手机版 | 上岸-检查更多论文 | 我要注册 | 留言-求论文 | 设首页 | 加收藏 | 新华字典 |
以后地位: 快活牛牛终究版技能 > 工程论文 > 材料工程论文 > 文章 以后地位: 材料工程论文 > 文章

新型含能体动力:氢能及储氢技巧的最新停顿

时间:2020-04-10    点击: 次    来源:搜集转载    作者:佚名www.keyikao.com - 小 + 大年夜

   论文 关键词:氢能  制氢技巧  储氢技巧

  论文摘要:氢能是21世纪处理化石动力危机懈弛解情况污染成绩的绿色动力。完成氢能的应用,氢的储运是今朝要处理的关键成绩。文章综述了氢气制备技巧和储备技巧的最新研究停顿,并商量了制氢与储氢技巧的关键成绩。最后对进一步的研究停顿停止展望,提出了可供研究的课题偏向。

  0  引言

  资本增添、动力缺乏、情况污染日趋严重。为了我国 经济 可持续 生长 的计谋国策,寻觅干净的新动力和可再生动力来替换化石动力曾经迫在眉睫。氢能以其热值高、无污染、来源丰富等长处,愈来愈遭到人们的看重,被称为21世纪的幻想动力。是人类可以或许从 天然 界获得的、储量异常丰富并且高效的含能体动力。

  作为动力,氢能具有没有可比较的潜伏开辟价值:氢是天然界最广泛存在的元素,它重要以化合物的形状贮存于水中,而水是地球上最广泛的物质;除核燃料外,氢的发热值在一切化石燃料、化工燃料和生物燃估中最高;氢熄灭性能好,扑灭快,与空气混应时有广泛的可燃范围,并且燃点高,熄灭速度快;氢本身无毒,与其他燃料比拟氢熄灭时最干净。氢能应用情势多,既可以经过过程熄灭产生热能,在热力发动机中产活力械功,又可以作为动力材料用于燃料电池,或转换成固态氢用作构造材料。用氢代替煤和石油,不需对现有的技巧设备作严重年夜的改革,如今的内燃机略加改装便可应用。一切气体中,氢气的导热性最好,比大年夜多半气体的导热系数赶过10倍,在动力 工业 中氢是极好的传热载体。wWw.收费论文网http://kmteckels.com(热论文) http://www.keyikao.com(收费在线测验,收费搜答案,看解析).COm所以,研究应用氢能已成为国表里学者研究的热点[1、2、3、4]。

  1国表里氢能生长状况
  2003年11月19-21日在美国首都华盛顿欧米尼·西海姆大年夜酒店举办“国际氢能经济协作同伴组织”[the international partnership for the hydrogen economy( iphe)]成立大年夜会,共有澳大年夜利亚、巴西、加拿大年夜、 中国 、法国、德国、冰岛、印度、意大年夜利、日本、韩国、俄罗斯、英国、美国和欧盟确当局代表团及工贸易界代表数百人列席会议。iphe是一种新的氢能国际协作关系,这类协作将支撑将来的氢能和电动汽车技巧,扶植一个安然、有效和经济的世界范围的氢能临盆、贮存、运输、分派和应用举措措施的大年夜体系。氢能作为处理领先人类所面对窘境的新动力而成为各国大年夜力研究的对象。

  氢能广泛应用的关键,在于研制出本钱低的制氢技巧。今朝,氢能应用技巧开辟已活着界重要蓬勃国度和生长中国度启动,并取得不合程度的成果。美国已研制成功世界上第一辆以氢为燃料的汽车,可将60%-80%的氢能转换成动能,其能量转换率比浅显内燃机高一倍。1989年,美国宁靖洋动力公司创造了能大年夜量临盆便宜氢燃料的新技巧。可用于水分化的一种化学催化剂。用这类办法分化出来的氢本钱很低,因此成为世界上最便宜的燃料[1-3,6]。

