수소 이용 상세 전집
수소에너지는 천연가스 재조정, 전해수, 태양열 광합성용, 바이오수소 등의 에너지원으로, 석탄, 석유, 천연가스와는 달리 지하에서 직접 채굴할 수 있어 거의 전적으로 화석연료에 의존한다.
중문명: 수소에너지 이용 mbth: 수소에너지 이용 우세: 안전환경응용: 광범위역사: 제 2 차 세계대전 이후 이용 방향: 수소에너지 이용 역사, 발전 현황, 수소준비방법, 특징, 수소에너지 이용 안전 문제, 수소에너지 이용 방향, 전망, 수소에너지 이용사 화학사, 사람들은 주로 수소를 이용한다 하지만 일찍이 16 세기에 유명한 스위스 의사궁은 쇠부스러기가 산과 접촉할 때 발생하는 가스를 묘사했다. 17 세기에 벨기에의 저명한 의학화학학자 헤르몬트 (J.B. 1579- 1644) 가 우연히 이 기체에 닿았지만 분리해 모으지 못했다. 보일은 우연히 이 가스를 수집했지만, 그는 그것을 연구하지 않았다. 그들은 단지 그것이 가연성이라는 것을 알고 있으며, 그것에 대해 아는 것이 거의 없다. 1700 년 프랑스 약사 레메리 (N.1645-1715) 도 파리 과학원 보고서에 언급되어 있다. 카번디쉬는 처음으로 수소를 수집하고 연구한 사람이지만, 카번디쉬의 수소에 대한 이해는 정확하지 않다. 그는 물이 원소이고 수소는 과도한 연소소를 함유한 물이라고 생각한다. 1782 까지 라와시는 물이 원소가 아니라 화합물이라는 것을 분명히 했다. 1787 년에 그는 이 기체를' 수소' 라고 명명했는데, 이는' 물 생성' 을 의미하며 그것이 원소라는 것을 확인했다. 수소는 내연 기관의 연료로 인류의 최근 발명이 아니다. 수소는 이미 내연 기관에서 오랫동안 사용되었다. 인류 역사상 최초의 수소 내연기관의 역사는 1807 년으로 거슬러 올라갈 수 있는데, 아이작 드 레비즈라는 스위스 사람이 단독수소 내연기관을 만들었다. 그는 실린더에 수소를 가득 채웠고, 수소는 실린더에서 연소되어 결국 피스톤 왕복 운동을 추진했다. 이 발명품은 1807 65438+ 10 월 30 일 프랑스 특허를 획득했습니다. 자동차 제품에 대한 최초의 특허입니다. 하지만 당시 기술수준이 제한되어 있어 수소의 생산과 사용은 증기와 휘발유의 사용보다 훨씬 복잡하기 때문에 수소 내연기관은 증기기관, 디젤기관, 휘발유 엔진에 의해' 침수' 되었다. 제 2 차 세계대전 중에 수소는 A-2 로켓 엔진의 액체 추진제로 사용되었다. 1960 년 처음으로 액체수소를 우주동력연료로 사용했고 1970 년 미국에서 발사된 아폴로 우주선이 사용한 이륙 로켓도 액체수소를 연료로 사용했다. 이제 수소는 로켓 분야에서 일반적으로 사용되는 연료가 되었다. 현대 우주 왕복선의 경우, 더 중요한 것은 연료 무게를 줄이고 유효 하중을 늘리는 것이다. 수소의 에너지 밀도는 일반 휘발유의 3 배에 달하는 매우 높으며, 이는 수소를 연료로 사용하면 우주 왕복선의 무게가 2/3 을 줄일 수 있다는 것을 의미하며, 이는 의심할 여지 없이 우주 왕복선에 매우 유리하다. 또한 수소는 우주선에도 사용할 수 있습니다. 현재 과학자들은' 고체 수소' 우주선을 연구하고 있다. 고체 수소는 우주선의 구조 재료일 뿐만 아니라 우주선의 동력 연료로도 사용된다. 비행 과정에서 우주선의 중요하지 않은 모든 부분은 에너지로 전환되어 소비될 수 있으므로 우주선이 우주에서 더 오래 비행할 수 있다. 1980 년대 말 다양한 연료전지 자동차를 공개했고, 1990 년대 말 소형 연료전지로 축전지를 대체할 수 있는 가능성을 입증했다. 2 1 세기 환경오염 등 위기에 직면하여 수소연료전지가 빠르게 발전하여 더 많은 성형된 수소연료전지자동차가 시장에 진입하기 시작했다. 