氢能的开发利用

氢能的开发与利用

摘 要 伴随21世纪的到来，世界各国都面临着亟待解决的能源问题。氢能是高效清洁环保型新能源，当前在世界范围内氢能源研究开发十分活跃，在我国发展氢能源具有重要的战略意义。文章总结了氢能源的生产现状和未来的发展趋势，详述了氢能源制备和存储所面临的问题，提出了关于氢能源未来发展趋势的一些见解。

关键词 氢能源 生物制氢 储氢材料

Abstract Along with the coming of the 21st century，every country of the world encountered with the problem of energy requirement．Hydrogen is a best kind of new green energy with high calorific value．Its development has very important denotation of strategy in our country．Essay summarizes the status of research hydrogen energy and write up two questions we facing

during the produce and storage of hydrogen energy.At last show some views

about developing of hydrogen energy.

Keywords hydrogen energy hydrogen produced using living things

hydrogen storage materials

1. 引言

面对当前石油危机，世界各国都高度重视，都在千方百计地寻找对策，有的不断地加大石油天然气开发；有的大力发展太阳能和风能；有的不断加大对绿色再生资源的开发利用；有的不惜耗费巨资进行煤变油，以应对石油短缺和恐慌。即使如此，从目前情况来看，解决石油危机没有也不可能有较大起色和效果，更谈不上从根本上遏制石油危机对各国发展造成的严重危害。因此，当前大力发展氢能源就是突破石油魔咒，实现新能源战略拐点的最好选择。因为石油天然气存量有限，风能和太阳能受气候影响，绿色再生资源受土地和时间的限制，煤变油受资源技术和生产成本的限制，它们都是半天候的资源。而只有氢能源才是全天候的资源。地球上的水可谓是取之不尽、用之不竭，用水制作氢能源有着无可比拟的巨大优势和无限广阔的前景。

2. 研究概况

2.1 氢能

众所周知，氢分子与氧分子化合成水，氢通常的单质形态是氢气，它是无色无味，极易燃烧的双原子的气体，氢气是密度最小的气体。在标准状况（0摄氏度和一个大气压）下，每升氢气只有0.0899克重——仅相当于同体积空气质量的二十九分之二。氢是宇宙中最常见的元素，氢及其同位素占到了太阳总质量的84%，宇宙质量的75%都是氢。

氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。现在工业每年用氢量为5500亿立方米，氢气与其它物质一起用来制造氨水和化肥，同时也应用到汽油精炼工艺、玻璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品工业中。液态氢可以作为火箭燃料，因为氢的液化温度在－253℃。

氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源，有无可比拟的潜在开发价值。

(1)氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。

(2)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，达142.35lkJ/kg，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；

(3)所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求；

(4)氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快；

(5)氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用；

(6)氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用；

(7)所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。

2.2 研究现状

中国对氢能的研究与发展可以追溯到60年代初，中国科学家为发展本国的航天事业，对作为火箭燃料的液氢的生产，H2/02燃料电池的研制与开发进行了大量而有效的工作。将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发，则是7O年代的事。氢能的开发利用首先必须解决氢源问题，大量廉价氢的生产是实现氢能利用的根本。氢是一种高密度能源，一般说来，生产氢要消耗大量的能量。因此，必须寻找一种低能耗、高效率制氢方法。安全、高效、高密度、低成本的储氢技术，是将氢能利用推向实用化、规模化的关键。

多年来，我国氢能领域的专家和科学工作者在国家经费支持不多的困难条件下，在制氢、储氢和氢能利用等方面，仍然取得了不少的进展和成绩。但是，由于我国在氢能方面投入资金数量过少，与实际需求相差甚远，虽在单项技术的研究方面有所成就，甚至有的达到了世界先进水平，并且在储氢合金材料方面已实现批量生产，但氢能系统技术的总体水平，尚与发达国家有一定差距。 我国实施可持续发展战略，积极推动包括氢能在内的洁净能源的开发和利用。

近年来，在氢能领域取得了多方面的进展。我国已初步形成一支由高等院校、中国科学院及石油化工等部门为主的从事氢能研究、开发和利用的专业队伍。在国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中国科学院和中国石油天然气集团公司的支持下，这支队伍承担着氢能方面的国家自然科学基金基础研究项目、国家“863”高技术研究项目、国家重点科技攻关项目及中国科学院重大项目等。科研人员在制氢技术、储氢材料和氢能利用等方面进行了开创性工作，拥有一批氢能领域的知识产权，其中有些研究工作已达到国际先进水平。

