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  • 氢能源

    氢能源是一种二次能源,它是通过一定的方法利用其它能源制取的,而不像煤、石油、天然气可以直接开采,今下几乎完全依靠化石燃料制取得到,如果能回收利用工程废氢,每年大约可以回收到大约1亿立方米,这个数字相当可观。氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 氢能源 英文名: Hydrogen energy
    环保: 环保型能源 类别: 二次能源

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    特点/氢能源 编辑

    氢能源系统氢能源系统
    氢能是公认的清洁能源,作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪,我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划,并且目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展,在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一,也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。
    当今世界开发新能源迫在眉睫,原因是所用的能源如石油、天然气、煤,石油气均属不可再生资源,地球上存量有限,而人类生存又时刻离不开能源,所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加,其储量日益减少,终有一天这些资源、能源将要枯竭,这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时,人们期待的新的二次能源。 氢位于元素周期表之首,原子序数为1,常温常压下为气态,超低温高压下为液态。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。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。
    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。

    环境无污染/氢能源 编辑

    燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

    氢燃料电池无噪声

    燃料电池运行安静,噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装,或是在室外对噪声有限制的地方。

    氢燃料电池高效率

    燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。

    燃料电池区别/氢能源 编辑

    干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外,氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成,这是氢燃料电池的一项关键技术,它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面,还要对电池的化学反应起催化作用。

    应用领域/氢能源 编辑

    氢燃料电池航天领域
    工作示意图工作示意图

    20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

    大型电站,无论是水电、火电或核电,都是把发出的电送往电网,由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同,电网有时呈现为高峰,有时则呈现为低谷,这就会导致停电或电压不稳。另外,传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上,燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,能量转换率可达60%~80%,而且污染少、噪音小,装置可大可小,非常灵活。

    氢的化学特性活跃,它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后,形成一种金属氢化物,其中有些金属氢化物的氢含量很高,甚至高于液氢的密度,而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解,并把所吸收的氢释放出来,这就构成了一种良好的贮氢材料。

    氢燃料电池汽车应用
    福田氢燃料电池客车福田氢燃料电池客车

    20辆中国自主研制的氢燃料电池轿车在同济大学新能源汽车工程中心举行赴京发车仪式,它们将在奥运会中投入运营。这20辆氢燃料电池轿车是基于大众帕萨特领驭车型,通过改制和集成最新一代燃料电池轿车动力系统平台而成功研发出来的。它们以氢气为能源,经氢氧化学反应生成水,真正实现零污染。氢燃料电池轿车加一次氢可跑300多公里,时速达每小时140~150公里。氢燃料电池轿车比同类型内燃机车重200多公斤,贵5倍以上。

    氢燃料电池车的工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜的,这个电子,只能经外部电路,到达燃料电池阴极板,从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水(蒸气)带走,就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60~80%,为内燃机的2~3倍。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车,氢燃料是完美的汽车能源。

    氢燃料电池车的优势毋庸置疑,劣势也是显而易见。随着科技的进步,曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善,然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍,这个价格是市场所难以承受的。

    据悉,这批氢燃料电池车,最大输出功率高达60千瓦,燃料消耗仅为每百公里1.2公斤氢气,大约相当于4升93号汽油。

    英国政府将大力发展氢燃料电池汽车,计划在2030年之前使英国氢燃料电池车保有量达到160万辆,并在2050年之前使其市场占有率达到30%-50%。政府将从2015年起实现氢燃料电池汽车本土化生产,并自行研发相关技术,另外还将建设氢燃料补给站。 

    目前丰田汽车公司已经将燃料电池的成本大幅降低, 整车价格控制在6.9万美元(40万人民币), 可提供100KW动力输出, 续航能力达到700公里. 并将在北美和日本本土上市, 上市时间为2015年上半年。

    氢燃料电池飞机应用

    工作原理

    燃料电池(Fuel Cell),是一种发电装置,但不像一般非充电电池一样用完就丢弃,也不像充电电池一样,用完须继续充电,燃料电池正如其名,是继续添加燃料以维持其电力,所需的燃料是“氢”,其之所以被归类为新能源,原因就在此。燃料电池的运作原理(如图1),也就是电池含有阴阳两个电极,分别充满电解液,而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入,氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用,使得阳极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron),其中质子被氧‘吸引’到薄膜的另一边,电子则经由外电路形成电流后,到达阴极。在阴极催化剂之作用下,质子、氧及电子,发生反应形成水分子,因此水可说是燃料电池唯一的排放物。燃料电池所使用的“氢”燃料可以来自于水的电解所产生的氢气及任何的碳氢化合物,例如天然气、甲醇、乙醇(酒精)、沼气等等。由于燃料电池是经由利用氢及氧的化学反应,产生电流及水,不但完全无污染,也避免了传统电池充电耗时的问题,是目前最具发展前景的新能源方式,如能普及并应用在车辆及其他高污染之发电工具上,将能显著减轻空气污染及温室效应。

