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氢能报告大会中科院氢能研究所二〇一五年十二月--21世纪的绿色目录一、氢能概述二、氢气的制备方法三、氢气的储存和运输四、氢能的应用技术五、氢能利用发展现状及趋势主讲：一、氢能概述1、氢气与氧反应放出的能量就是氢能H2+1/2O2=H2O+285.83kj氢气的燃烧热值为121061kj/kg，高于所有化石燃料和生物质燃料。氢成为永恒的能源的原因：氢的资源丰富------氢可从水中提取氢是十分环保的能源------氢燃烧只生成水氢能具有可储存性------这点远远优于电和热氢能的可再生性------氢可由生成的水中提取氢是安全的能源------氢气泄漏后立即升空，不会滞留在地表1.氢的资源丰富-------------水是地球的主要资源，地球70%被水覆盖2.氢来源的丰富性-------也可以从化石能源以及生物质能3.氢是最环保的能源—---排放物只有水4.氢气具有可储存性—---是区别于电和热的主要标志5.氢的可再生性—-------生成水可以继续由水再产生6.氢是和平的能源-------各个国家都有丰富的水7.氢是安全的能源-------密度小，扩散后迅速升空二、氢气的制备方法主讲：二、氢气的制备技术原料效率%商业应用情况蒸汽重整碳氢化合物70~80商业应用部分氧化碳氢化合物60~75商业应用碱性电解水+电50~60商业应用生物质气化生物质35~50商业应用等离子重整碳氢化合物9~85远期水相重整碳氢化合物35~55中期自热重整碳氢化合物60~75近期光催化太阳光+水0.5远期黑暗发酵生物质60~80远期光发酵生物质+太阳光0.1远期微生物电解电池生物质+电78远期PEM电解剂水+电50~70近期固体燃料电池水+电40~60中期分解水水+热未知远期CO+H2O=H2+CO2水煤气法制氢流程框图目前，氢气大多是以石油、天然气和煤为主要原料制取的。（主要用于化工而不是燃料）化石燃料制造氢气的传统方法，会排放大量的温室气体，对环境不利。但是相对于其他制氢方法，化石能源制氢的工艺比较成熟，原料价格相对低廉，对于我国来说，我国的煤储量相对丰丰富，因此利用煤制氢是我国特色的制氢路线。就目前来看，电解水制氢的效率一般为75--85%，其工艺过程简单，无污染，但是能耗太大，因而受到限制。但是可以利用过剩的能源如弃风，来降低成本，也可以通过与其他产品相结合，如氯碱工业使氢气成为而大大降低成本。光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学FujishimaA和HondaK两位教授首次报告发现从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化(heterogeneousphotocatalysis)的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢(简称光解水)的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。4、生物质原料催化裂解氢气生物质气化制氢气体分离气化反应器变换反应空气/水蒸气除生物质气化制氢外，还有生物质热裂解制氢，生物质热裂解油重整制氢，微生物转化技术等多种制氢途径。氢气提纯•无论采用何种原料制备氢气，都只能得到含氢的混合气，需要进一步提纯和精制，以得到高纯氢。•氢气提纯方法较多，但有些方法不适宜用来制备高纯氢，如膜分离法，所得产品纯度低，无法达到高纯氢纯度要求。一些常用的氢气提纯精制方法，如冷凝法、低温吸收法，单独使用时净化所得产品难以达到要求。•目前，用于精制高纯氢的方法主要有：冷凝－低温吸附法、低温吸收－吸附法、变压吸附法、钯膜扩散法、金属氢化物法以及这些方法的联合使用。三、氢气的储存和运输主讲：三、氢的储存和运输•氢的储存是一个至关重要的技术，储氢问题是制约氢经济的瓶颈之一，储氢问题不解决，氢能的应用难以推广。