  欧盟(eu)也抓紧对氢能的开辟应用。在2002-2006年欧盟第6个框架研究筹划中,对氢能和燃料电池研究的投资为2,500万-3,000万欧元,比上一个框架筹划进步了1倍。北欧国度2005年成立了“北欧动力研究机构”,经过过程生物制氢体系分析,进步生物临盆氢才能。2005年7月,德国宝马( bmw)汽车公司推出了一款新型氢燃料汽车,充分应用了氢不会形成空气污染和可产生强大年夜动力的两大年夜长处。该车时速最高可达226 km/h,行驶极限可达400 km/h。日本研究氢能比较早,今朝燃料电池是日本氢能的重要生长偏向。日本当局为促进氢能实用化和普及,进一步完美了汽车燃料供给制,全国各地建造了很多“加氢站”,如今已有近百辆燃料电池车曾经取得牌照上路,筹划到2030年将生长到1500万辆[1-6]。

  对我国来讲,动力扶植计谋是公平易近经济生长之重点计谋,我国化石动力探明可采储量中煤炭、石油、天然气分别占世界储量的11.6% ,2.6% ,0.9%。人均煤炭为世界均匀值的1/ 2,石油仅为1/ 10阁下,我国人口浩大,人均资本严重缺乏。是以,寻觅新的干净动力对我国的可持续生长具有特别重要的意义。

  2  储氢技巧生长状况 2. 1 氢气的制备技巧停顿 2.1.1 今朝制氢的重要办法
   现代 工业能制取的办法很多。如表1所示。

表1  获得氢气的办法   

( table.1  methods of acquire hydrogen)

序号

办法

举例

1

轻金属与酸碱反响

2na+2h 2 o—2naoh +h 2 ↑

2al+2naoh+2h 2 o—2naalo 2 +3h 2 ↑

2

天然气分化制氢

ch 4 +h 2 o—co+3h 2

3

水煤气法制氢

h 2 o+c—co+h 2

4

电解水制氢

阴极:2k++2h 2 o+2e - —2k+2oh - +h 2 ↑

阳极:2oh - —h 2 o+0.5o 2 +2e -

5

热化学轮回分化水法

纯水的分化温度要高达4000℃以上,热化学轮回分化水制氢就是在降低这一温度的条件下促使水分化,临盆氢气和氧气。

  然则没有真正可以范围临盆,完成实际社会临盆力的办法。代替惯例动力的制氢工艺其实不成熟,也没有很好的成功实例。现代工业的制氢办法重要有以下三种:(1) 从含烃的化石燃估中制氢。这是之前和如今采取最多的办法。用蒸汽和煤作原料的根本反响过程为:

c + h2o → co+ h2      (1)

  用蒸汽和天然气为原料的根本反响过程:

ch4 + h2o → co+ 3h2        (2)

  上述反响均为吸热反响,反响过程当中所需的热量可以从煤或天然气的部分熄灭中取得,也可应用外部热源[5]。如今氢的制取大年夜都是以天然气为原料,然则天然气和煤炭都是宝贵的燃料和化工原料,其储量无限,用它们来制氢明显摆脱不了人们对惯例动力的依附和对天然情况的破坏。

  (2)电解水制氢。这类办法是基于以下的可逆反响:

2h2o → 2h2+ o2       (3)

  分化水所须要的能量由外加电能供给。为了进步制氢效力,电解平日在高压下停止,采取的压力多为3-5mpa。今朝电解效力约为50%-70%[5]。由于电解水的效力不高今朝需消费大年夜量的电能,是以应用惯例动力临盆电能来大年夜范围的电解水制氢明显也是不合算的。

  (3) 热化学制氢。这类办法是经过过程外加高温使水起化学分化反响来获得氢气。到今朝为止虽有多种热化学制氢办法,但总效力都不高,仅为20%-50%,并且还有很多工艺成绩须要处理。依附这类办法来大年夜范围制氢还有待进一步研究。