3. 研究方法

目前的研究方法主要围绕氢能的制备和储存两个方面来进行

3.1 氢能的制备

目前我国97%的氢气是由化石燃料生产的，其余的通过水电解法、太阳能制氢、生物制氢等方法生产。化石燃料制造氢气要向大气排放大量的温室气体，对环境不利。水电解制造氢气则不产生温室气体，但是生产成本较高。因此水解制氢适合电力资源如水电、风能、地热能、潮汐能以及核能比较丰富的地区。

3.1.1 从含烃的化石燃料中制氢

这是过去以及现在采用最多的方法，它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气 。自从天然气大规模开采后，传统制氢的工业中有96％都是以天然气为原料，天然气和煤都是宝贵的燃料和化工原料，其储量有限，且制氢过程会对环境造成污染，用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖和对自然环境的破坏。

3.1.2 电解水制氢

这种方法是基于氢氧可逆反应分解水来实现的。为了提高制氢效率，电解通常在高压下进行，采用的压力多为3.0～5.0 MPa。目前电解效率为50％ ～70％ 。由于电解水的效率不高且需消耗大量的电能，因此利用常规能源生产的电能来进行大规模的电解水制氢显然是不合算的。随着太阳能研究和利用的发展，人们已开始利用阳光分解水来制取氢气。在水中放入催化剂，在阳光照射下，催化剂便能激发光化学反应，把水分解成氢和氧。例如，二氧化钛和某些含钌的化合物，就是较适用的光水解催化剂。人们预计，一旦当更有效的催化剂问世时，水中取“火”——制氢就成为可能，到那时，人们只要在汽车、飞机等油箱中装满水，再加入光水解催化剂，那么，在阳光照射下，水便能不断地分解出氢，成为发动机的能源。

3.1.3 生物制氢

生物制氢以生物活性酶为催化剂，利用含氢有机物和水将生物能和太阳能转化为高能量密度的氢气 。与传统制氢工业相比，生物制氢技术的优越性体现在：所使用的原料极为广泛且成本低廉，包括一切植物、微生物材料，工业有机物和水；在生物酶的作用下，反应条件为温和的常温常压，操作费用十分低廉；产氢所转化的能量来自生物质能和太阳能，完全脱离了常规的化石燃料；反应产物为二氧化碳，氢气和氧气，二氧化碳经过处理仍是有用的化工产品，可实现零排放的绿色无污染环保工程。由此可见，发展生物制氢技术符合国家对环保和能源发展的中、长期政策，前景光明。

① 微生物制氢

利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气 。这方面的最初探索大概在1942年前后。科学家们首先发现一些藻类的完整细胞，可以利用阳光产生氢气流。7年之后，又有科学家通过试验证明某些具有光合作用的菌类也能产生氢气。此后，许多科学工作者从不同角度展开了利用微生物产生氢气的研究。近年来，已查明在常温常压下以含氢元素物质(包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物及水)为底物进行生物酶催化反应来制得氢气的微生物可分为5个种类，即：异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌、蓝细胞和真核藻类。其中蓝细胞和真核藻类产氢所利用的还原性含氢物质是水；异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌所利用的还原性含氢物质则是有机物。按氢能转化的能量来源来分，异养型厌氧菌，固氮菌依靠分解有机物产生ATP来产氢；而真核藻类、蓝细胞、光合厌氧细菌则能通光合作用将太阳能转化为氢能。

② 生物质制氢

在生物技术领域，生物质又称生物量，是指所有通过光合作用转化太阳能生长的有机物，包括高等植物，农作物及秸秆，藻类及水生植物等。利用生物质

制氢是指用某种化学或物理方式把生物质转化成氢气的过程。降低生物制氢成本的有效方法是应用廉价的原料，常用的有富含有机物的有机废水，城市垃圾等，利用生物质制氢同样能够大大降低生产成本，而且能够改善自然界的物质循环，很好地保护生态环境。