氢是气体，他的输送和储存比固体煤、液体石油更加困难。一般而论，氢气可以以气体、液体、固体、化合物等形态储存。目前，氢的储存方法有一下几种。三.氢能的储存和输送气态压缩高压储氢是最普通和最直接的储氢方式缺点是能耗高，还存在一定的安全问题加压气态储存氢气通过高压绝热膨胀生成液氢。液氢的沸点低,气化潜热小，难以长时间储存，不适合于间歇使用的场合。液化储存三.氢能的储存和输送•一种以金属与氢反应生成金属氢化物而将氢储存的技术。氢可以和许多金属或合金在一定温度和压力下大量吸收氢而生成金属氢化物。•反应有很好的可逆性，适当升高温度和减小压力即可发生逆反应，释放出氢气。金属氢化物储存•由于氢的化学性质活泼，它能与许多非金属元素或化合物作用，生成各种含氢化合物，可作为人造燃料或氢能的储存材料。如氢可与CO催化反应生成烃和醇，与一些不饱和烃加成生成含氢更多的烃，将氢储存其中，还可与氮、硼、硅形成氢化物。非金属氢化物储存1、加压气态储氢•气态压缩高压储氢是最普遍最直接的储氢方式，目前国际上已经有35MPa的高压储氢罐，我国使用容积为40L的钢瓶在15MPa储存氢气，钢瓶螺纹旋转方向与其他钢瓶相反，并涂绿色漆，但是这种钢瓶只能储存6m³，大约0.5kg的气体，效率低下，运输成本高，并存在一定的安全隐患。注：该装置一次可储氢3.1kg，装配于GM的HydroGen3汽车上，行驶里程为170英里。美国QUANTUM公司开发的第4类车用压力储氢装置•高压储存对器具抗压性、防漏性要求较高。因为氢气易燃易爆，所以在储存运输过程中安全性尤为重要！•对高压储气罐的日常维护检修非常重要。•将氢气冷却到-253℃，即可呈液态，然后，将其贮存在高真空的绝热容器中。•液氢贮存工艺首先用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。（2）低温液氢存储：3、金属氢化物储氢•通俗的讲就是利用金属氢化物的特性，调节温度与压力，分解并放出氢气而本身有被还原到金属的原理利用金属氢化物的方法储氢，比压缩氢气和液化氢气都方便的多。4、有机化合物储氢•有机化合物储氢是一种利用有机化合物的催化加氢和催化脱氢反应储放氢的方式。有些有机化合物可作为氢气载体，其储氢率大于金属化合物，而且可以大规模远程输送，适用于长期性的储存和运输，也为燃料电池汽车提供了良好的氢源途径。例如苯和甲苯的储氢量分别为7.14%和6.19%氢化硼钠（NaBH4）、氢化硼钾（KBH4）、氢化铝钠（NaALH4）等络合物通过加水分解反应可产生比起自身含氢量还多的氢气，如氢化铝钠在加热分解后可放出总量高达7.4%的氢。这些络合物是很有发展前景的的新型储氢材料，但是为了使其能得到实际应用还需探索新的催化剂或将现有的钛、锆、铁催化剂进行优化组合以改善材料的低温放氢性能，处理好回收再生的循环系统。。理论上，苯及其衍生物都可以作为有机储氢化合物，且所含苯环越多，单位储氢量越大。+3H2催化剂氢的运输•压缩氢气的运输.压缩氢气可采用高压气瓶，拖车或管道运输，气瓶和管道的材质可直接使用钢材。气瓶的最大压力可达40MPa，容量1.8kg，但不便于运输。•全球用于运输氢气（工业用）的管道总长度已超过1000km，主要位于北美和欧洲（法国、德国、比利时）。操作压力一般为1~3MPa，输氢量310~8900kg/h。德国拥有210km输氢管道，直径0.25m，操作压力2MPa，输氢量8900kg/h。•液态氢气的运输。运输液态氢气最大的优点是能量密度高（1辆拖车运载的液氢相当于20辆拖车运输的压缩氢气），适用于远距离运输（在不适合铺设管道的情况下）。•未来的液氢输送方式还可能包括管道运输，尽管这需要管道具有良好的绝热性能，此外，未来的，液氢（20K）可以起到冷冻剂的作用，这样在输送液氢的同时，还可以无损耗地传输电力。四、氢能的应用技术主讲：1、概述•氢气除作为化工原料以外，还用作燃料，主要使用方式是直接燃烧和电化学转换。氢能在发动机、内燃机内进行燃烧转换成动力，成为交通车辆、航空的动力源或者固定式电站的一次能源；应用燃料电池将氢的化学能量通过化学反应转换成电能。