存在较明显的差距，如我国在太阳能制氢、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、燃料电池汽车、氢能基础设施建设、氢能标准、氢能教育等方面刚刚起步或仅做了初步工作。目前，我国已成为世界上氢能和燃料电池最大的潜在消费市场之一，特别是运输方面。到2002年中国已经占有全世界164个燃料电池专利中的2

15、5%。造成这种形势的主要驱动因素是我国必须着手解决因机动车废气排放造成的空气污染。正是由于我国氢经济相关技术研发相对滞后和巨大的发展需求，因而氢经济在我国有较大的发展前景。五、 个人对新能源的认识一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及氢能等作为新能源。新能源的发展契机来源于化石能源的逐年短缺以及人类社会高速发展对能源需求的不断扩大，煤、石油、天然气的可开采量大都不足百年，到22世纪我们的子孙或许面对无能源可用的局面

16、。现在开发新能源不仅是为了子孙后代，也为了决解当今社会由于能源危机影发的一系列社会国际问题，如环境污染，中东地区局势紧张等等。据分析，2001年以来我国能源消费结构并没有发生显著的改变。石化能源，特别是煤炭消费在一次能源消费中一直居于主导地位，所占的比重分别达到九成和六成以上。对于新能源行业而言，认为这为其提供了福音。确实，新能源作为未来的能源发展方向，替代传统能源已经是众多科学家的研究方向并相信这是决解目前能源困境的切实方法，至于在太空中寻找一颗与地球相似的行星目前来说难度太多，即使是探索火星并利用其资源目前50年内也是相当困难的。新能源也是人类未来深空探索的保障，终究有一天人类是能够从太阳系中脱出，走向外太空，但是这之前必定是新能源作为奠基石。新能源的前景十分诱人，目前从一些关于新能源公司的股票价格飞扬，更多的闲散资金纷纷投入新能源以及环保行业便能看出即使是大众百姓对新能源也是看好的。地球上大部分面积被海水覆盖，其中储存的氢能源以及核聚变能一旦开发利用出来，将会使人类在找到下一颗可居住行星之前有充足的能源供给，更何况还有太阳能、风能、生物质能等等一系列新能源。不过目前还没用一种新能源是可以大