通过陆地和海洋中的光合作用，每年地球上所产生物量中所含的能量是全世界人类每年消耗量的l0倍。生物质的使用为液态燃料和化工原料提供了一个有充足选择余地的可再生资源，只要生物质的使用跟得上它的再生速度，这种资源的应用就不会增加空气中CO的含量。就纤维素类生物质而言，我国农村可供利用的农作物秸秆达5亿到6亿吨，相当于2亿多吨标准煤。林产加工废料约为3 000万吨，此外还有1000万吨左右的甘蔗渣。这些生物质资源中，有16％到38％是作为垃圾处理的，其余部分的利用也多处于低级水平，如造成环境污染的随意焚烧、采用热效率仅约为10％的直接燃烧方法等。开发生物质制氢技术将是解决上述问题的一条很好的途径。

3.2 氢能的储备

目前储氢技术分为两大类即物理法和化学法。前者主要包括液化储氢、压缩储氢、碳质材料吸附、玻璃微球储氢等；后者主要包括金属氢化物储氢、无机物储氢、有机液态氢化物储氢等。传统的高压气瓶或以液态、固态储氢都不经济也不安全，而使用储氢材料储氢能很好地解决这些问题。目前所用的储氢材料主要有合金、碳材料、有机液体以及络合物等。

3.2.1 金属氢化物储氢材料

金属氢化物是氢和金属的化合物。氢原子进入金属价键结构形成氢化物。金属氢化物在较低的压力100MPa下具有较高的储氢能力，可达到每立方米100 kg以上，但由于金属密度很大，导致氢的质量百分含量很低，只有百分之五左右。

储氢合金不仅具有安全可靠、储氢能耗低、单位体积储氢密度高等优点，还有将氢气纯化、压缩的功能，是目前最常用的储氢材料。按储氢合金材料的主要金属元素区分，可分为稀土系、钙系、钛系、锆系、镁系等；

① 稀土系储氢合金

LaNi是较早开发的稀土储氢合金，它的优点是活化容易、分解氢压适中、吸放氢平衡压差小、动力学性能优良、不易中毒。但它在吸氢后会发生晶格膨胀，合金易粉碎。

② 镁基储氢材料

镁系储氢合金具有较高的储氢容量，而且吸放氢平台好、资源丰富、价格低廉，应用前景十分诱人。但其吸放氢速度较慢、氢化物稳定导致释放氢温度过高、表面容易形成一层致密的氧化膜等缺点，使其实用化进程受到限制。镁具有吸氢量大(MgH。含氢的质量分数为7.6 )、重量轻、价格低等优点，但放氢温度高且吸放氢速度慢。通过合金化可改善镁氢化物的热力学和动力学特性，从而出现实用的镁基储氢合金。

③ 钛系储氢合金

钛系储氢合金最大的优点是放氢温度低(一30℃)、价格适中，缺点是不易活化、易中毒、滞后现象比较严重。近年来对于Ti—V—Mn系储氢合金的研究开发十分活跃，通过亚稳态分解形成的具有纳米结构的储氢合金吸氢质量分数可达百分之二以上。

④ 钒基固溶体型储氢合金

钒可与氢生成VH氢化物。钒基固溶体型储氢合金的特点是可逆储氢量大、可常温下实现吸放氢、反应速率大，但合金表面易生成氧化膜，增大激活难度。金属氢化物储氢具有较高的容积效率，使用也比较安全，但质量效率较低。如果质量效率能够被有效提高的话，这种储氢方式将是很有希望的交通燃料的储存方式。

3.2.2 碳质储氢材料

在吸附储氢的材料中，碳质材料是最好的吸附剂，它对少数的气体杂质不敏感，且可反复使用。碳质储氢材料主要是高比表面积活性炭、石墨纳米纤维(GNF)和碳纳米管(CNT)。

① 超级活性炭吸附储氢

超级活性炭储氢始于20世纪70年代末，是在中低温(77～273 K)、中高压(1～10 MPa)下利用超高比表面积的活性炭作吸附剂的吸附储氢技术。与其他储氢技术相比，超级活性炭储氢具有经济、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和容易实现规模化生产等优点，是一种很具潜力的储氢方法。

