1、1 1、氫能與儲氫材料、氫能與儲氫材料能源、環境、可持續發展能源、環境、可持續發展 當今社會發展的三大主題當今社會發展的三大主題能源能源 人類活動的源泉人類活動的源泉清潔能源清潔能源 人類社會健康發展的基礎人類社會健康發展的基礎氫能（氫能（Hydrogen energyHydrogen energy） 面向面向2121世紀的理想清潔能世紀的理想清潔能源之一源之一 化石能源化石能源煤、石油、天然氣煤、石油、天然氣 環境污染，資源漸趨環境污染，資源漸趨枯竭枯竭 可再生能源可再生能源太陽能、風能、海洋能、地熱能、生物能、太陽能、風能、海洋能、地熱能、生物能、氫能等氫能等 環境友好，取之不盡環境友好，

2、取之不盡 清潔且可再生能源的開發和利用清潔且可再生能源的開發和利用 國家經濟可持續發展國家經濟可持續發展的重要保障的重要保障（1 1）氫能）氫能 氫能氫能 以氫及其同位素為主導的反應中（或在狀態變化以氫及其同位素為主導的反應中（或在狀態變化過程中）所釋放的能量過程中）所釋放的能量 氫與氧化劑發生化學反應放出燃燒熱或通過燃燒反應得化氫與氧化劑發生化學反應放出燃燒熱或通過燃燒反應得化學能學能 氫發動機、燃料電池等氫發動機、燃料電池等 氫的熱核反應放出熱核能或聚變能氫的熱核反應放出熱核能或聚變能 氫彈、可控核聚變氫彈、可控核聚變反應反應 氫能是一種理想的二次能源氫能是一種理想的二次能源氫能的優點：氫

3、能的優點： 氫是自然界中存在最普遍的元素，它構成宇宙質量的氫是自然界中存在最普遍的元素，它構成宇宙質量的3/43/4，在地球上主要以化合物形式存在于水中在地球上主要以化合物形式存在于水中 從水中可分解出氫，氫燃燒反應又生成水，所以是取之不從水中可分解出氫，氫燃燒反應又生成水，所以是取之不盡、用之不竭的能源盡、用之不竭的能源 氫本身無毒，氫燃燒反應不會像礦物燃料那樣產生大量煙氫本身無毒，氫燃燒反應不會像礦物燃料那樣產生大量煙塵和有害氣體塵和有害氣體 清潔能源清潔能源 氫的發熱值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高，氫的發熱值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高，(1.21-1.43)X1

4、0(1.21-1.43)X105 5kJ/kgkJ/kgH H2 2，是汽油發熱值的，是汽油發熱值的3 3倍，焦炭發熱倍，焦炭發熱值的值的4.54.5倍倍 氫的燃燒性能好，點燃快，可燃范圍寬，燃點高，燃燒速氫的燃燒性能好，點燃快，可燃范圍寬，燃點高，燃燒速度快度快 在所有氣體中，氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的導熱在所有氣體中，氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的導熱系數高系數高1010倍，是極好的傳熱載體倍，是極好的傳熱載體 用途廣泛，可直接用作發動機燃料、燃料電池燃料、化工用途廣泛，可直接用作發動機燃料、燃料電池燃料、化工原料等原料等 氫可以以氣態、液態或固態的金屬氫化物形式存在，能適氫可以以

5、氣態、液態或固態的金屬氫化物形式存在，能適應儲運及各種應用環境的不同要求應儲運及各種應用環境的不同要求 可作為儲能介質，經濟和有效地輸送能源，作為二次能源，可作為儲能介質，經濟和有效地輸送能源，作為二次能源，氫的輸送與儲存損失比電力小氫的輸送與儲存損失比電力小 氫能源的開發引起各國政府的極大重視氫能源的開發引起各國政府的極大重視 上世紀上世紀9090年代起，美、日、德等發達國家均制定了系統的年代起，美、日、德等發達國家均制定了系統的氫能研究與發展規劃氫能研究與發展規劃 中國、印度、墨西哥等發展中國家也有相應的規劃考慮中國、印度、墨西哥等發展中國家也有相應的規劃考慮 短期目標短期目標 燃料電池汽