  2.1.2  生物制氢
   (1)  微生物制氢。应用微生物在常温常压下停止酶催化反响可制得氢气。近年来,已查明在常温常压下以含氢元素物质包含植物淀粉、纤维素、糖等无机物和水停止生物酶催化反响来制得氢气的微生物可分为5类:异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌、蓝细胞和真核藻类。个中蓝细胞和真核藻类产氢所应用的氢源是水;异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌所应用的氢源是无机物。按氢能转化的能量来源来分,异养型厌氧菌,固氮菌依附分化无机物产生atp来产氢;而真核藻类、蓝细胞、光合厌氧细菌则能通光合感化将太能转化为氢能[6]。近年来发明有30种化能异养菌可以发酵糖类、醇类、无机酸等产生氢气,个中有些细菌产氢气才能较强,发酵1g的葡萄糖可以产生约0.5l的氢气,葡萄糖总应用率达65%以上;而天然产氢的光合细菌据报导也有十几种之多,个中也有些细菌产氢气才能较强。

  日本娼寮大年夜学研究人员以各类生活渣滓,如剩菜肉骨等经处理后作为临盆氢的原料,借助3种微生物[6],丁酸梭菌(clostridium butyricum)、产气肠杆菌(enterobacter aerogenes)和麦芽糖假丝酵母(candida maltose)在36oc混和发酵放弃无机物48小时,均匀产氢量为15,145 ml。这3种菌有协同产氢效应,即产气肠杆菌起主导感化,而另2种菌起协同感化,使代谢产品不容易积聚,为彼此创造生计情况。因而可知,选择混和菌制氢,应用其互补性,创造互为有益的生态条件,是一条可取的微生物制氢门路。然则,对产氢细胞,不论是游离细胞或是固定化细胞,发酵临盆氢所需的复杂的生态条件身分弗成忽视。

  (2) 光合细菌应用无机废水和活性污泥制氢。2000年1月,我国以厌氧活性污泥和无机质废水为临盆原料的无机废水发酵法生物制氢技巧在哈尔滨工业大年夜学经过过程当中试研究验证,该项研究在国表里开创并完成了中试范围持续非固定化菌种经久持续生物制氢技巧,并完成了中试范围持续流经久持续产氢[8]。是生物制氢范畴的一项严重年夜冲破,其成果国际抢先。该技巧冲破了生物制氢技巧必须采取纯菌种和固定技巧的局限,开创了应用非固定化菌种临盆氢气的新门路。实验注解,在一个容积为50 m3的容器中,含糖或植物纤维的废水发酵后,每天能产生280 m3阁下的氢气,纯度达99%以上,产氢才能大年夜大年夜加强,氢气产率比国外同类的实验研究程度高10倍,临盆本钱约为今朝采取的电解水法制氢本钱的1/2。这一开创性成果应用淀粉厂,食品厂等含高碳水化合物的工厂废水发酵制氢,具有广阔的应用前景和较好的情况效益、经济效益和社会效益。

  在国外,采取活力强的产气夹膜杆菌,在容积为10l的发酵器中,经8h发酵感化后,产氢气约45 l,最大年夜产氢气速度为18-23 l/h;泰国的watan-abed在曼谷分别的rhodobacter sphaeroides b6以乳酸为底物,1g干菌体产氢才能62.5ml /h,转化率达68. 8 %。 [7-9]。

  (3)生物质制氢。生物质包含高等植物,农作物及秸秆,藻类及水生植物等。应用生物质制氢是指用某种化学或物理方法把生物质转化成氢气的过程。下出世物制氢本钱的有效办法是应用便宜的原料,经常使用的有富含无机物的无机废水,城市渣滓等。应用生物质制氢异样可以或许大年夜大年夜下出世产本钱,并且可以或许改良天然界的物质轮回,很好地保护生态情况[9]。