② 碳纳米管/纳米碳纤维吸附储氢

从微观结构上来看，碳纳米管是由一层或多层同轴中空管状石墨烯构成，可以简单地分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及由单壁碳纳米管束形成的复合管，管直径通常为纳米级，长度在微米到毫米级。石墨纳米纤维的储氢能力取决于其纤维结构的独特排布。氢气在碳纳米管中的吸附储存机理比较复杂。根据吸附过程中吸附质与吸附剂分子之间相互作用的区别，以及吸附质状态的变化，可分为物理吸附和化学吸附。

3.2.3 络合物储氢材料

络合物用来储氢起源于硼氢化络合物的高含氢量，日本的科研人员首先开发了氢化硼钠和氢化硼钾等络合物储氢材料，它们通过加水分解反应可产生比其自身含氢量还多的氢气。后来有人研制了一种被称之为“Aranate”的新型储氢材料：氢化铝络合物。这些络合物加热分解可放出总量高达7.4 (质量分数)的氢。氢化硼和氢化铝络合物是很有发展前景的新型储氢材料，但为了使其能得到实际应用，人们还需探索新的催化剂或将现有的钛、锆、铁催化剂进行优化组合以改善NaA1H 等材料的低温放氢性能，而且对于这类材料的回收再生循环利用也须进一步深入研究。

3.2.4 有机物储氢材料

有机液体氢化物储氢技术是20世纪80年代国外开发的一种新型储氢技术，其原理是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应，即加氢反应和脱氢反应实现的。烯烃、炔烃和芳烃等不饱和有机物均可作为储氢材料，但从储氢过程的能耗、储氢量、储氢剂和物理性质等方面考虑，以芳烃特别是单环芳烃为佳。目前研究表明，只有苯、甲苯的脱氢过程可逆且储氢量大，是比较理想的有机储氢材料。有机物储氢的特点是：(1)储氢量大 ；(2)便于储存和运输；(3)可多次循环使用；(4)加氢反应放出大量热可供利用。

4. 结果分析与讨论

能源、资源及环境问题迫切需要氢能源来化解这种危机，但目前氢能源的制备还不成熟，储氢材料的研究大多仍处于实验室的探索阶段。氢能源的制备应主要集中在生物制氢这一方面，其他制氢方法，是不可持续的，不符合科学发展的要求。生物制氢中的微生物制氢需要基因工程同化学工程的有机结合，这样才能充分利用现有科技尽快开发出符合要求的产氢生物。生物质制氢需要技术的不断改进和大力推广，这些都是一个艰难的过程。氢气的储存主要集中在新材料的发现方面，对材料的规模化或工业制备还未及考虑，对不同储氢材料的储氢机理也有待于进一步研究。另外，因为每一种储氢材料都有其优缺点，且大部分储氢材料的性能都有加合性的特点，而单一的储氢材料的性质也较多地为人们所认识。因此认为，应该研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料是未来储氢材料发展的一个方向。

5. 小结

在我国发展氢能源具有重要的战略意义。氢能源汽车开发，涉及到许多技术领域，如能源、材料、物理、化学、机械、电气、自动控制、环保等，也涉及到相关企业、研究机关、大专院校，只有进行协作，风险共担、成果共享，中国的氢能源汽车产业才可能获得实质性的发展。我认为其中最重要的就是政府的认可与支持，只有这样，氢能源才能在替代能源之路上越走越远，早日走进中国的千家万户。

在氢能源的发展方向上，应该向生物制备氢能源这一方向发展，其他制备方法都是不可持续的，但是生物制备法中微生物则需要生物中基因工程与化学工程相结合的方法，这是一个艰难的过程。同时，储存氢能源的材料也必须得到发展，现有的储存氢能的材料优缺点都十分明显，并不适合大规模投产，对不同储存材料的储存机理还有待进一步深入研究。因此，研究出一种将单一储存材料结合的复合式储存材料是未来储氢材料的一种较好的发展方向。

在能源紧缺、交通能源动力系统面临转型的重要时刻，氢能源动力技术的发展对中国的未来尤其重要，必将有助于缓解日益紧迫的环境和社会问题— — 包括空气污染、对人类健康和全球气候的危害，以及各国对煤、石油的依赖，随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善，氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。 发展氢能源，将为建立一个美好、无污染的新世界迈出重要一步。 迫切希望政府加大对氢能源的研究，尽快使这种清洁高效的能源成为中国能源结构组成的重要部分。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/42f9285d68eae009581b6bd97f1922791788be41.html