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氢能研究进展报告 氢能研究进展报告
D1
氢能发展简介
点创新
热化学硫碘循环研究

汇报提纲
线创新——热化学锌硫碘循环研究
】面创新——光热化学循环研究
•未来工作展望
而户/第 热能工程研究所 #

PARTI氢能发展简介
即户/货热能工程研究所 3

氢能发展简介

390
380
370
1960 1970 1980
360
350
340
310
1990 2000 如10
>Edd) U。一1ULU8UUOU ① pxop Uoe8
Biomass
Hydro Wind $0l»r Goo thermal
Coal
\!
Distributed
Natural
Ga**
, 夕
Nuclear
Transportation
Distributed Generation
口常规化石能源使用过程排放的温室气 体特别是二氧化碳是造成气候变化的最 主要原因
口新能源技术作为源头控制的无碳技术 逐渐受到全世界的关注
口氢能是新能源中最受关注之一，各种 制氢技术得到了长足的发展

游广/步热能工程研究所 #

氢能发展简介

世界能源消费结构
bp o
Energy and emissions growth in 2013
我国应对能源困局
Fuel shares and carbon emissions
Shares of global primaiy energy
6%
10 year average
：iL
•2%
■ Carbon
■ Energy
World OECD Non-OECD US EU
口化石能源所占比例下降， 可再生能(Renew)崭露头角 口碳排放量增量下降，但总 量依然增加，发展中国家 (Non-OECD)减排形势严峻
□中国CO2减排计划：2020年单位 GDP碳排放降低40〜45 %
□ 1993年成为石油净进口国，2011 年的原油对外依存度首次超过美国, 2014年进口3・1亿吨，进口依存度 接近60% (中国工信部披露数据) □2014年全国原煤消费量约为35.1 亿吨，同比首次下降2.9%,国家 正在大力调整能源结构
口化石能源终将耗尽，发展可再生 新能源刻不容缓

［即户/则热能工程研究所 5

氢能体系/系统及特点
发展氢能优势
口保障
家能源安全：石油、煤
炭依赖进口
□解决能源与环境尖锐矛盾，实 现CO2减排的重要技术途径
口人类社会可持续发展，开发可 再生能源的需要
□能源历史发展的必然趋势
口可存储再生、无碳排放、质量能量密 度高、来源广泛

氢能发展简介

技术成熟，有C02排放
I氢能制备技术及赢
无碳制氢新技术
氢能制备》
MQtMJ♦叫
二氧化物分二 弋解水制氢。
MOjHOtMOjH,
4 \
<•) M
及石燃料如甲烷重整制,
核彩热化学 分解水制氢
商业
军用
德国U214级柴电潜艇 西门子sm型燃料电 池单元BMZ34燃料 电池模块
截止至2012 年全球运营 加氢站超过
200家

热能工程研究所 7

氢能发展简介

游广/步热能工程研究所 9 8

典型制氢方法对比
制氮方法
优点
缺点

化石燃料重整、
气化制氢
技术成熟，可满足近期所需

原料属不可再生能源，储量有限，有
co2.污染物排放
生物质制氢 属可再生能源，资源分布广、储量大 产氢速率慢，产氢生物种类单一

电解水制氢
技术比较成熟，工艺简单，无污染,
可制备高纯度氢
电耗巨大，能量利用效率只有20・30%

光解水制氢
无污染，有工业应用潜力
热化学循环水分解制
光热化学循环水分解

反应温和，可匹配核能、太阳能作为
热源等，热效率较高，可实现大规模
工业化
国际首创，反应温度低，操作简单易
行，兼具光化学热化学优势
光能转化率和产氢速率低，离实用距
离尚远
步骤较多，流程复杂，需研制耐腐蚀
高温材料和设备
研究刚起步，反应机理需要更加深入
阐明，产氢能力有待进一步挖掘

一热化学硫碘循环研究
#

点创新——热化学硫碘循环研究

热化学循环概念
氏。直接热分解所需温度：over 2500 ℃

游广/我热能工程研究所 13

CC>2直接热分解所需温度：over 2700 ℃
合适热源
□定义：利用热能通过若干个相 关联的化学反应实现H2O和CO2 的分解
口优点：降低系统最高温度、能 匹配更多的热源、提高热转换效 率以及易于实现规模化应用
热化学硫碘循环简介
开路循环 闭路循环
热化学硫碘循环水解制氢
系统效率51.1%
1 . BUNSEN 反应：
I2 + SO2 + 2H2O t H2SO4 + 2HI
2 .硫酸分解：
H2SO4 t SO2 + H2O + l/2O2
（分为两步：h2so4 -> so3 + h2o,
SO3 ― SO2 + l/2O2）
3 .碘化氢分解：
2HI — I2 + 为

