新能源之氢能专题培训课件.ppt
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1、氢能概述氢能概述氢的特点氢的特点氢的利用氢的利用氢经济氢经济氢的制取氢的制取氢的储存与运输氢的储存与运输二次能源又可分为两类:二次能源又可分为两类:过程性能源过程性能源 (水能、风能、电能(水能、风能、电能)含能体能源含能体能源 (汽油、柴油(汽油、柴油 )一次能源能源用户二次二次能源能源一、氢能概述一、氢能概述由于目前由于目前“过程性能源过程性能源”尚不能大量地尚不能大量地直接贮存,因此汽车、轮船、飞机等机直接贮存,因此汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通运输工具就只能采用动性强的现代交通运输工具就只能采用像柴油、汽油这一类像柴油、汽油这一类“含能体能源含能体能源”。随着常规能源危机的出现,
2、在开发新的随着常规能源危机的出现,在开发新的一次能源的同时,人们将目光也投向寻一次能源的同时,人们将目光也投向寻求新的求新的“含能体能源含能体能源”,氢能氢能正是一种正是一种人们期待的新的二次能源。人们期待的新的二次能源。21世纪最有前途的能源有两种:世纪最有前途的能源有两种:氢能氢能受控核聚变能受控核聚变能二、氢的特点二、氢的特点氢位于元素周期表之首,它的原子序数氢位于元素周期表之首,它的原子序数为为1 1,在常温常压下为气态,在超低温高,在常温常压下为气态,在超低温高压下又可成为液态。压下又可成为液态。1/27/202451)所有元素中,氢重)所有元素中,氢重量最轻。量最轻。2)所有气体中
3、,氢气)所有气体中,氢气的导热性最好,比大的导热性最好,比大多数气体的导热系数多数气体的导热系数高出高出10倍,因此在能倍,因此在能源工业中氢是极好的源工业中氢是极好的传热载体。传热载体。3)氢是自然界存在最)氢是自然界存在最普遍的元素,据估计普遍的元素,据估计它构成了宇宙质量的它构成了宇宙质量的75%,除空气中含有,除空气中含有氢气外,它主要以化氢气外,它主要以化合物的形态贮存于水合物的形态贮存于水中,而水是地球上最中,而水是地球上最广泛的物质。广泛的物质。4)除核燃料外氢的发热值)除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,料和生物燃料中最高的,每
4、千克氢燃烧后能放出每千克氢燃烧后能放出142.35千焦的热量,约为千焦的热量,约为汽油的汽油的3倍,酒精的倍,酒精的3.9倍,倍,焦炭的焦炭的4.5倍。倍。5)氢燃烧性能好,点燃快,)氢燃烧性能好,点燃快,与空气混合时有广泛的可与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃燃范围,而且燃点高,燃烧速度快。烧速度快。6)氢本身无毒,与其)氢本身无毒,与其他燃料相比氢燃烧时最他燃料相比氢燃烧时最清洁,除生成水和少量清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害粉尘颗粒等对环境有害的污染物
5、质,而且燃烧的污染物质,而且燃烧生成的水还可继续制氢,生成的水还可继续制氢,反复循环使用。反复循环使用。7)氢能利用形式多,)氢能利用形式多,既可以通过燃烧产生既可以通过燃烧产生热能,又可以作为能热能,又可以作为能源材料用于燃料电池,源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用作或转换成固态氢用作结构材料。结构材料。8)氢可以以气态、液)氢可以以气态、液态或固态的金属氢化态或固态的金属氢化物出现,能适应贮运物出现,能适应贮运及各种应用环境的不及各种应用环境的不同要求。同要求。氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输送性量轻和储存及输送性 能好、应用形式多等
6、能好、应用形式多等诸多优点,赢得了人们的青睐。诸多优点,赢得了人们的青睐。燃烧氢气能燃烧氢气能发电发电氢燃料电池氢燃料电池氢能氢能航空航天航空航天氢能汽车氢能汽车氢能氢能氢能汽车氢能汽车三、氢的利用三、氢的利用氢能航空航天氢能航空航天氢燃料电池氢燃料电池燃烧氢气能发电燃烧氢气能发电氢能汽车:氢能汽车:氢能汽车可有两种形式:氢能汽车可有两种形式:通过内燃机燃烧氢产生动能,此时的通过内燃机燃烧氢产生动能,此时的燃料可以是纯氢,也可以是氢与天然气的混燃料可以是纯氢,也可以是氢与天然气的混合物。合物。以氢为原料的燃料电池作为汽车的动以氢为原料的燃料电池作为汽车的动力,即现在我们所说的氢燃料电池汽车。力
7、,即现在我们所说的氢燃料电池汽车。在交通运输方面,美、德、法、日等汽在交通运输方面,美、德、法、日等汽车大国早已推出以氢作燃料的示范汽车,车大国早已推出以氢作燃料的示范汽车,并进行了几十万公里的道路运行试验。并进行了几十万公里的道路运行试验。试验证明,以氢作燃料的汽车在经济性、试验证明,以氢作燃料的汽车在经济性、适应性和安全性三方面均有良好的前景,适应性和安全性三方面均有良好的前景,但目前仍存在贮氢密度小和成本高两大但目前仍存在贮氢密度小和成本高两大障碍。障碍。福特汽车领先投产氢燃料内燃机福特汽车领先投产氢燃料内燃机目前制造一辆燃料目前制造一辆燃料电池车的花费大约电池车的花费大约是普通汽车成本