수소에너지는 현재 인류가 곤경에 처한 새로운 에너지원으로, 그 발전 현황은 각국이 대대적으로 연구하는 대상이 되었다. 미국 에너지부 (DOE) 신에너지개발센터 조사에 따르면 지난 5 년간 전 세계 공업화 국가의 수소 발전에 대한 투자는 매년 20.5% 증가했다. 미국은 항상 수소 에너지를 중시해 왔다. 2003 년 부시는 6543.8+07 억 달러를 투자하여 수소 연료 개발 계획을 시작하고 수소 산업 생산 기술, 수소 저장 기술, 수소 응용 등 중점 발전 프로젝트를 제시했다. 2004 년 2 월 미국 에너지부는 수소 기술 연구, 개발 및 시범 행동 계획을 발표하여 수소 경제 발전 절차와 수소 경제로의 전환 일정을 상세히 설명하였다. 이 계획의 출범은 미국 수소 경제 발전을 촉진하는 또 다른 중대한 조치로, 미국 수소 경제 발전이 정책 평가와 제정 단계에서 시스템 구현 단계로 진입한다는 것을 상징한다. 2004 년 5 월, 미국 최초의 수소소가 설립되었고, 제 3 세대 가정에너지역인 캘리포니아의 고정수소 생산장치가 시험적으로 가동되기 시작했다. 2005 년 7 월, 세계 최초의 수소 연료 전지를 생산한 회사 중 하나인 다임러 크라이슬러는 미국을 가로지르는' 5 세대 신형 전지차' 를 성공적으로 개발해 연료 전지 자동차의 신기록을 세웠다. 이 차는 수소를 동력으로 총 마일리지 5245km, 최고 시속 65438+. 중국에 있어서 에너지 건설 전략은 국민 경제 발전의 핵심 전략이다. 중국의 화석 에너지 탐사 채취 가능 매장량 중 석탄량은 1 145 억 T, 석유량은 38 억 T, 천연가스 매장량은10.37 조 m3, 각각/KLOC-를 차지했다. 중국은 인구가 많아 1 인당 자원이 부족하다. 석탄의 1 인당 채취 가능 매장량은 세계 평균 수준인 1/2 에 불과하고, 석유는110 정도에 불과하며, 1 인당 에너지 보유량은 현저히 뒤떨어진다. 이와 함께 최근 몇 년 동안 교통에너지의 중국 비중이 갈수록 커지고 있다. 이와 함께 자동차 배기가스 오염은 이미 대기오염, 특히 도시 대기오염의 가장 중요한 요인이 되었다. 따라서 새로운 청정 에너지를 찾는 것은 중국의 지속 가능한 발전에 큰 의미가 있다. 95' 와' 15' 기간 동안 과학기술부는 연료전지 자동차 및 관련 기술의 연구개발을 국가 과학기술 계획에 포함시켰다. 2002 년 6 월, 중과원은 중과원 대련화학물리학연구소가 주관하는 고전력 양성자 교환막 연료전지 엔진 및 수소에너지 기술인 과학기술혁신 전략행동계획 중대 프로젝트를 시작했습니다. 과학기술부 국가 고기술 발전 계획 ("863") 을 바탕으로 자주지적재산권을 가진 75KW 및 150KW 연료전지 엔진 및 수소에너지 기술 세트를 개발하여 중국이 하루빨리 수소에너지 시대로 진입하도록 돕는다. 현재 우리나라는 연료전지 이외의 승용차와 승용차를 성공적으로 개발해 누적 실험 운행이 2000km 를 넘었다는 것은 우리나라가 이미 수소 동력연료 전지 엔진을 개발할 수 있는 능력을 갖추고 있다는 것을 의미한다. 2008 년 올림픽과 20 10 엑스포가 열렸을 때 연료 전지 자동차는 이미 거리에서 소량으로 주행했다. 수소 에너지 1 준비 방법. 