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收录于合集#氢能源科普知识7个 ↑点击上方“本源醇氢”关注我们❤ 关键词： 氢原子 氢能量密度 氢电转换率 氢体积 高压氢体积 导 语为方便阅读，本文分为上下两次连载。本文献给那些想入行氢能源的小白们，大神可忽略，氢气的物理特性，氢气的制、储、运、加、用等基本参数及现状，需要的时候查阅一下，各种参数一目了然。强烈建议收藏（编者 王越寄语） 一、氢的起源与发现 二、关于氢原子和分子的数据 三、氢气与天然气、汽油、柴油等的对比数据 四、关于液氢的数据 五、关于氢电转化率的数据 六、关于氢气高压气态运输数据 七、关于氢气的摩尔体积数据 八、关于车载储氢瓶内氢气密度的数据 九、关于有机物储氢的数据 十、关于续航里程的数据 十一、关于电解水制氢数据 十二、关于甲醇制氢的数据 十三、关于氨制氢的数据 十四、关于天然气制氢的数据 十五、关于加氢站的数据 十六、关于加氢站的原理及工艺流程简介 十七、关于氢能源应用场景的数据 十八、关于氢气应用的安全相关数据 一、氢的起源与发现 氢气的起源：氢是宇宙中最多的元素，从质量来看，它占宇宙质量的75%，而由于其他元素更重，从原子数来看，它占宇宙的90%。可以说，几乎在宇宙的任何地方，都能够看到氢。 这要从宇宙的起源说起，现在公认的理论认为，宇宙诞生于137亿年前的一次大爆炸，在大爆炸之后，宇宙开始膨胀，并慢慢冷却，夸克开始结合为质子、中子。  宇宙大爆炸（图一） 事实上，在第一个质子形成的时候，我们就可以说氢元素诞生了，这时候宇宙刚诞生0.00001秒； 在第一个质子俘获了一个电子的时候，我们就可以说，第一个氢原子诞生了，这时候宇宙刚诞生30万年左右。 氢气的发现：16世纪，瑞士一名医生发现了氢气，发现的现象为铁屑投入到硫酸里面产生的气泡，但受限于认知，该医生并未继续深入。17世纪，英国卡文迪许（没错，就是卡文迪许实验室的冠名大神）把铁片加入盐酸中产生气泡中发现了氢，并进入了深入细致的研究。  卡文迪许（图二） 二、关于氢原子和分子的数据 氢气（Hydrogen）是氢元素形成的一种单质，化学式H2，分子量为2.01588，位于元素周期表第一位。常温常压下氢气是一种无色无味极易燃烧且难溶于水的气体。氢气的密度为0.0899g/L（101.325kpa,0°C），只有空气的1/14，是世界上已知的密度最小的气体。氢元素含一个质子和一个电子，为宇宙中最简单的物质。 在一个标准大气压下，温度-252.87℃时，氢气可转变成无色的液体；-259.1℃时，变成雪状固体。  氢原子示意图（图三） 三、氢气与天然气、汽油、柴油等的对比数据 氢气热值：143kJ／g。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。 氢气热值为34035大卡/千克，天然气热值为11000大卡/千克，汽油热值为10490大卡/千克，柴油热值为10996大卡/千克，除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。 四、关于液氢的数据 液态氢的密度是气态氢的780倍，每立方米液氢的重量为70.8千克，1升液氢重量为0.11公斤，液氢的体积能量密度大约是35MPa高压氢的三倍，是70MPa高压氢气的1.8倍。超过200公里的运输距离时，液氢的运输费用和能耗费用之和均低于高压氢，有较强的优势。 氢气需要在21K（零下253摄氏度）时才能液化，以目前的科技水平，液化1公斤氢气需要11--15度电左右。但是随着技术改进，大概率是可以做到5～8度电，但目前无法做到（这个过程是高难度的，高技术含量的）。 液氢的密度71g/L。现状常用液氢槽罐车容积大约65立方米，按照以上体积，一次可以运输液氢约4000Kg，这将极大的降低氢气的运输成本。 液氢的制造、运输、加注、释放等相关配套都还不太成熟，在5年内，液氢基本不会成为主流的储运方式。液氢的商业化应用，目前还有很多路要走，目前国内已经有厂家在研发、制造液氢的罐体及相关设施，但都未成规模。 液氢运用得比较多的，还是航空航天领域，我国的“胖五”长征五号遥三运载火箭的燃料大部分都是-183℃的液氧和-253℃的液氢，因此又被称之为冰箭。 五、关于氢电转化率的数据 1公斤氢气的热值约当于33KW h（度）电，氢燃料电池电堆发电效率一般在40%～60%区间工作。一般按照50%效率计算，1公斤氢气可发电发电在16度左右。该数值取决于燃料电池功率输出的效率点。下图是一款产品的效率曲线示意。从国内的燃料电池生产厂家如：广东国鸿、明天氢能、德燃动力等公司产品的氢电转化率来看，一般都在15-16度电之间。至于某公司宣布能够达到转化率58-60%，我也只能呵呵了。  图四 说明：这里的效率仅指发电效率,不含热效率；这个效率值会随着科技的发展会有提升，比如日本丰田NEDO路线图中到2040年的最高效率目标是78%；随着输出功率变化效率也是一个动态变化过程，我们看均值更有意义；由于电堆集成系统后有空压机等辅助系统的寄生功率，所以实际对外做功效率会更低。  