热化学和电化学Bunsen反应试验台
SOz+H2sos+琅0
蛀还逋 m西运二;
电池平衡电势测量实验系统
传统Bimsen反应实验系统
(1 +x)I2 +S02 +(2+p+?)H2O {H2so、+pH?0}+{ 2HI+a*I2+^H2O}
电机
相层性验统
液分特实系

点创新——热化学硫碘循环研究

热能工程研究所 15

Bunsen副反应实 验及机理研究
Bunsen反应动力 学模拟
电化学Bunsen反 应实验及机理研究

Bunsen反应研究成果

提出了 Bunsen反应机理路径， 建立了 Bunsen反应动力学模型
Arrhenius 方程:
ln(k)= -
RT
+ ln( A)

’提出了电化学 Bunsen反应平衡 电势经验公式平 衡电势经验公式
1
H2sO"入HI ,C
+ 0.204
掌握了电化学Bunsen反应的电极 反应动力学特性，确定了实现较 快反应动力学速率的工况条件。

Q 1 <
=-9.195 xlO-5T-exp(^-)-In
阴极HI浓度为8moi/kgH2。、U/HI摩尔比为 0.5,阳极H2SO4浓度为 13moi/kgH2o时， 可以获得较快的电极反应动力学速率
Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37(8): 6407-14；
Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38(21):8617-24; l"d. Enq. Chem. Res., 2014, 53(8): 3021 ・28,
点创新——热化学硫碘循环研究

Ni基催化剂载体采用CeC)2、 膜反应器氢气选择性膜结
Ce-ZrO?及沸石等 合廉价高效的催化剂
游广/我热能工程研究所 17

点创新——热化学硫碘循环研究

游广/步热能工程研究所 21 17

HI催化分解研究成果
ho2+h
研究了活性炭催化剂催化分解HI催 化分解，制备方法、负载改性的影 响和■子化学计算建立催化机理。
研究Pt/CeO2和Ni心eO2催化分解hi,制备

CHEMKIN 建 立川中2。均相 分解机理，深 入探讨了心0 和12对印分解 的影响，进行 了敏感性分析。
方法、负载■以及改性的影响和催化机理
Appl. Catal. B Environ, 2015,166-167:413-22
lnt.」Hydrogen Energy, 2008, 33:627・32; 2012, 37(22): 16864・16870; 2013, 38(11): 4308・15

硫酸分解研究什么
硫酸分解：⑴ H2sO4 分解：H2SO4 SO3 + H2O (450-550 ℃)
(2) SO3 催化分解：SO3 - SO2 + l/2O2 (600-900℃)
保温段
管却 凝冷
硫酸溶液

CHEMKIN建立了详细的 SO3均相动力学分解模型， 探讨硫酸催化分解的影响 因素；基于敏感性分析， 找到关键基元反应。
二元高效钻铜催化剂建 立催化机理，指出催化 路径中控制步骤。
研究了铀基二元、三元催化 体系，降低SI循环温度，匹 配热源，提高效率。
系统中催化反应动力学以及实 际反应器CFD模拟
硫酸分解研究成果
CHEMKIN建立了详细的SO3均相动力 学分解模型
♦
OH
研究铀铜催化剂、碳化硅载基，制备条件（ 如焙烧温度）催化分解硫酸催化剂影响的影 响，建立催化分解SO3机理。

AppL Energy, 2014,37(8):396-402
Int. J, Hydrogen Energy, doi:10,1016/j,ijhydene.2O14.12,048

PART3线创新一
一锌硫碘循环研究

线创新——热化学锌硫碘循环研究

游广/步热能工程研究所 #

基于金属/金属氧化物还原对的两步式热化学循环
COo2
thraocMffiioikjdtg^
CO,
H，0
MxOy+CO
M&u+H20gM卬比
一10血
L «• hJJ
口主要包括：ZnO/Zn. CeO2/Ce2O3
、FejOyFeO 、 SnO2/SnO 、 TiOz/TiOx 以及 MmOj/MnO 等