화석 연료 수소 생산 전통적인 수소 생산 산업에서 화석 연료 수소 생산은 가장 널리 사용되는 방법으로 성숙한 기술과 공업 설비를 갖추고 있다. 주요 방법은 중유의 부분 산화 재조정 수소 생산, 천연가스 증기 재조정 수소 생산, 석탄 가스화 수소 생산이다. 수증기와 천연가스 수소 생산의 화학반응은 CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2 입니다. 수증기와 석탄에서 수소를 생산하는 기본 반응 과정은 C+2H 2 O=CO 2 +2H 2 입니다. 현재 수소 생산의 90% 이상이 천연가스와 석탄에 기반을 두고 있지만. 그러나 천연가스와 석탄의 매장량이 제한되어 수소 생산 과정은 환경을 오염시킬 수 있다. 과학 발전관의 요구에 따르면, 이 방법은 분명히 미래의 수소 생산 기술에 가장 적합한 선택이 아니다. 2. 전해수를 통해 수소를 생산하는 것은 오랜 공업역사를 가지고 있다. 이 방법은 2H 2 O=2H 2 +O 2 와 같은 수소와 산소의 역반응에 기반을 두고 있다. 현재 일반적으로 사용되는 전해조는 일반적으로 압력 필터 양극구조 또는 상자식 단일 단계 구조를 사용합니다. 각 전해조 쌍의 압력은 1.8 ~ 2.0V 사이이고 1m3H2 를 생산하는 에너지 소비량은 4.0 ~ 4.5 kWh 사이입니다. 상자식 구조의 장점은 설비가 간단하고, 유지 보수가 편리하며, 투자가 적고, 점유 면적이 크고, 시공률이 낮다는 것이다. 필터 프레스 구조는 비교적 복잡하며, 장점은 컴팩트하고, 점유 면적이 작고, 시공산율이 높으며, 단점은 유지관리가 어렵고 투자가 크다는 것이다. 과학기술이 발달하면서 고체 중합체 전해질 (SPE) 전해조가 나타났다. 고체상 추출 풀 재료는 쉽게 구할 수 있어 대규모 생산에 적합하다. 또한 동일한 수의 양극과 음극을 사용하여 H 2 와 O 2 를 분리하는 것이 기존의 알칼리성 전해조보다 효율적입니다. 또한 SPE 전해조의 액체 흐름은 일반 알칼리성 전해조의 1/ 10 으로 수명이 약 300 일입니다. 단점은 전해수의 에너지 소비가 여전히 높다는 것이다. 현재 우리나라 수전해 공업은 여전히 필터 복극 전해조 또는 단급 상자식 전해조 수준에 머물러 있어 외국 공업과 연구 수준과는 큰 차이가 있다. 3. 메탄촉매 열분해수소 전통적인 메탄열해수소 공예는 대량의 이산화탄소 배출을 동반한다. 그러나, 최근 몇 년 동안, 메탄열분해수소는 연구의 핫스팟이 되었다. 메탄분해 1mol 수소는 37.8KJ 의 에너지가 필요하며 0.05 mol 의 CO 2 를 배출한다. 이 방법의 주요 장점은 고순도 수소를 생산하는 동시에 더 경제적이고 쉽게 나타날 수 있는 고체 탄소를 생산할 수 있어 대기 중 이산화탄소를 배출하지 않고 온실효과를 줄일 수 있다는 것이다. 그것은 기본적으로 CO 2 를 생산하지 않기 때문에 화석연료와 재생에너지 사이의 전환 과정으로 여겨진다. 그러나 생산 비용은 결코 낮지 않다. 부산탄소가 넓은 시장 전망을 가지고 있다면, 이 방법은 유망한 수소 생산 방법이 될 것이다. 4. 바이오수소 기술을 이용한 바이오수소 생산은 재생에너지를 절약하고 황정의 오염을 줄이며 미래의 에너지 제비 기술의 주요 발전 방향 중 하나가 될 수 있다. 바이오수소는 상온 상압에서 미생물효소를 이용하여 수소물질 (식물전분, 섬유소, 설탕 등 유기물, 물 포함) 과 생화학반응을 일으켜 수소를 생산한다. 