新能源技术教学-氢能.pdf

新能源技术教学氢能1&刖百-二次能源联系一次能源和用户的中间纽带，可分为“含能 体能源”和“过程性能源”，目前电能是当前应 用最广的“过程性能源”。2中国能源一次能源需求其他可再生能源17.42亿吨标准油民用4%其他:15%中国2005年的一次能源需求总量（其它指交通运输、农业、服务业及未指明的行业）&刖百-氢能，新的含能体能源由于目前“过程性能源”尚不能大量地直接储存，因此汽 车等交通工具只能采用汽油、柴油这一类“含能体能源”,随着常规能源危机的出现，在开发新的一次能源（如可燃 冰）的同时，人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”，氢能正是一种值得期待的新型二次能源。已有资料表明，如车用燃料使用20%H2+80%CH4，尾 气中COx（CO与CO?）可降低20%、NO、可降低40%。4为什么氢是永恒的能源？I-氢的资源丰富存在形式 氢的来源丰富制取方法 氢是最环保的能源利用低温燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水，不排放CO?和NOx；使用氢燃料内燃机，也可显著减少污 染。氢气具有可储存性与电、热最大的不同 氢的可再生性循环-永无止境 氢是“和平”能源-中东战争 氢是安全能源氢的扩散能力很大，不具毒性及放射性为什么氢是永恒的能源？I.氢的燃烧热值高 高于所有化石燃料和生物质燃料表37几种物质的燃烧值名称氢气甲烷）工油乙醇甲醇燃烧值/kJ-kg1121,06150,05444,46727,00620,254氢的燃烧稳定性好 燃烧充分6氢一能量转化的载体由于具有上述优点，而且目前电能存在 着难以储存、远程输运时损耗大的缺点,故在未来能源体系中，氢能将成为各种 能量形式之间转化的最优良载体。7I氢能发展史一孕育期-.-八 1766年,英国的Cavendish从酸和金属的作用所得气体中发 现氢，即以希腊语“水的形成者”命名。在Vada制成第一个电池之后不久的1818年，英国利用电流 分解水有目的的产生了氢气。1820年剑桥大学的William Cec il建议将氢气用于动力机器 1839年William Grove首次提出燃料电池 1874年儒勒凡尔纳(Jules Verne)的科幻小说神秘岛中 描写有个使用水作为燃料的小岛。这种无限的和普遍存在 的能源的想法激发随后数十年的读者的思考。8氢能发展史一童年期 19世纪氢能动力汽车的创始人之一Lawac zek（德国）就说自己受到凡尔纳的科幻小说的启发。凡尔纳的预测至今还印在国际氢能学会宣传材料的头 版头条。氢燃料的现代研究始于二十世纪20年代的德国和英国 1923年剑桥大学的Haldane提出用风力发电作为电解 水的能源。此设想在半个世纪后才得以实现。1928年德国的氢技术先驱Rudolph Jrren获得了他的 第一个氢气发动机专利。9氢能发展史一成长期氢作为“能量载体”或者”能量媒介”的想法产生于 二十世纪50年代核能的发展。西班牙的著名氢能量载 体提倡者-Marc h etti提出原子核反应器的能量输出即 可以以电能的形式传递，也可以以氢燃料的形式传递。Marc h etti指出氢气形式的能量可以比电能更稳定地储 存，并且氢气的输送成本（传递单位热能）将比电力 更低，此事实后被工程数据所证实。10氢能发展史一发展期1970年，通用汽车公司的技术中心提出“氢经济”的概念）主要的思路是利用大型核电站的电力电解水制氢。1974年，受石油危机的影响和启迪，一些学者组建了国际氢能协会(Internalional Assoc iation forHydrogen Energy,IAHE)oIAHE随后创办了国际氢能杂志并举行了两年一次的世界氢能大会。11氢能发展史一步入工程探索阶段-二十世纪80年代，德国认真地提出HYSOLAR计划，它是 德国/沙特在阿拉伯半岛的项目，计划用沙漠地带的太 阳能制氢。