氢能——未来的理想能源
氢能——未来的理想能源
马瑜璐
摘要：随着煤、石油、天然气等化石燃料的枯竭及环境污染的出现，开发清洁、高效、无污染的可再生能源是当前刻不容缓的任务。本文综合介绍了氢能源的特点、制氢技术及其应用前景，并对氢能的未来提出展望。
关键字：氢能；制氢技术；可再生能源
Hydrogen energy——to-be the ideal energy
mayulu
Abstract: With coal, oil, natural gas and other fossil fuel depletion and the emergence of environmental pollution ,exploitating clean, efficient, non-polluting renewable energy is the current urgent mission. This article presented a synthesis of the characteristics of hydrogen energy, hydrogen technology, its application prospects, and the future prospects for hydrogen energy.
Key words: hydrogen energy; hydrogen technology; renewable energy
随着经济的发展以及人口的增长，人类对能源的需求越来越大，目前煤、石油等化石燃料在当前的能源结构中仍占很大比例，煤、石油等化石燃料的消耗量也日益增加，其储存量日益减少，总有一天这些能源必将枯竭，带来严重的能源危机[1]，这就迫切需要开发一种清洁、高效的可再生能源，氢能就是人们所期待的一种新的理想能源，其清洁、高效、安全、可再生的特点使其被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向。
1 氢能的特点
氢位于元素周期表之首，在所有元素中质量最轻，导热性最好，是自然界存在的最普遍的元素，广泛存在于空气和水中，据推算，把海水中的氢全部提取出来，所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。氢的放热效率高，约为燃烧1克汽油放热的3倍[2]，并可以循环使用。氢的原料主要是水，氢气在燃烧过程中，除释放出巨大的能量外，生成物只有水，不会造成环境污染，被称为“清洁燃料”。氢气的重量轻、密度小、便于运送和携带，容易储藏，与难储存的电相比，优越性更为显著。总之，氢能是一种清洁、高效、安全、可持续的理想能源。
2 氢能的制取与纯化
氢气能否广泛使用，制氢工艺是基础，目前主要的制氢工艺主要包括：
2.1  化石燃料制氢
目前全世界制氢的产量约为5×107t，并以每年6%~7%的速度增加，其中煤、石油、天然气等的制氢约为96%[3]。
2.1.1 煤制氢
煤制氢主要指煤气化制氢，包括造气反应、水煤气变换反应、氢的提纯与压缩三个步骤，主要有Koppers-Totzek法、Texco法、Lurqi法、Winkler法、KRW法、Shell法、Prenflo法、气流床法、流化床法等[3]多种工艺。反应方程式如下：
C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)                    (1)
CO(g)+H2O(g)→CO2(g)+H2(g)                  (2)
这是一个吸热反应，反应所需的热量由氧气与碳的氧化反应提供。
2.1.2 石油制氢
石油也是制氢的重要原料，如甲醇、轻质油、重油，常用的工艺有甲醇裂解——变压吸附制氢、甲醇重整制氢[4]、轻质油水蒸气转化制氢、重油部分氧化制氢等。反应方程式如下：
CH3OH+H2O→CO2+3H2                      (3)
CnH2n+2+nH2O→nCO+(2n+1)H2                (4)
2CnHm+2nH2O→2nCO+(n+m)H2                        (5)
CO+H2O→CO2+H2                                        (6)
2.1.3 天然气制氢
天然气的主要成分是甲烷，天然气制氢主要有天然气/水蒸气重整制氢[5]、天然气部分氧化制氢、天然气/水蒸气重整与部分氧化联合制氢、天然气催化裂解制氢等多种方法。重整工艺主
要有Technip、Uhde、Linde、Foster、Topsoe等[6]。
2.2  水电解制氢
电解水制氢是由浸没在电解液中的一对电极，中间插入隔离氢、氧气体的隔膜构成了电解池。通以一定电压的直流电时，水就分解成氢和氧[7]。反应方程式如下：
2H2生物能源O→2H2(g)+O2(g)              (7)