  经过过程陆地和陆地中的光合感化每年地球上所产生物量中约含3×1021 j的能量,是全球人类每年消费量的10倍。就纤维素类生物质而言,我国 乡村 可供应用的农作物秸秆达5亿至6亿吨。相当于2亿多吨标准煤。林产加工废物约为300多万吨。另外还有1万吨阁下的甘蔗渣。这些生物质资本中,有16%-38%是作为渣滓处理的,其他部分的应用也多处于低级程度,如形成情况污染的随便燃烧、采取热效力仅约为1%的直接熄灭办法等。

  开产生物质制氢技巧将是处理上述成绩的一条很好门路,生物质制氢包含两种办法:

   = 1 \* gb3 ①生物转化制氢法:以秸秆为例,秸秆重要由纤维素,半纤维素和木质素经过过程复杂的方法连接构成,这3种物质的根本成分都是小分子糖类。但由于天然纤维素的结晶构造非常复杂,难以降解,因此很难被微生物所应用。发酵方法采取压力脉动固态发酵法,可以或许充分应用原料且大年夜大年夜降低废水排放量,在情况保护方面具有极大年夜的优势,为生物质制氢技巧开辟了新门路。

   = 2 \* gb3 ②生物质气化法:将生物质经过过程热化学转化方法转化为高层次的气体燃气或分解气,产品气主如果h2 、co、大批co2、水和烃。相对来讲,生物质气化技巧已比较完美,但存在着制取本钱高,气体污染难,副产品多污染情况等缺点,还有待工艺的进一步改进。

  从国表里生物制氢技巧的研究近况看,固然应用生物产氢今朝尚处于研究摸索或小范围试产阶段,离大年夜范围工业化临盆另有不小间隔。然则,有关这方面的研究停顿,展示了应用生物临盆干净燃料氢气的广阔前景。在摸索应用生物临盆氢气的门路上,须要赓续寻觅产氢气才能高的各类微生物,深刻研究生物产氢的道理和条件,完成天然菌种的人工训化,在此基本上,设计出照应的大年夜范围临盆装配体系,推动生物制氢工业化革命的到来[7-9]。

  2. 2  氢气的储备技巧停顿 2.2.1  金属及其氧化物系列储氢材料
  储氢技巧是氢能应用走向实用化、范围化的关键。金属储氢材料平日由一种吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素和另外一种吸氢量小或根本不吸氢的元素合营构成。

  镁系合金有很高的储氢密度,但放氢温度高,吸放氢速度慢,是以研究镁系合金在储氢过程当中的关键成绩,能够是处理氢能范围储运的重要门路。是以对金属mg外面催化改性惹起了研究者的兴趣。近年来,有人应用射频喷溅办法制备了pd包覆的纳米构造的多层mg薄膜,并对储氢性质停止了研究。成果显示,在100oc, 0.1m pa氢气压力条件下,氢的吸附量约为5wt% ,薄膜在100oc真空的条件下释放出全部的氢。2006年,au[14]报导了四氢呋喃处理的镁的氢化-脱氢性质,并且考察了样品的电力能态、晶格构造和微不雅描写。研究注解四氢呋喃处理的镁在100oc, 3.5m pa条件下吸附了6.3w t%的氢,同时四氢吠喃的处理改良了镁吸附-脱附氢的动力学,在623 k具有较幻想的反响速度[5,11,12]。

  fe3o4与fe的可逆氧化复原是储氢和放氢的反响模板。氢以金属铁的情势贮存起来,然后与h2o反响释放,详细过程如方程式所示[15]

fe3o4 + 4h2 → 3 fe + 4h2o      (4)

3 fe + 4h2o → fe3o4 + h2  ↑       (5)