改项目已经过实验示范了太阳发电和电解 的直接结合，示范功率达到350kW。德国还考虑利用加拿大廉价的水电就地电解水制氢，液化后用船运输液氢到欧洲。12、氢能发展史一为科学家认可JI-近年来燃料电池技术一低温的质子交换膜燃料电池和高 温的固体氧化物燃料电池一发展迅速，被广泛认为将成 为未来人类社会中主要的动力来源，尤其是用于发电和 交通工具方面而燃料电池最适宜的燃料就是氢。因此，科学家们预测，氢能将与电能一起成为未来能源体系的两大支柱。13氢能发展史一获得社会广泛共识2000年,IAHE组织新的系列会议-国际氢能论坛（Hyforum,新词,为Hy-和Forum的组合,近年来,又 出现氢时代,Hytime）。第一届国际氢能论坛于2000年在德国慕尼黑举行，第二 届氢能论坛于2004年在我国北京举行。“HyfonmT邀请政治家、科学家、企业家、投资者和 工程师等共居一堂，商讨如何为人类提供赖以生存的、可持续发展的清洁能源-氢。14、福曲一历史上的灾难=氢能的利用最早开始于20世纪上半叶，当时是用于充气飞 艇。在第一次世界大战期间，交战双方都用氢气充装探测 气球，用以窥测堆放在战场后方的活动。在1928-1937年 间，充氢气的“齐柏林”号飞艇曾作过多次横渡大西洋的 飞行，先后承载过13,110位乘客。在1936年，德国建造了 充装氢气的“兴登堡”号飞艇，使用到1939年5月,在美 国新泽西州着陆时失火燃烧，导致30多名人员死亡。此次事件的发生导致充氢气艇的未再使用。但最近的研究 结果表明，“兴登堡”飞艇失事的罪魁祸首并不是燃料氢，而是由于飞艇表面材料摩擦带电着火引起的。1521世纪将是“氢经济(Hydrogen economy)”时代一次能源 二次能源 最终用户图37设想中的21世纪能源结构体系16政府起主导作用商业行为起主导作用Phase IIPhaseIIIPhasePhaseor 8 o二“图3-2现有能源体系向氢能体系过渡的计划图17美国能源部 Hydrogen Posture Plan第一阶段(Ph ase I)为相关技术的研发阶段，并在此基础上 做出是否商业化的决策，此阶段中政府将起到主导作用；在第二阶段(Ph ase II),氢能初步进入市场，便携式电源和 固定/运输系统开始实现商业化，并在国家政策的引导下开 始与氢能相关的基础建设投资；进入第三阶段(Ph ase HI)后，氢能源和运输系统实用化，市场和基建投资规模不断扩大；第四阶段(Ph ase IV)为市场与基础建设均已完善的阶段，氢 能源和运输系统广泛应用于各个领域，完全实现“氢经济”。18其它已开展的大规模氢能开发项目冰岛于1999年在其首都雷克雅未克启动了“生态城市交通系统”(Ec ologic al City Transport System,ECTOS)计划，并为此专门成立了冰岛新能源公司(Ic elandic New Energy Ltd.)负责实施该计划其总体 目标是在2030年左右，冰岛全境实现以氢能替代传统 燃料。由于目前冰岛所使用的能源主要来自地热和水力发电,因此主要采用电解水技术(在加氢站就地)制氢)以燃料电池作为主要动力设备。19其它已开展的大规模氢能开发项目 uHy-Solar Projec t”（德国、沙特阿拉伯）,主要利用沙特 丰富的太阳能资源制取氢气；“Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Projec t,EQHHPP”（欧盟、加拿大），主要利用加拿大Quebec省 丰富的水电资源制取氢气；WE-NET Projec t”（日本），计划共投资40亿美元用于 开发相关技术。20现状与展望 目前全世界每年约生产5 x 1012而3氢气，主要 用于化学工业，尤以合成氨和石油加工工业的 用量最大。90%以上的氢气是以石油、天然气 和煤为原料制取的，北美95%的氢气产量来自 天然气蒸汽重整。若设想将这些氢气全部作为能源，仅相当于全球年能耗的1.5%。