6、車的商業化，在燃料電池汽車的商業化，在2020年左右時間內，年左右時間內，使氫能在總能源系統中占有一定份額使氫能在總能源系統中占有一定份額 長期目標長期目標 在化石能源枯竭時，承擔起主體能源的角色在化石能源枯竭時，承擔起主體能源的角色 隨著科學技術的發展，氫能的應用不是遙遠的未來，未來隨著科學技術的發展，氫能的應用不是遙遠的未來，未來的經濟可望實現氫經濟的經濟可望實現氫經濟 氫能轉化為動力氫能轉化為動力 動力產生電能而走向家家戶戶動力產生電能而走向家家戶戶 成為成為人類今后長期依靠的一種通用燃料人類今后長期依靠的一種通用燃料 與電力一起，成為與電力一起，成為2121世紀能源體系的兩大支柱世紀能

7、源體系的兩大支柱一次能源一次能源二次能源二次能源最終用戶最終用戶太陽能太陽能風風 能能海洋能海洋能地熱能地熱能氫氫 氣氣電電 力力汽車、飛機、船舶汽車、飛機、船舶工業、農業、民生工業、農業、民生2121世紀能源結構體系世紀能源結構體系（2 2）氫能系統與氫能技術）氫能系統與氫能技術氫能系統：氫能系統： 一個有機聯系的系統工程一個有機聯系的系統工程 包括制氫（包括制氫（hydrogen productionhydrogen production）、氫儲存和輸運）、氫儲存和輸運（hydrogen storage and transportationhydrogen storage and tran

8、sportation）、氫的利用）、氫的利用（hydrogen utilizationhydrogen utilization）三大關鍵系統）三大關鍵系統 每個系統都在發展各自的相應技術每個系統都在發展各自的相應技術制氫技術：制氫技術： 化石燃料制氫，以煤、石油或天然氣等作原料制氫，產量化石燃料制氫，以煤、石油或天然氣等作原料制氫，產量大，效率高，但伴有大量大，效率高，但伴有大量COCO2 2排放排放 水分解制氫，可通過電解、熱化學循環分解、光化學分解水分解制氫，可通過電解、熱化學循環分解、光化學分解等方式進行，氫的純度高，效率低，成本高等方式進行，氫的純度高，效率低，成本高 生物質制氫，包括

9、生物質汽化或裂解制氫和微生物制氫，生物質制氫，包括生物質汽化或裂解制氫和微生物制氫，前者效率高但氫氣純度低，后者規模和效率有待提高前者效率高但氫氣純度低，后者規模和效率有待提高儲氫技術：儲氫技術： 氫氣儲存有物理和化學兩大類方法氫氣儲存有物理和化學兩大類方法 物理儲氫：液氫儲存，高壓氫氣儲存，活性炭吸附儲存，物理儲氫：液氫儲存，高壓氫氣儲存，活性炭吸附儲存，碳纖維和碳納米管儲存，玻璃微球儲存等碳纖維和碳納米管儲存，玻璃微球儲存等 化學儲氫：金屬氫化物儲存，有機液態氫化物儲存，無機化學儲氫：金屬氫化物儲存，有機液態氫化物儲存，無機物儲存，復雜氫化物儲存等物儲存，復雜氫化物儲存等各種方法的儲氫能力

10、各種方法的儲氫能力休息休息15分鐘分鐘輸氫技術：輸氫技術： 氫有多種多樣的輸送方式，可根據地點、用途、用氫方式、氫有多種多樣的輸送方式，可根據地點、用途、用氫方式、距離、用量、用戶分布、輸送成本等因素綜合考慮輸送方距離、用量、用戶分布、輸送成本等因素綜合考慮輸送方案案 氣體氫輸送，可采用管道、車（船）載高壓鋼瓶等方式，氣體氫輸送，可采用管道、車（船）載高壓鋼瓶等方式，前者效率高，建造成本高，后者靈活性大前者效率高，建造成本高，后者靈活性大 液氫輸送，可采用罐車、油輪或管道等方式，效率高，但液氫輸送，可采用罐車、油輪或管道等方式，效率高，但系統復雜，成本高系統復雜，成本高 氫化物輸送，可用桶或罐

11、裝金屬氫化物，靈活、安全和經氫化物輸送，可用桶或罐裝金屬氫化物，靈活、安全和經濟濟綜合輸氫方案示意圖綜合輸氫方案示意圖氫的利用技術：氫的利用技術： 工業應用，化工（合成氨、合成甲醇、煤液化、石油精制工業應用，化工（合成氨、合成甲醇、煤液化、石油精制等），冶金（直接還原金屬、光亮熱處理等），半導體等），冶金（直接還原金屬、光亮熱處理等），半導體（制取多晶硅、外延生長等），玻璃，化肥等（制取多晶硅、外延生長等），玻璃，化肥等 交通運輸，氫發動機、氫能汽車等交通運輸，氫發動機、氫能汽車等 航天工業，液氫液氧火箭發動機航天工業，液氫液氧火箭發動機 氫發電，氫氧燃料電池（固定電站、便攜式電源、動力電氫發