8、的是普通汽车成本的100倍左右,只有倍左右,只有那些为批量上市而那些为批量上市而生产的车型才能产生产的车型才能产生经济效益,但其生经济效益,但其成本仍然是普通汽成本仍然是普通汽车成本的车成本的10倍。倍。氢能航空航天:氢能航空航天:早在第二次世界大战早在第二次世界大战期间,氢即用作期间,氢即用作A2A2火箭发动机的液体推火箭发动机的液体推进剂。进剂。19601960年液氢首次用年液氢首次用作航天动力燃料。作航天动力燃料。19701970年美国发射的年美国发射的“阿波罗阿波罗”登月飞登月飞船使用的起飞火箭船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领现在氢已是火箭领域的常用
9、燃料了。域的常用燃料了。现在科学家们正在研究一种现在科学家们正在研究一种“固态氢固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料,又作为飞船的动力燃料。在飞行材料,又作为飞船的动力燃料。在飞行期间,飞船上所有的非重要零件都可以期间,飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而转作能源而“消耗掉消耗掉”。这样飞船在宇。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。宙中就能飞行更长的时间。氢的能量密度很高,是普通氢的能量密度很高,是普通汽油的汽油的3 3倍,这意味着燃料倍,这意味着燃料的自重可减轻的自重可减轻2 23 3,这对,这对航天飞机无疑是极为有利的。航天飞机无疑是极为有利的
10、。今天的航天飞机以氢作为发今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂,以纯氧作为动机的推进剂,以纯氧作为氧化剂,液氢就装在外部推氧化剂,液氢就装在外部推进剂桶内,每次发射需用进剂桶内,每次发射需用1450m1450m3 3,重约,重约100t100t。在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年,目前已进动力燃料的研究已进行多年,目前已进入样机和试飞阶段。入样机和试飞阶段。德国戴姆勒德国戴姆勒-奔驰航空公司和俄罗斯航空奔驰航空公司和俄罗斯航空公司已从公司已从1996年开始进行试验,证实在年开始进行试验,证实在配备有双发动机的喷气机中使用液氢,配备有双发
11、动机的喷气机中使用液氢,其安全性有足够的保证。其安全性有足够的保证。由于液态氢的工作温度为由于液态氢的工作温度为253253,因此,因此必须改进目前的飞机燃料系统。必须改进目前的飞机燃料系统。氢燃料电池:氢燃料电池:燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的这种装置的最大特点是由于反应过程中是由于反应过程中不涉及到燃烧,因此其能量转换效率不不涉及到燃烧,因此其能量转换效率不受受“卡诺循环卡诺循环”的限制,其能量转换率的限制,其能量转换率高达高达60%60%80%80%,实际使用效率则是普,实际使用效
12、率则是普通内燃机的通内燃机的2 23 3倍。倍。氢燃料电池工作原理:氢燃料电池工作原理:工作时给负极供给燃料工作时给负极供给燃料(氢氢),给正极供给氧化,给正极供给氧化剂剂(空气空气)。氢在负极分解成正离子氢在负极分解成正离子H和电子和电子e-:2H24H+4e,氢,氢离子进入电解质中,而离子进入电解质中,而电子则沿外部电路电子则沿外部电路(含含负载负载)移向正极。移向正极。氧在正极获得氢离子和氧在正极获得氢离子和电子反应为水:电子反应为水:O2+4H+4e-2H2O。氢燃料电池工作原理:氢燃料电池工作原理:采采用用氢氢燃燃料料电电池池的的实实验验车车氢燃料电池的应用:氢燃料电池的应用:把化学
13、能直接转化为电能供机械应用把化学能直接转化为电能供机械应用在旧金山召开的英特尔开发商论坛上,在旧金山召开的英特尔开发商论坛上,千年电池公司向人们展示了一台运行原千年电池公司向人们展示了一台运行原型氢燃料电池的电脑。目前绝大多数笔型氢燃料电池的电脑。目前绝大多数笔记本电脑在电池充满情况下可工作三到记本电脑在电池充满情况下可工作三到四小时。四小时。迄今,千年电池的迄今,千年电池的工作时间仅有三小工作时间仅有三小时,但是公司的开时,但是公司的开发目标是将电池性发目标是将电池性能提高到八小时。能提高到八小时。氢燃料电池展示:氢燃料电池展示:东东芝芝燃燃料料电电池池本本本本亮亮相相燃烧氢气能发电:燃烧氢