21现状与展望 真正的“氢经济”距离人们的日常生活还比较遥 远 主要原因是氢能的大规模利用离不开大量廉价氢 的获得和安全、高效的氢气储存与输送技术，以 及应用技术的开发。而现阶段的科技水平与这些 条件相比尚存在一定差距，急需解决很多技术方 面的难题。22现状与展望譬如，就目前而言，只有通过矿物燃料（主要是天 然气）重整技术才能获得相对廉价的氢，并非长远 之计，因而，能否开发其他真正可持续发展的、大规模的廉价制氢技术将成为“氢经济”能否最 终实现的关键所在；另外，氢气以何种方式储存 及输送最经济、最合理也是亟待解决的问题。23outlinei氢的制取2氢的储存与输运3氢的应用4氢的安全性241氢的制取1.1化石燃料制氢1.2电解水制氢（其它发展中的技术：生物及生物质制氢,太阳能光解水制氢，热化学分解水制氢）1.3氢气提纯25L 1化石燃料制氢在“氢经济”的起始阶段，氢主要从矿物燃料中获得1.1.1 天然气制氢1.1.2 煤气化制氢263.1.1化石燃料制氢技术LLI天然气制氢天然气制氢自热重整甲烷蒸气 重整绝热 预重整部分氧化27(1)甲烷蒸气重整的原理反应 甲烷蒸汽重整(SMR)主要反应为：CH4+H2O=CO+3H2 H=+49 kc al/mol 水-气转化反应：CO+H2O=CO2+H2 AH=-10 kc al/mol 随着反应的进行，蒸汽有可能被CO2取代，因此会发生 下面的反应：CH4+CO2=2CO+2H2 H=+59 kc al/mol 上述反应均需催化剂的存在，最常用的催化剂是Ni。28(2)绝热预重整的原理反应 重石脑油等沸点高于200、芳香煌含量高于30%的运类物质的重整反应：CnHm+nH2O=nCO+(n+m/2)H2 吸热反应 水-汽转化反应：CO+H2O=CO2+H2 H=-10 kc al/mol29(3)部分氧化的原理反应甲烷可在氧气中部分氧化(partial oxidation,POX)生成 合成气(水煤气):CH4+1/2 O2=CO+2H2 H=-9 kc al/mol此反应使用或不使用催化剂均可30(4)自热重整的原理反应自热重整(Autoth ermal reformingATR)是在氧气内部燃烧 的反应器内完成全部爆类物质转化反应的过程。ATR反应 是结合SMR和POX的一种新方法，最早出现于1970年代。如上所述，POX是个放热反应，ATR法是将POX反应放出 的热量提供给SMR,既可限制反应器内的最高温度又可降 低能耗。CH4+H2O=CO+3H2CH4+1/2 O2=CO+2H2H=+49 kcal/molH=-9 kcal/mol自热重整(ATR)反应：CH4+xO2+(2-2x)H2O=CO2+(4-2x)H2311.1.2煤气化所谓煤气化，是指煤与气化剂在一定的温度、压力等条件下发生化学反应而转化为煤气的工 艺过程。-煤气化技术按气化前煤炭是否经过开采而分为 地面气化技术（即将煤放在气化炉内气化）和地 下气化技术（即让煤直接在地下煤层中气化）O32煤气化的重要意义煤气化制氢曾经是主要的制氢方法，随着石油工业的兴 起，特别是天然气蒸汽重整制氢技术的出现，煤气化制 氢技术呈现逐步减缓发展态势。但对中国来说，煤炭资源丰富（我国是世界上少数以煤 炭为主的国家之一，1997年我国的煤炭消费占一次能源 的73.5%。到2030-2050年，煤在我国一次能源消费中 仍将占50%以上），价格相对低廉，而天然气价格较高，资源储量并不大，因此对我国大规模制氢并减排CO?而 言，煤气化是一个重要的途径。33(1)煤地面气化技术煤气化制氢技术工艺流程34(1)煤地面气化技术 煤气化制氢主要包括三个过程，即造气反应、水煤气转 化反应、氢的纯化与压缩。-造气反应方程式为：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)H=+131.2 kJ/mol 水煤气转化反应方程式为：CO+H2O=CO2+H2 H=-41.8 kJ/mol 煤气化反应是一个吸热反应，反应所需热量由碳的氧化 反应提供。35q.