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  • 綠色能源 – 氫循環– 氫經濟

    綠色能源和綠色交通的關鍵在于使用氫氣作為燃料,用于能量儲存和能練轉移過程的工具。因此,所謂的氫循環(見下頁)就建立起來了,它描繪了從制取超出儲存量到出口再到作為燃料二次制取過程中氫的利用。

    由于此循環中的每個步驟都有多種方法, 因此建立了一些研究概念來彌合差距,并獲得必要的、尚未完全開發的技術。 弗勞恩霍夫研究協會為德國開發并發布了一份氫路線圖,列出了所有研究領域及主題。

     

    下圖列出了氫研究的關鍵部門:


     

    氫氣路線圖:

     

     

    路線圖描繪了在不久的將來可能使用氫氣的情況。 關鍵問題在于儲存和制取,因為每個步驟都關乎如何安全有效地存儲氫氣。

    另一個需要解決的問題是,集中制氫還是分散制氫更有前景,是直接作為燃料還是以氨或類似物質的形式用作燃料。該部分展示并說明了熱分析在線路圖的每個點的作用和參與度。

     

    1、氫循環 - 可再生能源資源 

    氫循環始于綠色發電廠產生的氫氣??稍偕茉吹闹匾獊碓窗ㄋΠl電廠、風力發電廠、光伏發電廠、地熱發電廠和生物質發電廠,其目標是在不排放任何二氧化碳和不產生核廢料的情況下產生足夠的能源。

    所有這些都涉及熱分析和材料科學:

    l 從復合材料的研究出發,探討復合材料在風力機葉上的應用

    l 光伏電池半導體材料的材料優化

    l 生物質直接制氫的優化


     

    2、電能轉化為化學能(電解、合成燃料)

    由于儲存電能相當困難,現在的大型發電廠,如煤電廠和核電站,源源不斷地生產能量,以滿足基本負荷及易變的負荷,而燃氣電廠等則用于補償波動。

    由于可再生能源的電力生產受波動影響(例如在夜間、干燥或風平浪靜時),所產生的能量需要存儲,以應對不斷波動的能源需求以及可再生能源不連續發電的情況。

    此外,一些移動設備(如高檔汽車、卡車、飛機),需要大量能量,將電能存儲在蓄電池中

    是不切實際的,因為所需尺寸的蓄電池價格昂貴且尚未準備好運行。對于這些應用,將電能以合成燃料或氫的形式轉化為化學能更方便。由于合成燃料也是一種使用氫生產的燃料,其

    主要步驟是通過電解水生產氫。

    電解水是通過施加外部電壓將水化學分離成氧氣和氫氣。由于這種制氫過程需要大量能量,因此也有通過催化劑或反應鏈(如煤碳氣化)產生氫氣的方法。

     

    然而,其目標是獲得一種具有高吞吐量和高效率的直接電解。為了提高電解效率,需要優化陰極和陽極材料以及催化劑和表面材料。

     


     

     

    3、儲氫

    由于氫氣是一種極易揮發的氣體,它的儲存和運輸具有相當大的挑戰性??梢酝ㄟ^在鋼瓶中壓縮氫氣來存儲,但由于需要高壓(鋼瓶最大壓力可達700巴)以及相關的技術和安全相關問題(氫會隨時間擴散到任何材料中),優先考慮其他技術。

    例如,氫可以通過吸附在或多或少化學固定的不同種類的材料(金屬有機框架、沸石、離子液體等)上來儲存。 其中,以金屬氫化物的形式儲存是最有前景的。

    在這種情況下,氫通過形成穩定的氫化物與金屬表面化學結合。 通過使用多孔材料,例如沸石和具有納米孔的合成框架,可以通過擴大表面積來優化該過程。 在許多材料中,通過控制溫度變化或壓力變化可以很容易地釋放氫氣。不再存在不受控制的擴散風險。


     

     

     

    4、使用氫作為燃料的設備和工藝

    一旦制取出氫氣并將其儲存起來供移動設備使用,其高能量密度賦予其多種用途。

    最常見的是用作還原劑、燃料、載氣以及合成碳水化合物、氨等分子。氫氣也常用于金屬的燒結。

    含有金屬或金屬氧化物的工件通常是通過將粉末壓縮成所謂的生胚來制造的。這些生坯隨后通過將其加熱到低于熔點的溫度來固化,這一過程稱為燒結。 在燒結過程中觀察到尺寸減小。因此,可以通過測量尺寸來研究燒結過程。這通常在膨脹計中完成(參見應用示例)。

    為了避免氧化并降低最終產品的氧化物含量,燒結可以在含氫氣氛中進行,甚至可以在用作催化劑的金屬粉末生坯的純氫燒結中進行。

    因為掌握了氫氣安全技術,林賽斯能夠提供用于純氫氣環境的膨脹計。 膨脹計可用于還原氣氛中的氫燒結或膨脹測量。 排氣裝置與安全燃燒裝置相連接,該系統與氫氣探測器相連接,在氫氣釋放不受控制的情況下,氫氣探測器可以關閉該系統并向其注入惰性氣體。

     

     

    5、燃料電池技術 

    然而,最有趣和最常提到的氫的應用是燃料電池,具有多種用途,可以為建筑物供電、供暖,也可以為汽車提供動力,增加續航里程。氫電池是將儲存的氫能轉化為電能的關鍵部分。

    在燃料電池中,氫與空氣反應生成水。該反應不是直接通過燃燒產生熱量,而是在燃料電池

    中產生電能:該方案顯示了氫燃料電池的原理圖。

    其目的是通過氫氣和氧氣的反應產生所需的電能。在經典的直接反應中,水是以熱的形式釋放大量能量形成的(想象一下被點燃的氫氧氣體混合物),與此相反,燃料電池有兩個腔室,包含兩種化合物。

    腔室的中間有一層膜,允許氫擴散,但其他分子無法擴散。 在氧室的膜表面,氫和氧發生反應,從而將水排出。 因此,膜上的氫濃度降低,更多的氫分子向膜移動。氫擴散到含氧室,在膜上產生了一些電壓。 這在釋放的能量而非熱量,可用于操作發動機。

    由于可以控制氫室中的氫濃度,膜上的擴散速度可以像汽油驅動發動機一樣輕松控制。因

    此,氫氣可用作“燃料”。薄膜上覆蓋著由貴金屬組成的電極材料。 這些金屬作為催化劑,作用于燃料電池的工作條件(溫度、電壓等)。

    由于氫驅動燃料電池可以在高達1000°C的高溫下工作,并且用于組裝的焊料必須具有熱穩定性、化學穩定性和機械穩定性,因此熱分析再次發揮作用。燃料電池的工作條件取決于用作催化劑的材料。因此,所有用于表征催化劑的技術都可以應用于氫/燃料電池技術。

    因此,需要了解大量的材料科學知識,分析技術有助于研究材料。在本文中,我們將重點討

    論熱分析技術。有些儲氫應用在高壓下運行,有時超過100巴,因此加壓分析儀是有用的。

    此外,由于氫對氧/空氣的高反應性,所有分析技術都需要采取預防措施。 因此,所有設備都必須配備安全裝置,以免發生爆炸。

     

     

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