지금까지 연구에 따르면 수소 생산생물은 광합생물 (혐기성 광합성 세균, 녹조류, 녹조류) 과 비광합 생물 (엄격한 염산균, 겸성염산균, 화합산소) 의 두 가지 범주로 나뉜다. 광합성 생물 시아 노 박테리아와 녹조류는 신체의 영리한 광합성 구조를 사용하여 태양 에너지를 수소 에너지로 변환 할 수 있으므로 수소 생산 연구는 비 광합성 생물보다 훨씬 깊습니다. 둘 다 광분해수로 수소를 생산할 수 있는 이상적인 수소 생산 방식이다. 녹조와 녹조류는 수소를 동시에 방출하는데, 수소 생산 효율이 낮은 것 외에 산소에 노출된 수소화효소의 불활성을 어떻게 해결하느냐가 이 기술에서 해결해야 할 중요한 문제이다. 녹조, 녹조류와 비교했을 때, 염산광합 세균은 염산광합 수소 방출 과정에서 산소를 생산하지 않기 때문에 과정이 간단하다. 현재 광합성 수소 방출 과정의 복잡성과 정밀성을 감안하여 연구 내용은 여전히 고활성 수소 생산 균주의 선별이나 선육에 초점을 맞추고 있으며, 환경 조건을 선육하고 통제하여 수소 생산량을 높였으며, 그 연구 수준과 규모는 기본적으로 실험실 수준에 있다. 비광합 생물은 거대 분자 유기물산 수소를 분해할 수 있어 재생에너지 물질 (섬유소와 분해산물, 전분 등) 을 이용하여 수소를 생산하는 연구에서 광합생물보다 우세를 보이고 있다. ). 이런 미생물이 수소원으로서의 연구는 1960 년대에 시작되었고, 90 년대 말까지 중국 과학자 임남기 등은 혐기성 활성 슬러지와 유기폐수를 원료로' 유기폐수 발효 생물수소 생산 기술' 을 개발했다. 이 기술은 바이오수소 생산 기술이 순균과 고정화 기술을 채택해야 한다는 한계를 돌파해 고정화되지 않은 세균을 이용해 수소를 생산하는 새로운 방법을 개척했다. 시험 결과 바이오수소 반응기의 최대 지속 수소 생산 능력은 5.7m3/(m3) 에 달한 것으로 나타났다. 특징 (1) 수소는 자연계에서 가장 흔한 원소이다. 우주 질량의 75% 를 차지하는 것으로 추산됩니다. 공기 중의 수소를 제외하고 주로 화합물로 물에 저장되며, 물은 지구상에서 가장 널리 분포하는 물질이다. (2) 모든 가스 중에서 수소는 열전도성이 가장 좋고 대부분의 기체보다 열전도율이 10 배 높기 때문에 수소는 에너지 산업에서 우수한 열 전달체이다. 핵연료를 제외하고 수소의 발열량은 모든 화석연료, 화학연료, 바이오연료 중 가장 높은 것으로 142.35 LKJ/ 킬로그램에 달한다. 킬로그램당 수소가 연소된 후의 열량은 휘발유의 약 3 배, 알코올의 3.9 배, 코크스의 4.5 배이다. (5) 수소는 모든 원소 중에서 가장 가볍다. 표준 상태에서는 밀도가 0.0899g/리터입니다. 수소는 기체, 액체 또는 고체 금속 수소화물로 나타날 수 있으며 저장, 운송 및 다양한 응용 환경의 다양한 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다. (6) 수소 자체는 독이 없어 다른 연료에 비해 연소할 때 가장 깨끗하다. 물과 소량의 질화수소 외에 일산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소, 납화합물, 먼지 알갱이 등 환경에 해로운 오염물이 생기지 않으며, 소량의 질화수소가 적절하게 처리되어도 환경을 오염시키지 않는다. 그리고 연소로 인한 물은 계속 수소를 생산할 수 있고, 수소를 재사용하면 안전하게 사용할 수 있다. 