（2）煤地下气化技术煤炭地下气化，就是将地下处于自然状态下的煤进行有控 制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体，这一过程在地下气化炉的气化通道中由3个反应区域（氧化 区、还原区和干馅干燥区）来实现。煤的地下气化技术同样被认为是实现大规模制氢的候选技 术之一。36煤炭地下气化原理图H解水制氢 业已发展成熟的制氢方法很多，但在可开发性方面，却 尚未发现比水电解法更为优越的方法，因而电解水制氢 是最有应用前景的一种方法，它具有产品纯度高、操作 简便、无污染、可循环利用等优点。传统的电解水制氢技术已经商业化80余年，但其现状仍 彳艮不令人满意。2002年全球氢气年产量约为4.1 x up t,而采用电解水方法获得的氢气不超过5%。38电解水制氢的方法 就目前而言，以碱液为介质、采用加压、高温方法电解 水制氢是已经发展得比较成熟的一种操作简单、可以大 规模制氢的方法，但该法所制氢气仅占全球氢气总产量 的17%。电解水制氢存在的最大问题是槽电压过高，导致电能消 耗增大，进而导致成本增加，这也是目前该技术无法与 化石燃料制氢技术竞争的主要原因。水电解制氢目前主要包括三种方法，分别是碱性水溶液 电解、固体聚合物电解质水电解和高温水蒸气电解。391.3氢气提纯 无论采用何种原料制备氢气，都只能得到含氢的混合气，需要进一步提纯和精制，以得到高纯氢。氢气提纯方法较多，但有些方法不适宜用来制备高纯氢，如膜分离法，所得产品纯度低，无法达到高纯氢纯度要求。一些常用的氢气提纯精制方法，如冷凝法、低温吸收法，单独使用时净化所得产品难以达到要求。目前，用于精制高纯氢的方法主要有：冷凝-低温吸附法、低温吸收-吸附法、变压吸附法、钿膜扩散法、金属氢化 物法以及这些方法的联合使用。401.3.1冷凝一低温吸附法纯化分两步进行：首先，采用低温冷凝法进行预处 理，除去杂质水和二氧化碳等，需在不同温度下进 行二次或多次冷凝分离。再采用低温吸附法精制，经预冷后的氢进入吸附塔，在液氮蒸发温度(-196)下，用吸附剂除去各种杂质。如可用活性氧化铝进 一步除去微量水，分子筛吸附除除电，硅胶除CO、电、Ar,活性炭除CH4等等。吸附剂用加热电再生。工艺多采用两个吸附塔交替操作。净化后电纯度达 99.999-99.9999%。41L3.2低温吸收一吸附法纯化仍需分两步进行：首先，根据原料氢中杂质的 种类，选用适宜的吸收剂，如甲烷、丙烷、乙烯、丙烯等，在低温下循环吸收和解吸氢中杂质。例如 可用液体甲烷在低温下吸收c o等杂质，然后用丙烷 吸收其中的CH4,可得到99.99%的电。然后，再经低 温吸附法，用吸附剂除去其中微量杂质，制得纯度 为99.999-99.9999%的高纯氢。421.3.3变压吸附法（PSA法）变压吸附是利用气体组分在吸附剂上吸附特性的差异 以及吸附量随压力变化的原理，通过周期性的压力变 化过程实现气体的分离。由于PSA技术具有能耗低，产品纯度高，工艺流程简单,预处理要求低，操作方便、可靠，自动化程度高等优 点，在气体分离领域得到广泛使用。PSA法制氢，可用各种气源为原料，技术已经十分成熟,产品纯度可以在99-99.999%范围内灵活调节。431.3.4把膜扩散法利用钿合金膜在一定温度(400-500C),只能使电透过，其它杂质气体不能渗透的特性，使电得到纯化。这种方法对原料气中。2和水的要求很高。2在钿合金膜会 产生氢氧催化反应而造成把合金局部过热，水又会使牵巴 合金发生氧化中毒。所以，原料气需先透过预纯化器除 去。2和水，再经过滤器除尘后，才能送入钿合金扩散室 纯化，得到电的纯度可达99.9999%。但钿膜扩散法提纯 技术仅适用于小规模生产。441-3-5金属氢化物分离法金属氢化物精制和贮存氢是一项新技术）正在研究和发展 中。利用贮氢合金对氢进行选择性化学吸收，生成金属氢 化物，氢中杂质则浓缩于氢化物之外随废氢排出，氢化物 再发生分解反应放出氢，使氢得到纯化。氢气进入氢合金 纯化器之前通常需先进行预处理，以除去大部分。