  平日的四氧化三铁粉末由于较低的外面积,在低于400oc时不克不及有效地与h2或h2o产生氧化复原反响。 wang[15]等人研究了钢铁公司的含铁烟气尘土feox,实验证明改进的feox经过过程氧化复原反响可以化学储氢并能直接为pefc供给纯氢。feo x的改进是经过过程浸渍法将cr,al, zn, mo,mo-al, mo-ti, mo-zn, mo-cr,mo-ni,mo-cu等离子作为添加剂参加,在进步h2的产生速度和氧化复原轮回稳定性方面,mo是最有效的元素,它以2feo.moo2分解物的情势存在。

  2.2.2  氢配位-化学氢化物储氢材料
  libh4由于具有异常高的储氢量,成为储氢体系最有吸引力的候选材料,实际上经过过程反响(6)可以脱附13. 5 wt%的氢。

libh4   shape  \* mergeformat    lih + b + 3/2h2 ↑   (6)

  由于libh4脱附氢的焓变约为-70 kj/mol,实际应用过于稳定。不克不及有效、可逆吸附-脱附氢。是以,改变libh4的热力学稳定性,降低脱氢温度(低于100 0c)成为今朝研究的核心。2006年,有报导用libh4 +0.2mgcl2+0. 1ticl3材料作为稳定剂来降低脱氢温度,改良吸附-脱附的可逆性很有效,在60oc脱附5 w t%的氢。今朝在60oc和70 bar条件下可以吸附4.5 w t%的氢 [16]。

  四方晶体构造的naalh4,是另外一种有前程的储氢材料。naalh4的储氢量约为5 . 6 w t% , naalh4的脱氢过程是根据下面的化学反响(7)、 (8)停止的:

3naalh4  →  naalh6 + 2al + 3h2↑  (7)

na3alh6  →  3nah + al + 3/2h2↑   (8)

  2.2.3  碳系列储氢材料
  对碳系列储氢材料的研究是近年鼓起的一个热点课题。大年夜家知道,由于碳的多孔构造和碳原子对气体分子的特别吸引感化,碳对简直一切的气体都存在或大年夜或小的吸附感化。所以把它作为一种储氢材料来研究也就是 天然 而然的事。今朝对碳系列储氢材料的研究主如果集中在石墨、活性碳、纳米碳管和纳米碳纤维等方面,纳米碳管和纳米碳纤维之所以成为一种热点的储氢材料,一是它们的储氢量大年夜,普通也达到10wt%,有的乃至达到60wt%以上。但此前曾有 迷信 任务者对此停止考验,却以掉败了却,然其储氢量比储氢合金高倒是不争的现实。

  近年来,纳米碳在储氢方面已表示出优良的性能,清华大年夜学碳纳米材料研究小组发明一种经处理后表示出明显储氢性能的碳纳米管,它有望作为新的干净动力成为氢能电池的制造材料。该研究小组的科技人员对定向碳纳米管的电化学储氢特点停止了体系研究,发明这类碳纳米管具有很多全新的力学、电学、热学和光学性能,特别是将它混以铜粉后表示出的很高的储氢性能。他们将碳纳米管束成电极,停止随流充放电电化学实验,成果注解,混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10倍,长短定向电极的13倍,比电容量高达1,625mah/s,对应储氢量为5.7%(质量分数),具有优良的电化学储氢性能。曾经接近美国动力部对车用储氢技巧制订的标准对储氢材料的重量和储氢密度的请求[11、12]。

  今朝用于储氢研究的无机材料有10种以上,除以上简介的,还有金属硫化物储氢材料储、金属-c-h体系、金属-n-h体系储氢材料、碳基储氢材料和氨基硼烷、氮化硼纳米管、碳化硅纳米管等。在研究过程当中,纳米技巧、搀杂催化技巧和氧化还道实际的应用,使材料的储氢研究取得了长足 生长 ,延长了与应用请求的间隔。从今朝的研究成果来看,关于无机储氢材料,多组分材料的储氢研究是较好的研究偏向,由于很难找到一种物质既有较大年夜的储氢量(大年夜于6 w t% ),在高温(低于100℃)下又有较好的动力学性质,同时还兼具可以或许反复吸氢-脱氢的轮回稳定性。是以对比世界动力署或美国动力部的标准,进一步开辟多组分复合伙料,同时研究该材料的热力学性质及其与氢气的分了反响动力学,对拓展储氢的实际研究和实际运用具有重要意义[12—16]。