燃料电池可用作电力工业的分布式电源、交通部门的电动汽车电源和微小型便携式移动电源等。目前专门以氢气为燃料的燃气轮机正在研发之中，氢内燃机驱动的车辆也在示范阶段，氢和天然气、汽油的混合燃烧技术已有示范工程。不同种类的燃料电池处于不同的发展阶段。燃气轮机应用范围越来越广，目前在以下几个领域已大量采用燃气轮机：(1)航空领域。由于燃气轮机小而轻，起动快，马力大，因此在航空领域中已占绝对优势。(2)舰船领域。目前燃气轮机已在高速水面舰艇、水翼艇、气垫船等中占压倒优势，在巡航机、特种舰船中得到了批量采用，海上钻采石油平台也广泛采用燃气轮机。(3)陆上领域。在发电方面，燃气轮机主要用于尖峰负荷应急发电站和移动式电站。2、燃气轮机的应用领域•早在第二次世界大战期间，氢即用作A—2火箭发动机的液体推进剂。氢能航空航天•1960年液氢首次用作航天动力燃料。•1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。3、内燃机中的应用略略略重要的事情说三遍现今的燃料电池之星是本田FCXClarity,它使用的是氢燃料电池。氢能汽车宝马氢能7系选择了和本田不同的道路，它使用的是氢燃料内燃机4、燃料电池技术•燃料电池是氢能利用的最理想方式，它是电解水的逆反应。半个多世纪以来，许多国家相继开发了第一代碱性燃料电池（AFC），第二代磷酸型燃料电池（PAFC），第三代熔融盐燃料电池（MCFC），第四代固体氧化物燃料电池(SOFC)，第五代质子交换膜燃料电池（PEMFC）。燃料电池的特点•能量转换效率高•减少污染•特殊场合使用•高度的可靠性•燃料电池的比能量高•辅助系统碱性燃料电池•碱性燃料电池（AFC）是最早获得应用的燃料电池。通常用氢氧化钾或氢氧化钠为电解质，导电离子为OHˉ，燃料为氢。•阳极反应：H2+2OHˉ2H2O+2eˉ标准电极电位为-0.828V•阴极反应：0.5O2+H2O+2eˉ2OHˉ标准电极电位为0.401V•总反应：0.5O2+H2H2O理论电动势为-1.29V磷酸型燃料电池•阳极反应：H22H++2eˉ•阴极反应：O2+4H++4eˉ2H2O•电池总反应为电解水的逆过程2H2+O22H20熔融碳酸盐燃料电池•阴极反应：O2+2CO2+4eˉ2CO32-•阳极反应：2H2+2CO32-2H2O+2CO2+4eˉ•电池总反应：2H2+O22H2O固体氧化物燃料电池•O2+4eˉ2O2-•2O2--4eˉ+2H22H2O•4O2--8eˉ+CH42H2O+CO2•电池总反应：2H2+O22H2OCH4+O22H2O+CO2质子交换膜燃料电池•H22H++2eˉ•0.5O2+2H++2eˉH2O•电池总反应：H2+0.5O2H2O世界上首座氢能源发电站于2010年7月12日在意大利正式建成投产。这座电站位于水城威尼斯附近的福西纳镇。据报道，意大利国家电力公司投资5000万欧元建成这座清洁能源发电站，该发电站功率为16兆瓦，年发电量可达6000万千瓦小时，可满足2万户家庭的用电量，一年可减少相当于6万吨的二氧化碳排放量。该电站7万吨燃料来自于威尼斯及附近城市的垃圾分类回收。五、氢能的发展现状主讲：现状一•目前全世界每年约生产5×1012Nm3氢气，主要用于化学工业，尤以合成氨和石油加工工业的用量最大。90%以上的氢气是以石油、天然气和煤为原料制取的，北美95％的氢气产量来自天然气蒸汽重整。若设想将这些氢气全部作为能源，仅相当于全球年能耗的1.5%。现状二•真正的“氢经济”距离人们的日常生活还比较遥远•主要原因是氢能的大规模利用离不开大量廉价氢的获得和安全、高效的氢气储存与输送技术，以及应用技术的开发。而现阶段的科技水平与这些条件相比尚存在一定差距，急需解决很多技术方面的难题。氢气内燃机车及燃气轮机氢-天然气混合燃料燃料电池电站燃料电池汽车氢能利用现状美国氢能利用路线图2000-20102010-20202020-20302030-2040第一阶段技术、政策和市场开发阶段第二阶