2、c o、电0等杂质。纯化装置通常由数个纯化器联合操作，连续 得到高纯氢，纯度可达99.9999%以上。金属氢化物在反复吸氢、放氢过程中会逐渐粉化，因此还 必须在生产装置终端装有高效过滤器以除去粉尘。452氢的储存与输运氢能的储存与输运是氢能应用的前提。但氢气无论以气态还是液态形式存在，密度都非常低，气态时为0.08988 g1（约为空气的7%）,液态（-253）时为70.8 g LT（约为水的7%）。46J-几种常用燃料的气态和液态下的密度燃料气态(20、1 atm)液态（沸点、1 atm）绝对值/kg m-3相对于氢绝对值/kg m 3相对于氢氢气0.091.0070.81.0甲烷0.658.13422.86.0九油4.455.0700.09.9472-1氢气储存和输运中的考虑氢在一般条件下以气态形式存在，且易燃（4-75%）、易爆（15-59%）,这就为储存和运输带来了很大的困难。当氢作为一种燃 料时，必然具有分散性和间歇性使用的特点，因此必须解决储 存和运输问题。储氢和输氢技术要求能量密度大（包含单位体 积和质量储存的氢含量大）、能耗少、安全性高。当作为车载燃料使用（如燃料电池动力汽车）时，应符合车载状 况所需要求。一般来说，汽车行驶400卜山需消耗汽油24 kg,而以氢气为燃料则只需要8 kg（内燃机，效率25%）或4 kg（燃料 电池，效率50-60%）。482.2氢气的储存和输运方法总体说来，氢气储存可分为物理法和化学法两大类。物理储存 方法主要包括液氢储存、高压氢气储存、活性炭吸附储存、碳 纤维和碳纳米管储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存等。化学 储存方法有金属氢化物储存、有机液态氢化物储存、无机物储 存、铁磁性材料储存等。氢气的输运与氢气储存技术的发展息息相关，目前氢气的运输 方式主要包括压缩氢气和液氢两种，金属氢化物储氢、配位氢 化物储氢等技术尚有待成熟。49Linde水冷液氢储罐实际产品及装配汽车照片50减压设备 QUANTUM美国QUANTUM公司开发的第4类车用压力储氢装置注：该装置一次可储氢3.1 kg,装配于GM的HydroGen3汽车上，行驶里程 为170英里。512.3金属氢化物储氢I把氢以金属氢化物的形式储存在合金中，是近30年来新发展的 技术。原则上说，这类合金大都属于金属间化合物，制备方法一直沿 用制造普通合金的技术。这类技术有一种特性，当把它们在一 定温度和压力下曝置在氢气氛中时，就可以吸收大量的氢气，生成金属氢化物。生成的金属氢化物加热后释放出氢气,利用 这一特性就可以有效地储氢。金属氢化物储氢比液氢和高压氢安全，并且有很高的储存容量。但由于成本问题,金属氢化物储氢仅适用于少量气体储存。52某些金属氢化物的储氢能力储氢介质氢原子密度/1022个 cm3储氢 相对密度含氢量(质量分数)/%标态下的氢气0.00541100氢气钢瓶(15 MPa)0.81150100-253 液氢4.2778100LaNi5H66.21,1481.37FeTiHi.955.71,0561.85MgNiH45.61,0373.6MgH26.61,2227.65注：由表可见，有些金属氢化物的储氢密度是标准状态下氢气的 1,000倍，与液氢相当，甚至超过液氢。2.4氢的输运压缩氢气的运输压缩氢气可采用高压气瓶、拖车或管道输送，气瓶 和管道的材质可直接使用钢材。-现有天然气管道可以被改装成输氢管道，但需要采 取措施预防氢脆所带来的腐蚀问题。542.4氢的输运 运输液态氢气最大的优点是能量密度高（1辆拖车运载的液氢相 当于20辆拖车运输的压缩氢气），适合于远距离运输（在不适合 铺设管道的情况下）。若氢气产量达到450kg h 1、储存时间为1天、运输距离超过160 km,则采用液氢的方式运输成本最低，金属氢化物运输方式也 很有竞争力。但运输距离若达到1,600 km,液氢运输的成本可比金属氢化物 低4倍，比压缩氢气低7倍。