氢能
氢能 常规矿物燃料的利用方式有两大弊病:一是燃料中的化学能需要通过燃烧转换为热能后,才 可以进一步转换为机械能或电能,受限于热力学和目前的技术水平,发电效率仍然只有35%左右。 二是燃烧过程中产生大量的废水、废气、废渣,污染环境。为此,人们迫切需要寻找洁净能源, 何况常规矿物燃料正在逐渐的消耗殆尽。在人们探索的众多的新能源中,氢能以其热值高、无污 染、不产生温室效应气体等独特优点,正在受到越来越多的关注。氢能将成为二十一世纪理想的 二次能源
最早人类使用木材燃烧的时候,碳氢比是10:1,当使用煤炭后,碳氢比是1:1,使用汽油后, 碳氢比为1:2,而使用天然气后,碳氢比为1:4。因此,从人类使用能源的历史来看,使用氢能 是一个必然的方向。 在宇宙中氢是最丰富的物质。然而,在地球上自然存在的氢单质(如氢气)数量极少。氢在 自然界多以化合物形态出现。化合态氢的最常见形式是水和有机物(如;石油、煤炭、天然气及 生命体等)。因此,欲获得大量的单质氢只有依靠人工制取。其中,天然气、石油、煤炭、生物 质能及其它富氢有机物等,都是氢的有效来源。氢的最大来源是水,特别是海水,9吨水可以生 产出1吨氢(及8吨氧),而且氢与氧的燃烧产物就是水,因而,水可以再生。由此可见,以水 为原料制氢,可使氢的制取和利用实现良性循环,取之不尽,用之不竭。同样,核聚变的材料 氢的同位素也是非常丰富的
氢除了资源丰富外,热值高,每千克氢燃烧后能放出14235kJ的热量,约为汽油的3倍,酒 精的39倍,焦炭的45倍。而且,氢燃烧的产物是水,对环境无任何污染。氢适用范围广,以 氢作为能源的燃料电池既可用于汽车、飞机、宇宙飞船,又可用于其他场合供能。 但是,由于氢以水、烃类化合物等形态存在,所以,首先需要通过一定的方法制取氢气,才 能加以利用。因此,大量且低成本的制氢技术是目前硏究的重点。另外,由于气态氢气能量密度 低,且易燃易爆,所以,安全地储藏、运送、使用氢技术的开发,也是氢能推广应用的关键
制氢技术可以归纳为四大类:水制氢、矿物燃料制氢、生物质制氢和其他方式制氢。 水制氢技术分为电解水制氢、热化学制氢和高温热水解制氢。矿物燃料制氢又可分为煤制氢、 气体燃料制氢和液体燃料制氢。生物质制氢可分为微生物转换技术和热化工转换技术。 电解水制氢技术是目前比较成熟的方法之一。以水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆 过程。因此,只要提供一定形式的能量,则可使水分解成氢气和氧气。提供电能使水分解制得氢 气的效率一般在75%-85%。其中工艺过程比较简单,也不会产生污染,但消耗电量大。因此, 其应用受到一定的限制。目前电解水的工艺、设备均在不断的改进,但电解水制氢能耗仍然很高。 为了寻求经济实用的制氢方法,各国科学家正在努力探索。近年来已经取得了一些进展。如: 用氧化亚铜作催化剂从水中制氢气、用新型的钼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、从微生物中提取的酶制氢气、 从细菌制取氢气、用绿藻生产氢气等
氢作为能源利用包括三个方面:直接燃烧、热核反应及燃料电池。液态氢可作为火箭、导弹、 汽车、飞机的燃料,如美国的阿波罗宇宙飞船、西欧的阿利亚娜火箭、我国的长征运载火箭等均 以液态氢为燃料。我国早已试验成功的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。作为燃氢汽车的动力装置—氢内燃机的热效率比汽油约提高15% 氢能发电有多种形式,以燃料电池最为重要。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反 应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧,因此其能量转 换效率不受"卡诺循环"的限制,其能量转换率高达60%-80%,实际使用效率则是普通内燃机的 2~3倍。燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的 动力装置。预期燃料电池会在国防和民用电、汽车、通信等多领域发挥重要作用
早在1839年,英国人 W. Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理,这就是最早的氢-氧燃 料电池。但直到20世纪60年代初,由于航天和国防 的需要,才开发了液氢和液氧的小型燃料电池,应用 解 于空间飞行和潜水艇。近二三十年来,由于一次能源 氧气 的匮乏和环境保护的突出,要求开发利用新的清洁再 生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境 电电水二 污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物 催 能源部长助理克西格尔说:“燃料电池技术在21世纪 阳极 阴极 上半叶在技术上的冲击影响,会类似于20世纪上半叶 内燃机所起的作用。” 节燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜组成。 燃料在阳极氧化,氧化剂在阴极还原,燃料电池输出 负载 的电压等于阴极与阳极之间的电位差,见图3-2-22。 燃料电池与普通电池不同,它的燃料和氧化剂不 图3-2-22燃料电池工作原理 是储存在电池内,而是储存在电池外的容器内。当燃料电池工作时,燃料和氧化剂不断输给燃料 电池,并由燃料电池排出反应气体。最常用的燃料是纯氢、各种富含氢气的气体和某些甲醇水溶 液。常用的氧化剂有纯氧、净化空气、氧化氢、硝酸水溶液等
根据电解质的不同,燃料电池可分为:碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电 池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物燃料电池等。 我国实施可持续发展战略,积极推动包括氢能在内的洁净能源的开发和利用。近年来,在氢 能领域取得了多方面的进展。我国已初步形成一支由高等院校、中国科学院及石油化工等部门为 主的从事氢能研究、开发和利用的专业队伍。在国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中 国科学院和中国石油天然气集团公司的支持下,这支队伍承担着氢能方面的国家自然科学基金基 础硏究项目、国家“863”高技术研究项目、国家重点科技攻关项目及中国科学院重大项目等。 科研人员在制氢技术、储氢材料和氢能利用等方面进行了开创性工作,拥有一批氢能领域的知识 产权,其中,有些研究工作已达到国际先进水平
煤层气
煤层气
煤层气开发 煤层气俗称煤矿瓦斯,是一种以吸附状态为主,生成并储存在煤系地层中的非常规天然气。 煤层气的主要成分是甲烷,低热值为3.43~3.71M№m3,可以用作民用燃料,也可以用于发电和 汽车燃料,还是化工产品的上等原料,具有很高的经济价值。是近20年来崛起的新型洁净能源。 作为气体能源家族三大成员之一,与天然气、天然气水合物的勘探开发一样,日益受到世界各国 的重视。 煤层气一直以来被看作是对煤矿开采造成严重安全威胁的有害气体。煤层气的主要成分甲烷 是具有强烈温室效应的气体,其温室效应要比二氧化碳大20倍,散发到大气中的甲烷污染环境, 导致气候异常,同时甲烷消耗大气平流层中的臭氧,而臭氧减少使照射到地球上的紫外线增加, 形成烟雾,还可诱发某些疾病,危害人类健康。因此,对煤层气的合理利用既可以缓解当前能源 短缺的状况,改善能源结构,又可以降低温室气体排放,提高煤矿生产的安全性并带动相关产业 的发展