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1、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 \!
2、 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 emissi
3、ons 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，2
4、011 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
5、□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
6、 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
7、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
8、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 —
9、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
10、 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
11、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
12、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 Envi
13、ron, 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
14、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 En
15、ergy, 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
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