    时速百公里

    氢燃料电池飞机氢燃料电池飞机

    波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。波音公司称这在世界航空史上尚属首次,预示航空工业未来更加环保。但波音承认,这一技术不太可能为大型客机提供主要动力。

    波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奥卡尼亚镇进行试飞氢燃料电池飞机,成功试飞具有历史意义。 小型飞机起飞及爬升过程使用传统电池与氢燃料电池提供的混合电力。爬升至海拔1000米巡航高度后,飞机切断传统电池电源,只靠氢燃料电池提供动力。飞机在1000米高空飞行了约20分钟,时速约100公里。这一技术对波音公司意义重大,也让航空工业的未来“充满绿色希望”。

    小型飞机由奥地利“钻石”(Diamond)双座螺旋桨动力滑翔机改装而成,飞机内安装了质子交换膜燃料电池和锂离子电池。小型飞机翼展16.3米,机身长6.5米,重约800公斤,可容纳两人。试飞过程中,机上只有飞行员一人。

    在机舱内,传统电池安放于唯一的乘客座位上,飞行员背后有一个类似潜水员使用的氧气罐。波音公司说,这架飞机连续飞行时间最长45分钟,“不会产生任何噪音”。氢燃料电池通过氢转化为水的过程产生电流,不产生温室气体。除热量外,水蒸气是氢燃料电池产生的唯一副产品。

    波音的氢燃料电池飞机带来技术突破,但“波音(欧洲)研究与技术”部称,。这一技术可能为大型飞机提供辅助动力,但这需要技术突破。

    技术局限性

    在燃料价格上涨、环境污染与全球变暖的情况下,对更清洁、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增长。

    波音的氢燃料电池飞机带来技术突破,但波音(欧洲)研究与技术部负责人埃斯卡蒂说,氢燃料电池可以为小型飞机提供飞行动力,但不能为大型客机提供主要动力。

    波音公司负责试飞工作的工程师涅韦斯·拉佩纳说,这一技术可能为大型飞机提供辅助动力,但这需要技术突破。波音公司说,将继续开发氢燃料电池的潜力,以改善环境。

    国际能源机构说,推广使用氢气和氢燃料电池,可减少石油、天然气、煤炭这三种可产生温室气体的能源消耗。

    发展现状/氢能源 编辑

    q氢能源

    据储能国际峰会获悉,作为真正意义上“零排放”的清洁能源,氢燃料电池在发达国家的应用正在提速。日本将于2015年前建成100座加氢站,已建成13座,欧盟在近期通过了增加燃料电池巴士项目;现代汽车ix35燃料电池车批产型号已于2012年3月下线,并计划2015年起大批量生产。这表明燃料电池已从实验室真正走向产业化,与锂电池相比,它更具有零污染优势。

    美国能源部在对外表示,韩国汽车制造商现代汽车、德国汽车制造商奔驰、日本车企日产汽车和丰田汽车已经与该部门达成了协议,将准备推出首轮氢动力汽车。这一公共部门与私人企业合作模式将会把关注的重点放在氢能源基础设施的构建上,且将会把这个命名为H2USA。

    韩国现代汽车在蔚山工厂举行了氢燃料电池电动车量产仪式,从本月末起将正式生产途胜ix氢燃料电池电动车。

    在欧洲层面上,荷兰、丹麦、瑞典、法国、英国与德国六国已经达成共同开发推广氢能源汽车的协议,各国将一同建设一个欧洲氢气设施网络,并协调能源传输。

    英国政府提出,将大力发展氢燃料电池汽车,其计划2030年之前英国氢燃料电池车保有量达到160万辆,并在2050年之前使其市场占有率达到30%-50%。

    我国首辆氢燃料电池电动机车历时四年终于研制成功,可以用于工业领域,比如矿山牵引车。另外,08年奥运会期间我国自主研制的20辆氢燃料电池轿车投入运营,为首批获得国家上路许可证的燃料电池汽车,同济大学参与研制。

    2010年6月30日,山东东岳集团向全世界宣告,中国自主研发的氯碱用全氟离子膜、燃料电池膜实现国产化。历经8年科研攻关,打破了美国、日本长期对该项技术的垄断。与此同时,“东岳”完成的用于制造燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜的年产500吨的生产装置已经建成投产,解决了氢燃料电池生产的重大瓶颈,中国由此成为世界上第二个拥有该项技术和产业化能力的国家。

    日本电子零件商罗姆与Aqua Fairy和京都大学联合研发的“高能氢燃料电池”,预定将于明年春季正式上市。这种新型电池是通过氢化钙和水之间发生的化学反应产生电力,一块体积不到3立方厘米的燃料电池可以产生5瓦时的电力。可广泛用于包括智能手机在内的多种电子设备,或是在紧急情况下提供后备电力  供应。

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    化工能源科学

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