대량의 실천은 수소가 안전한 사용 기록을 가지고 있음을 보여준다. 1967 과 1977 사이에 미국에서 145 건의 수소 사고가 발생했는데, 이 사고들은 모두 석유 정제, 염소 알칼리 산업 또는 원자력 발전소에서 발생했으며, 실제로 에너지 이용을 포함하지 않았다. 국내외에서 수소를 사용한 경험에 따르면 수소의 흔한 사고는 발견되지 않은 누출로 요약할 수 있다. 밸브 고장 또는 누출; 안전 밸브 고장 대피 시스템 고장 파이프 또는 용기 파열; 재료 손상 변위 불량, 공기 또는 산소와 같은 불순물이 시스템에 남아 있습니다. 수소 배출량이 너무 높습니다. 파이프 라인 커넥터 또는 벨로우즈가 손상되었습니다. 수소 수송 과정에서 충돌이나 전복 사고가 발생했다. 이 사고들은 화재를 일으키기 위해 두 가지 조건을 보충해야 한다. 하나는 불의 원천이고, 하나는 수소와 공기 또는 산소의 혼합물이며, 그 시간과 장소는 불이나 격렬한 진동의 한계에 있어야 한다. 이 두 가지 조건 없이는 사고를 일으킬 수 없다. 사실, 엄격한 관리와 진지한 운영 절차를 통해 대부분의 사고는 피할 수 있다. 수소 에너지의 이용은 크게 세 가지가 있다: ① 직접 연소; (2) 연소 배터리를 통해 전기로 전환; ③ 핵융합. 그중에서 가장 안전하고 효과적인 방법은 연료 전지를 통해 수소에너지를 전기로 바꾸는 것이다. 현재 수소 에너지의 발전은 심각한 에너지 혁명을 일으키고 있으며, 그것은 2 1 세기의 주요 에너지가 될 가능성이 있다. 미국과 유럽 일 등 선진국은 국가의 지속 가능한 발전과 안보 전략의 관점에서 장기적인 수소 발전 전략을 세웠다. 1, 수소 내연기관 수소 내연기관의 기본 원리는 휘발유나 디젤 내연기관과 같다. 수소 내연기관은 전통적인 휘발유 내연기관의 약간 개선된 버전이다. 수소 내연은 수소를 직접 연소시키고, 다른 연료를 사용하지 않으며, 수증기 배출을 일으키지 않는다. 수소 내연기관은 값비싼 특수 환경이나 촉매제가 필요 없기 때문에 비용이 많이 드는 문제는 없습니다. 현재 많은 성공적인 수소 내연기관은 모두 혼합동력이다. 즉, 수소와 휘발유는 모두 연료로 사용될 수 있다. 이렇게 수소 내연기관은 아주 좋은 과도제품이 되었다. 예를 들어, 주유는 한 번에 목적지에 도착할 수 없지만 수소역을 찾아 수소를 연료로 사용할 수 있습니다. 아니면 먼저 액체 수소를 사용하고 일반 주유소에 휘발유를 넣으세요. 이렇게 수소역이 보편화되지 않은 상황에서 사람들은 수소동력차 사용을 두려워하지 않을 것이다. 수소 내연기관은 점화 에너지가 적기 때문에 희박한 연소를 쉽게 실현할 수 있어 넓은 공사 조건 범위 내에서 비교적 좋은 연료 경제성을 얻을 수 있다. 2. 연료 전지에 수소에너지를 적용하는 것은 주로 연료 전지를 통해 이루어진다. 수소 연료 전지 발전의 기본 원리는 전해수의 역반응이다. 수소와 산소는 각각 음극과 양극을 공급한다. 수소는 음극을 통해 바깥쪽으로 확산되어 전해질에 반응한 후 전자를 방출하고 외하중을 통해 양극에 도달한다. 수소 연료 전지와 일반 배터리의 주요 차이점은 건전지와 축전지가 모두 에너지 저장 장치이며, 전기를 저장하여 필요할 때 방출한다는 것이다. 엄밀히 말하면, 수소 연료 전지는 발전소와 마찬가지로 화학 에너지를 전기로 직접 변환하는 전기 화학 발전 장치이다. 수소 연료 전지를 이용하여 전기를 생산하고, 연소된 화학에너지를 직접 전기로 변환하고, 연소할 필요가 없고, 에너지 전환율은 60 ~ 80% 에 달하며, 오염과 소음이 적고, 장치는 크고, 매우 민첩하다. 