14、气能发电:利用氢气和氧气燃烧,组成氢氧发电机利用氢气和氧气燃烧,组成氢氧发电机组。组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机,它不需要复杂的蒸汽锅炉系统,因机,它不需要复杂的蒸汽锅炉系统,因此结构简单,维修方便,启动迅速,要此结构简单,维修方便,启动迅速,要开即开,欲停即停。开即开,欲停即停。在电网低负荷的,还可吸收多余的电来在电网低负荷的,还可吸收多余的电来进行电解水,生产氢和氧,以备高峰时进行电解水,生产氢和氧,以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。有利的。另外,氢和氧还可直接改变常规火力发另外,氢和氧还可直接
15、改变常规火力发电机组的运行状况,提高电站的发电能电机组的运行状况,提高电站的发电能力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电,利力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电,利用液氢冷量发电装置,进而提高机组功用液氢冷量发电装置,进而提高机组功率等。率等。氢经济(氢经济(HydrogenEconomy)一词,)一词,为美国通用汽车公司(为美国通用汽车公司(GeneralMotors)于)于1970年发生第一次能源危年发生第一次能源危机时所创,主要为描绘未来氢气取代石机时所创,主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后,整油成为支撑全球经济的主要能源后,整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市个氢能源生产、配送、
16、贮存及使用的市场运作体系。场运作体系。四、氢经济四、氢经济但随后二十年间中东形势趋缓、原油价格但随后二十年间中东形势趋缓、原油价格下跌,石油依旧成为交通运输业的首要选下跌,石油依旧成为交通运输业的首要选择,因此对于氢经济发展的相关研究渐少。择,因此对于氢经济发展的相关研究渐少。直到直到1990年代末期气候变化(全球变暖等)年代末期气候变化(全球变暖等)问题引起重视以后,氢能与氢经济又再度问题引起重视以后,氢能与氢经济又再度成为世界各国研究的热点。成为世界各国研究的热点。(1)美国氢经济发展战略:)美国氢经济发展战略:美国在美国在1990年就通过了氢能研究与发展、年就通过了氢能研究与发展、示范法
17、案。示范法案。美国能源部美国能源部(DOE)启动了一系列氢能研究启动了一系列氢能研究项目。项目。2001年以来,美国政府将发展氢年以来,美国政府将发展氢能作为其能源政策的一个重要方面,先能作为其能源政策的一个重要方面,先后制定了多项氢能研究计划,以实现向后制定了多项氢能研究计划,以实现向氢经济的过渡。氢经济的过渡。2004年年2月,美国能源部出台了氢态月,美国能源部出台了氢态势计划:综合研究、开发和示范计划。势计划:综合研究、开发和示范计划。氢经济必须经历氢经济必须经历4个相互重叠、关联的阶个相互重叠、关联的阶段:段:技术研发与示范技术研发与示范(20002015年年)前期市场渗透前期市场渗透
18、(20102025年年)基础设施建设与投资基础设施建设与投资(20152035年年)氢经济实现氢经济实现(20252040年年)确定了在发展氢经济的初始阶段的技术确定了在发展氢经济的初始阶段的技术研究、开发与示范的具体内容和目标,研究、开发与示范的具体内容和目标,以及相关的后续行动等。该计划明确提以及相关的后续行动等。该计划明确提出美国将于出美国将于2040年实现向氢经济的过渡。年实现向氢经济的过渡。(2)氢经济循环过程:)氢经济循环过程:氢能在化工、航空航天、交通运输、供氢能在化工、航空航天、交通运输、供热、供电等方面有着广泛的应用空间。热、供电等方面有着广泛的应用空间。氢主要有两种转化应用
19、的方式,以燃烧氢主要有两种转化应用的方式,以燃烧的形式在发动机中使用,以化学作用的的形式在发动机中使用,以化学作用的形式在燃料电池中使用。形式在燃料电池中使用。制取储存应用运输(3)氢的转化利用:)氢的转化利用:转化技术转化技术 应用应用 燃烧燃烧 气体涡轮机气体涡轮机分布式电站分布式电站组合式取暖和电力组合式取暖和电力中央电站中央电站 往复式发动机往复式发动机 车辆车辆分布式电站分布式电站组合式取暖和电力组合式取暖和电力便携式电源便携式电源 燃料电池燃料电池 质子交换膜质子交换膜 车辆车辆分布式电站分布式电站组合式取暖和电力组合式取暖和电力便携式电源便携式电源 碱性电解质碱性电解质 车辆车辆
20、分布式电站分布式电站 磷酸磷酸分布式电站分布式电站组合式取暖和电力组合式取暖和电力 熔融碳酸盐熔融碳酸盐 分布式电站分布式电站组合式取暖和电力组合式取暖和电力 固体氧化物固体氧化物 卡车卡车APVAPV分布式电站分布式电站组合式取暖和电力组合式取暖和电力 氢能与氢能经济氢能与氢能经济氢能系统氢能系统转换转换储存储存输运输运化石原料制备化石原料制备COCO2 2处理处理可再生能源制备可再生能源制备应用应用氢能是一种二次能源,在人类生存的地氢能是一种二次能源,在人类生存的地球上,虽然氢是最丰富的元素,但自然球上,虽然氢是最丰富的元素,但自然界中氢多以化合物的形式的存在,氢气界中氢多以化合物的形式的
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