  3  结  语
  国际动力界猜想,21世纪人类社会将拜别化石动力,进入氢能 经济 时代。纵不雅世界动力生长计谋,专家们认为,氢将在2050年前代替石油而成为重要动力,人类将进入完全的氢经济社会。

  以后我国经济持续高速增长,动力需求量持续上浮,动力计谋储备严重低下,国际石油市场的动摇曾经对我国经济社会生长产生明显影响,由此而产生的抵触曾经成为遏制我国经久安康可持续生长的计谋瓶颈。率先周全启动氢经济是我国取得经久计谋优势的关键。是以,集中优权势量生长干净高效的氢动力或许是我国抢先辈入氢经济,摆脱百年来科技和计谋落后,走可持续安康生长的最好切入点。

  节能减排,保护情况是人类完成可持续生长的急切请求,而干净动力的开辟及应用,是一种实在可行的门路,以氢能经济为主的 工业 经济形式将在可期的将来,给人类生活带来巨大年夜变革。氢能研究的舞台是广阔的,研究开辟氢能将大年夜有作为。.

参考 文献

[1] 我国生物制氢技巧世界抢先[j]. 深冷技巧 , 2000,(02)

[2] 刘江华, 方新湘, 周华. 我国氢动力开辟与生物制氢研究近况[j]. 新疆农业迷信 , 2004,(s1)

[3] 尤希凤, 郭新勇. 生物制氢技巧的研究近况及生长趋势[j]. 河南化工 , 2003,(10)

[4] 新世纪的新动力[j]. 昔日 电子 , 2007,(06)

[5] 刘江华. 氢动力-将来的绿色动力[j]. 新疆石油科技 , 2007,(01)

[6] 朱核光.生物产氢技巧研究停顿[j ].应用情况生物学报2002, 8 (1):98-104

[7] 席德力.干净临盆[m].重庆:重庆大年夜学出版社,1995,136-137

[8] 新世纪的新动力[j]. 昔日电子 , 2007,(06)

[9] 牛松森等.生长新动力的新趋势:开辟煤层气[j].山东情况,2002, (2):20-25

[10] 土恒秀,李莉,李晋鲁等.一种新型制氢技巧[j].化工停顿,2001, (7):12-15

[11] 潘健平易近, 魏运洋, 李永峰, 徐菁利. 氢能的重要性和制氢办法浅析[j]. 情况保护 , 2008,(18)

[12] 氢能:新型的含能体动力[j]. 中国 新技巧新产品 , 2008,(11)

[13] otsuka k,takenaka s.storage and supply of pure hydrogen mediated by the redox of iron oxides. [j ] jpn pet inst, 2004, 47(6):377-386

[14] au m. the influence of tetrahydrofuran treatment on storage properties of the magnesium. [j] mater sci,  2006, 41: 5976 -5980

[15] wang h, takenakaa s, otsukaa k  hydrogen storage properties of modified fumed-fe-dust generated from a revolving furnace at a steel industry . int [j ]hydrogen energy, 2006, 31: 1732-1746

[16] browning d j, gerrard . m l, laakeman j b, mellor i m, mortimer r[ j], turpin mc. in: mao z q, veziroglu t n. editors. proceedings of the 13th world hydrogen energy conference, beijing, china, published by international hydrogen association,2000.p.580

上一篇:我国陶瓷色釉料与添加剂专利技巧的新特点和生长静态

下一篇:苯乙烯对醇酸树脂的改性之谈

立案ICP:陕ICP备12032064号  |   客服QQ:81962480  |  地址:西安市雁塔区运动场金兰大年夜厦302  |  德律风:12345678910  |