본질적으로 수소 연소 배터리는 내연 기관과 작동 모드가 다르다. 수소 연소 배터리는 화학반응을 통해 전기를 발생시켜 자동차를 추진하는 반면 내연 기관은 열에너지를 연소하여 자동차를 추진한다. 연료 전지차의 작업 과정에는 연소가 포함되지 않고 기계적 손실과 부식이 없기 때문에 수소 연소 배터리에 의해 생성 된 전기는 차량의 4 개의 바퀴를 직접 밀어 넣는 데 사용할 수 있으며 기계식 변속기를 절약 할 수 있습니다. 현재 선진국의 연구원들은 수소 연료 전지가 내연 기관 시대의 불가피한 추세를 종식시킬 것이라는 것을 강력하게 인식하고 있다. 수소 연료 배터리를 성공적으로 개발한 자동차 제조업체로는 일반, 포드, 도요타, 벤츠, BMW 및 기타 국제 회사들이 있습니다. 3. 핵융합 핵융합, 즉 수소원자핵 (중수소와 중수소) 이 결합하여 더 무거운 원자핵 (헬륨) 을 형성하면 엄청난 에너지를 방출한다. 열핵반응, 혹은 핵격변반응은 매우 유망한 새로운 에너지원이다. 수소, 중수소, 불소, 리튬 등과 같은 핵 반응에 관여하는 수소 핵. 열운동에서 필요한 운동 에너지를 얻어 융합 반응을 일으키다. 열핵반응은 수소폭탄 폭발의 기초로 순간적으로 대량의 열을 발생시킬 수 있지만 아직 사용할 수 없다. 열핵반응이 사람의 의도에 따라 일정한 제한 구역 내에서 제어될 수 있다면, 제어된 열핵반응을 실현할 수 있다. 이것은 현재 실험 연구에서 중요한 과제이다. 제어된 열핵반응은 융합로의 기초이다. 핵융합원자로가 성공하면 인류에게 가장 깨끗하고 무궁무진한 에너지를 제공할 수 있다. 현재 실현 가능성이 큰 통제된 핵융합 원자로는 토카막 장치다. 토카막은 자기제약을 이용하여 핵융합을 통제하는 고리형 용기이다. 그의 이름 토카막은 고리, 카멜라, 자성, kotushka 에서 왔다. 그것은 원래 소련 모스크바 쿠르차토프 연구소의 아치모비치가 1950 년대에 발명한 것이다. 토카마크의 중심은 원형 진공실로 둘러싸여 있다. 전원이 켜지면 토카막 내부에 거대한 나선형 자기장이 생성되어 플라즈마를 매우 높은 온도로 가열하여 핵융합의 목적을 달성한다. 중국에는 두 개의 핵융합 실험 장치도 포함되어 있다. 에너지, 자원, 환경 문제를 내다보면 이 위기를 해결하기 위해 수소에너지가 절실히 필요하지만, 현재 수소에너지의 준비는 아직 성숙하지 않고 있으며, 대부분의 수소 저장 물질 연구는 아직 실험실의 탐사 단계에 있다. 수소 에너지의 제비는 바이오수소 생산을 위주로 해야 하며, 다른 수소 생산 방식은 지속할 수 없고, 과학 발전의 요구에 부합되지 않는다. 바이오수소 중 미생물수소는 유전공학과 화학공학의 유기적 결합이 필요하며, 기존 기술을 최대한 활용해 가능한 한 빨리 요구 사항을 충족하는 수소 생산생물을 개발해야 한다. 바이오매스 수소는 기술의 지속적인 개선과 대대적인 보급을 필요로 하는데, 이것은 어려운 과정이다. 수소 저장은 주로 신소재 발견에 초점을 맞추고 있으며, 재료의 규모나 공업화 제비를 고려하지 않았으며, 다른 수소 저장 물질의 수소 저장 메커니즘은 더 연구해야 한다. 또한 각 수소 저장 물질마다 장단점이 있고 대부분의 수소 저장 물질은 가산 특성을 가지고 있기 때문에 단일 수소 저장 물질의 성능도 더욱 인정받고 있다. 따라서 다양한 단일 수소 저장 물질의 장점을 종합한 복합 수소 저장 물질을 개발하는 것이 미래의 수소 저장 물질의 발전 방향이라고 생각한다.