氢燃料电池（图五） 六、关于氢气高压气态运输数据 1公斤氢气从常压升到20MPa（200个大气压）需要大约2度电。目前常用的长管车（鱼雷车）运氢方式基本是这个压力，为了降低运输成本正在研发提升长管车压力。另每个长管鱼雷车一般由6~8个高压钢瓶组成，每车拉约260~460公斤的氢气。该种运输方式在200~300公里以内（150公里最经济）相对有经济性，也是目前最常用的运氢方式。卸气一般需要2~6小时。说明：目前正在从政策和技术层面提升气态运氢能力，预计运氢储罐压力提升到45~50MPa，这样一车预计可以运输1000~1500公斤。会让高压气态运输更有经济性。  长管集束拖车（鱼雷管车图六） 虽然氢气运输方式众多，但从发展趋势来看，我国主要以气氢拖车运输(tubetrailer)、气氢管道运输(pipeline)和液氢罐车运输(liquidtruck)三种运氢方式为主，本文将主要分析这三种方式的成本。 长管拖车运输：当前主流运氢方式，经济性受距离制约 长管拖车是最普遍的运氢方式，但运输效率不高 长管拖车由动力车头、整车拖盘和管状储存容器3部分组成，其中储存容器是将多只（通常6-10只左右）大容积无缝高压钢瓶通过瓶身两端的支撑板固定在框架中构成，用于存放高压氢气。 长管拖车是国内最普遍的运氢方式。这种方法在技术上已经相当成熟。但由于氢气密度很小，而储氢容器自重大，所运输氢气的重量只占总运输重量的1~2%。 因此长管拖车运氢只适用于运输距离较近(运输半径200公里)和输送量较低的场景。 其工作流程如下：将净化后的产品氢气经过压缩机压缩至20MPa，通过装气柱装入长管拖车，运输至目的地后，装有氢气的管束与车头分离，经由卸气柱和调压站，将管束内的氢气卸入加氢站的高压、中压、低压储氢罐中分级储存。   鱼雷管束（图七） 七、关于氢气的摩尔体积数据 一公斤氢气约为11.2标方（标况下的11.2个立方米体积）。 1标方氢气等于0.0899KG，在此说明一下，什么是标方呢？ 标方是标准立方的简称，是气体流量的常用单位。scf意思为“标准立方英尺”。是国外天然气行业的常用单位。 标准状态的压力条件，国内外均采用标准大气压，即101、325 千帕，而温度条件却不相同：一种是采用 0℃，在此状态下计量的1立方米气体体积称为1标准立方米，简称1标方。另一种是采用 20℃或15、6℃。为与前一种标准状态区别，在此状态下计量的1立方米气体体积称为1基准立方米，简称1基方或1方。 八、关于车载储氢瓶内氢气密度的数据 当车载储氢瓶的气压为70MPa（700个大气压）下每升含氢气重量只有约39克。我国目前普遍采用的是35MPa（350个大气压）瓶组，每升重量约20--22g左右（也和温度相关）。  T1-T4储氢瓶（图八） 加氢站普遍是将45MPa的高压氢通过加氢机，快速的加注到车载高压氢气瓶组中去。 当深冷液化需要到零下253℃，每1升液氢重量为含71克，即1立方液氢约70公斤多（83公斤是纯理论值）。  图九 氢气在不同压力和温度下的密度曲线图（可查表）说明：所以35MPa下140L的车载储氢瓶储氢量约3公斤左右；目前常见的35MPa车载储氢瓶有：100L、120L、140L、145L、210L、165L、260L、385L等常见规格。  车载碳纤维缠绕瓶（图十） 九、关于有机物储氢的数据 现状有机液体储氢技术可以实现在常温常压下每1升含氢近60克，所以它的储氢量是非常高的，但是释放氢气出来需要加热到200度左右，也是个高耗能的过程。 固态储氢示意图（图十一） 目前国内的固态储氢技术也快速的在发展，发展最快的要数镁基储氢方式了，这些合金材料与氢气在低温的条件下发生化学反应，氢气在其表面分解为氢原子。合金材料内部有大量细微的晶格，氢原子扩散进入到晶格内部空隙中，形成金属氢化物。想要把氢原子“释放”出来也很简单，只需施加一定热量，储氢材料就可以析出氢气。目前低温固态储氢材料可以存储其体积上百倍的氢气，因而其储氢密度比液氢还高。这些合金材料性能非常稳定，不会燃烧爆炸，可逆性好，重复使用不低于5000次。 一辆镁基储氢车，理论上讲，可以储运氢气1300公斤，是目前高压氢储运车辆载氢量的3倍多，储存容量可高达每立方米110公斤。 但镁基储氢同时也有诸多问题，加注和释放的环节离商业化运营，还有待时日。 十、关于续航里程的数据 1公斤氢气，可以约发16度电，10.5米多的大巴跑一公里，大约需要0.6-0.9度电，大巴车100公里耗氢约4~5.5公斤左右；乘用车百公里耗氢约0.5～0.8公斤,日本丰田Mirai储氢5.6公斤，最大续航里程1030公里;系统功率130KW,40吨左右的重卡百公里耗氢约10~13公斤（概数）。 重庆渝鸿科技的氢能商品混凝土车（图十二） 按照本源醇氢公司收集的数据显示，国内氢能源大巴车每日平均里程为200公里，耗氢量为9-10公斤。氢能源商品混凝土罐车每天耗氢量为30公斤左右、氢能源运土渣车每天耗氢量为30-35公斤左右，4.2米的氢能源物流车每日耗氢量为10公斤左右。 |
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