553氢的应用 氢在燃气轮机发电系统中的应用 氢在内燃机中的应用 氢在燃料电池中的应用563.1氢的应用概述 目前氢气的主要用途是在石化、冶金等工业中作为重要原料，此外NiMH电池在手机、笔记本电脑、电动车方面也获得了广 泛的应用。对于未来的“氢经济”而言，氢的应用技术主要包括：燃料电 池、燃气轮机（-蒸汽轮机）发电、内燃机和火箭发动机。普遍认为，燃料电池是未来人类社会最主要的发电及动力设备。573.2燃气轮机简介及技术现状燃气轮机是一种外燃机。与内燃机和汽轮机相比，燃气轮机具有以下优点:(1)重量轻、体积小、投资省。燃气轮机的重量及所占的容积一般只有汽轮 机装置或内燃机的几分之一或几十分之一，消耗材料少，投资费用低，建设周期短。(2)起动快、操作方便。从冷态起动到满载只需几十秒或几十分钟，而汽轮 机装置或大功率内燃机则需几分钟到几小时；同时由于燃气轮机结构简 单、辅助设备少，运行时操作方便，能够实现遥控，自动化程度可以超 过汽轮机或内燃机。(3)水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却水或不用水，因此可以在缺水 地区运行。58燃气轮机装置示意图最简单的燃气轮机装置的示意图。它包括三个主要部件：压气 机、燃烧室和燃气轮机。燃气轮机的应用领域燃气轮机应用范围越来越广，目前在以下几个领域已大量 采用燃气轮机：航空领域。由于燃气轮机小而轻，起动快，马力大，因此在航 空领域中已占绝对优势。舰船领域。目前燃气轮机已在高速水面舰艇、水翼艇、气垫船 等中占压倒优势，在巡航机、特种舰船中得到了批量采用，海 上钻采石油平台也广泛采用燃气轮机。(3)陆上领域。在发电方面，燃气轮机主要用于尖峰负荷应急发电 站和移动式电站。60氢气在燃气轮机中的应用 由于空气质量不断下降，各国均认识到必需降低COx、NO,、烟尘等污染物的排放量。在现代社会中，很大一部分能源通过 火力发电、被转化成电能，因此发电厂是最大的污染源之一，必须对发电设备加以必要的改进。出于降低NO,排放量的目的，目前氢主要是以富氢燃气（富氢天 然气或合成气）的形式应用于燃气轮机发电系统，关于纯氢作为 燃料气的报道很少。613-3开发氢电池还是氢发动机?人们在开发使用氢或其他燃料的电池方面做了大量的工作，取 得了一定的成果。但燃料电池仍然有一些缺点，如价格高、体 积大、冷启动性能差，以及高负荷运行时效率低等。氢燃料内燃机的使用成本只相当于燃料电池的一，卜部分,工作 原理和点燃式内燃机相同，所以有可能制造出既可使用氢燃料 也可使用汽油的发动机。氢燃料发动机排放的唯一有害物质是 氮氧化合物。62氢燃料发动机的优点!由于氢的特性，使用氢燃料发动机时要记住以下几点：首先，氢在空气中的可燃比非常高(体积的4%75%),而汽油(1%7.6%)和甲烷(53%15%)较低,这一特性在氢的燃烧中起了 很大的作用。加上氢的燃烧在气体中传播速度很快，因此氢燃 料发动机的燃烧非常清洁。其次，氢发动机可以靠空气-燃料混合比的浓度调节动力输出,不需要节流阀。这样做最大的好处是提高了发动机的整体效率,因为不存在燃料泵中流量的损失，稀薄燃烧的效率较高也起了 一定的作用。63氢燃料发动机的优点!第三，空气-燃料混合比浓度较高时，在热动力燃烧环境非常 好的情况下，层流的燃烧速度非常快。氢的辛烷值高达130,而高级汽油的辛烷值只有大约93,因此它的自燃温度很高，在 发动机气缸的压缩过程中抗提前燃烧的能力强，也就是说可以 采用较高的压缩比（活塞在行程两端时气缸最大容积和最小容积 的比值）。据福特公司报道，一台压缩比为14.5:1的氢发动机最 大效率可达到52%。644氢的安全性 一种新的能源系统要得到推广和应用，其安全性是我们应该首 先关心的问题,对氢能系统而言,也是如此。氢的各种内在特性，决定了氢能系统有不同于常规能源系统的 危险特征，比如易燃、易泄漏、氢脆等，而且由于氢的使用范 围不广，经验不够丰富，在使用者的可接受心理上也存在着较 大问题。