12、電，氫氧燃料電池（固定電站、便攜式電源、動力電源）源） 家庭應用，家庭應用，Ni-MHNi-MH電池，清潔燃料等電池，清潔燃料等家庭用氫前景圖家庭用氫前景圖復合能源系統：復合能源系統： 氫作為儲能介質氫作為儲能介質 太陽能太陽能- -氫能系統氫能系統 陽光充足的夏季和白天陽光充足的夏季和白天 光發電電解水制氫，通過儲氫光發電電解水制氫，通過儲氫材料儲氫，太陽能材料儲氫，太陽能 轉化成氫的化學能轉化成氫的化學能 夜晚和冬季夜晚和冬季 利用氫運行燃料電池，或氫氣的其它利用利用氫運行燃料電池，或氫氣的其它利用太陽能氫能系統的結構概念圖太陽能氫能系統的結構概念圖（3 3）儲氫材料）儲氫材料儲氫材料：儲

13、氫材料： 能在適當的溫度和壓力下，大量可逆地吸收、釋放氫的材能在適當的溫度和壓力下，大量可逆地吸收、釋放氫的材料料 儲氫材料可大致地分為三大類：金屬儲氫材料、非金屬儲儲氫材料可大致地分為三大類：金屬儲氫材料、非金屬儲氫材料、有機液體儲氫材料氫材料、有機液體儲氫材料 是氫能系統中作為氫儲存與輸送載體的重要候選材料是氫能系統中作為氫儲存與輸送載體的重要候選材料 成為氫能技術開發中的關鍵材料之一成為氫能技術開發中的關鍵材料之一 儲氫材料的研究開發與應用已成為國內外的熱門研究課題儲氫材料的研究開發與應用已成為國內外的熱門研究課題 儲氫材料僅有儲氫材料僅有3030年的發展歷史年的發展歷史 新型功能材料新

14、型功能材料 發展迅速，受到各國政府的高度重視發展迅速，受到各國政府的高度重視 美國能源部用于氫儲存方面的研究經費約占氫能研究經費美國能源部用于氫儲存方面的研究經費約占氫能研究經費的的50%50% 日本政府制定的日本政府制定的“新陽光計劃新陽光計劃”中，儲氫技術是氫能發電中，儲氫技術是氫能發電計劃中的三大內容之一計劃中的三大內容之一 我國早在我國早在“八五八五”國家國家863863計劃中就把儲氫材料列為重點計劃中就把儲氫材料列為重點研究項目，之后又在國家研究項目，之后又在國家973973計劃中列項支持計劃中列項支持金屬儲氫材料：金屬儲氫材料： 氫幾乎可以同元素周期表中的各種金屬元素反應，生成金氫

15、幾乎可以同元素周期表中的各種金屬元素反應，生成金屬氫化物屬氫化物 但并不是所有金屬氫化物都能做為儲氫材料但并不是所有金屬氫化物都能做為儲氫材料 只有那些能在溫和條件下大量可逆吸放氫的金屬或合金氫只有那些能在溫和條件下大量可逆吸放氫的金屬或合金氫化物才能作為儲氫材料使用化物才能作為儲氫材料使用 目前已開發的具有實用價值的金屬氫化物：稀土系目前已開發的具有實用價值的金屬氫化物：稀土系ABAB5 5型；型；鋯、鈦系鋯、鈦系ABAB2 2型；鈦系型；鈦系ABAB型；鎂系型；鎂系A A2 2B B型；釩系固溶體型型；釩系固溶體型等等 儲氫量一般在儲氫量一般在1-3wt.%1-3wt.%非金屬儲氫材料：非金屬儲氫材料： 目前主要包括碳系材料（碳納米管、石墨納米纖維、高比目前主要包括碳系材料（碳納米管、石墨納米纖維、高比表面積活性炭等）、玻璃微球等非金屬材料表面積活性炭等）、玻璃微球等非金屬材料 均屬于物理吸附型儲氫材料均屬于物理吸附型儲氫材料 利用極大的活性比表面積，在一定的溫度和壓力下，吸取利用極大的活性比表面積，在一定的溫度和壓力下，吸取大量氫氣