为了氢能系统和燃料电池汽车的进一步发展，制定相关氢能安 全标准及对氢安全问题进行研究是很有必要的。654.1泄漏性-氢是最轻的元素，比液体燃料和其它气体燃料更容易从小 孔中泄漏。例如，对于透过薄膜的扩散，氢气的扩散速度 是天然气的3.8倍。-但是，比较有意义的是，在燃料管线、阀门、高压储罐等 上面实际出现的裂孔中，氢气泄漏的速度如何。从高压储气罐中大量泄漏，氢气和天然气都会达到声速。氢气的声速(1,308 mps)几乎是天然气声速(449 mps)的3 倍，所以氢气的泄漏要比天然气快。664.2氢脆 镒钢、锦钢以及其它高强度钢容易发生氢脆。这些钢长期暴露 在氢气中，尤其是在高温高压下，其强度会大大降低，导致失 效。因此，如果与氢接触的材料选择不当，就会导致氢的泄漏 和燃料管道的失效。但是,通过选择合适的材料，如铝和一些合成材料）就可以避 免因氢脆产生的安全风险。另外，氢气中含有的极性杂质，如 水蒸汽、h2s.c o2、醇、酮及其它类似化合物，会强烈地阻止 生成金属氢化物。674.3氢的扩散如果发生泄漏，氢气就会迅速扩散。与汽油、丙烷和天然气相比，氢气具有更大的浮力（快速上升）和更大的扩散性（横向移动）。氢的密度仅为空气的7队 而天然 气的密度是空气的55%。所以即使在没有风或不通风的情况下,它们也会向上升，而且氢气会上升得更快一些。而丙烷和汽油 气都比空气重，所以它们会停留在地面，扩散的很慢。684.3 氢的扩散氢的扩散系数是天然气的3.8倍，丙烷的6.1倍，汽油气的12倍。这么高的扩散系数表明，在发生泄漏的情况下，氢在空气中可 以向各个方向快速扩散，迅速降低浓度。在户外，氢的快速扩散对安全是有利的。在户内，氢的扩散可 能有利也可能有害。如果泄漏很小，氢气会快速与空气混合，保持在着火下限之下；如果泄漏很大，快速扩散会使得混合气 很容易达到着火点，不利于安全。694.4 氢的燃性与爆炸-在空气中，氢的燃烧范围很宽，而且着火能很低。氢/空气混合物燃烧的范围是4-75%（体积比），着火能仅 为0.02 MJ。而其他燃料的着火范围要窄得多，着火能也 要高得多。在户外，氢气爆炸的可能性很小，除非有闪电、化学爆炸 等这样大的能量才能引爆氢气雾。但是在密闭的空间内，燃烧速度可能会快速增加，发生爆炸。70燃料的燃烧特性H2ch4CMJ o汽油着火限着火下限/%453/3.82.11着火上限/%7515107.8最小着火能0.020.290.30.24自燃温度/最小520630450228470热空气注入6401040885银铭电热丝75012201050氢的燃烧特征 氢气火焰几乎是看不到的，因为在可见光范围内，燃烧的氢放 出的能量很少。因此接近氢气火焰的人可能会不知道火焰的存 在，因此增加了危险。但这也有有利的一面。由于氢火焰的辐射能力较低，所以附近 的物体（包括人）不容易通过辐射热传递而被点燃。相反，汽油火焰的蔓延一方面通过液体汽油的流动,一方面通 过汽油火焰的辐射。因此，汽油比氢气更容易发生二次着火。另外，汽油燃烧产生的烟和灰会增加对人的伤害，而氢燃烧只 产生水蒸汽。72燃料的爆炸特性h2天然气C3H8汽油爆炸限下限（空气中的体积%）13-18.36.33.11.1上限/%5913.573.3燃烧速度/cm s-1270374730爆炸能单位能量/g TNT kJ 10.170.190.21单位体积/g TNT m 32 027.0344.22最大的安全间隙/cm0.0080.120.074思考：氢能否成为未来的燃料?根据京都议定书的规定，20082012年二氧化碳排放总量应低 于1990年的水平。为了达到这一目标，除了提高现有能源转换 效率外，还要寻找含碳能源（矿物燃料）的替代物。与矿物燃料相比较，氢具有燃烧洁净、资源无限的优点,是极 具吸引力的替代矿物燃料的能源载体。称氢为“能源载体”主要想说明，氢本身并不是自然能源，必 须被生产出来。这个生产过程需要能源，所以生产氢的关键是 使用可再生能源。这样才能在整个能源的循环过程中消除所有 碳化物的排放。74Gone with the.