这种传统的制氢方法，具有产品纯度高和操作简便的特点，但是因为在电解水制氢的生产费用构成中，成本很高，效率低，很难与以化石燃料为原料的制氢方法相竞争。各国科学家正在开发高效水电解法。美国通用电气公司开发的SPE法，效率达90％。
2.3  生物质制氢
当今世界面临的能源与环境的双重压力，使生物制氢倍受人们关注。生物制氢包括光合微生物制氢和非光合微生物制氢。能够产氢的光合微生物包括光合细菌和藻类，这些生物体内的固氮酶和氢酶在氢代谢系统中起着重要作用；非光合微生物制氢包括厌氧发酵制氢、甲酸产
氢、葡萄糖产氢、古细菌产氢，纤维二糖[8]。目前，美国、英国用1克叶绿素每小时可产生1升的氢气，它的转化效率高达75％。近年来，还发现了有机废水、污泥[9]等的厌氧发酵制氢，此法制备氢气更加安全、环保、廉价，指出了氢能源制造的广阔前景。
2.4  太阳能、核能制氢
水在高温下分解，反应方程式如下：
H2O→H2+0.5O2－241.82kJ/mol                (8)
水在不同高温下分解的产物中H2的mol分数不同，只有在高于至3000℃时热解水制氢才有实用意义，可mol分数也低于20%[10]，因此利用常温热源高温水解制氢很不经济，太阳能和核能就成了首选热源，但太阳能装置太贵且效率太低；利用核能制氢在技术成熟的条件下将是一个可行方案。解决太阳能和核能的技术问题，降低成本[11]，提高效率，成为太阳能制氢和核能制氢的关键。对这些问题的解决，将使以太阳能、核能制得的氢能成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料，对环境与经济都具有一定的现实意义，这类制氢技术才是真正意义上的绿的氢经济。
2.5 等离子化学法制氢
等离子化学法制氢是在离子化较弱和不平衡的等离子系统中进行的。水蒸汽在高频放电条件下外层失去电子，通过电场电弧将水加热至5000℃，水被分解成H、H2、O、O2、OH和HO2，其中H和H2的含量达到50%[12]。要及时对等离子进行淬火，使氢不再与氧结合，使等离子体中氢组分含量稳定。该法耗能很高，成本也很高。
2.6 氢气的纯化
工业上对氢气纯度要求很高，所以不管哪种方法制氢都需要进一步进行纯化处理。纯化方法主要有低温吸附法、低温分离法、变压吸附法和无机膜分离法。
低温吸附法是使纯化的氢气冷却到液氮温度以下，利用吸附剂对氢气进行选择性吸附以制备含氢量超过99.9999%的超纯气体；低温分离法可在较大氢气体积浓度30%~80%范围内操作，与低温吸附法相比，具有产量大、纯度低、成本低的特点；变压吸附法是在一定的压力下吸附，再降低被吸附气体分压使其解吸，吸附杂质，纯化氢气；无机膜对气体的选择性及高温下的热膨胀性、强度、抗弯强度、破裂拉伸强度等有明显的优势，但价格昂贵，使用寿命短，开发具有高氢选择性、高氢渗透性、高稳定性的廉价复合无机膜迫在眉睫。
3 氢能的安全与储存、运输
一种能源的安全性是我们首要关心的问题，氢与常规能源相比，既有有利于安全的属性，又有不利于安全的属性。有利于安全的属性：更大的扩散系数和浮力、单位体积或单位能量的爆炸能更低；不利于安全的属性有：更宽的着火范围，更低的着火点、更容易泄露、更高的火焰传播速度更容易爆炸。这些特性决定了氢能有不同于常规能源的危险特征，并且氢能使用不广，人们经验不够，在使用时应格外信心。
氢的储存是一个至关重要的技术，储氢问题是制约氢经济的瓶颈之一，不解决该问题，则难以推广氢能的应用。工业上要求储氢系统安全、容量大、成本低、使用方便。目前的储氢技术主要有高压气态储氢、冷液化储氢、金属氢化物储氢、碳质材料储氢、有机化合物储氢、无机物储氢、地下岩洞储氢、“氢浆”新型储氢、玻璃空心微球储氢等，以复合储氢材料为重点，做到吸附热互补、质量吸附量与体积吸附量互补的储氢材料已有所突破；掺杂技术也有力地促进了储氢材料性能的提高。各种新型储氢技术正在进行研究，有望在近几年内达到商业化应用技术水平[3]。
目前大规模使用的运氢方式主要是气氢运输和液氢运输。气氢运输常用管网运输、车船运输；
液氢运输一般用车船运输。
在氢的储存和运输过程中，使用者要牢记安全第一。
4 氢能的应用及前景
液氢作为燃料已经广泛应用于航空航天行业。包括美国“”登月飞船使用的起飞火箭在内的多种火箭已经使用了液氢作燃料，超音速飞机和洲际飞机以氢为动力的研究也进行多年，近年来已经进入样机和试飞阶段，目前科学家们正研究一种“固态氢”宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行期间，飞船上所有的非重要零部件都可作为能源消耗掉，飞船就能飞行更长的时间。
在交通方面，除美国、日本、欧盟、加拿大等国家和地区以外，我国也已成功研制出燃料电池轿车和客车，且累计实验运行超过2000km，这标志着我国具备开发氢动力燃料电池发动机的能力。
在军事方面的应用也显得尤为重要，德国、美国均已开发出了以PEMFC为动力系统的核潜艇，该类型潜艇具有续航能力强、隐蔽性好、无噪声等优点，受到各国的青睐。
在日常生活中，以氢能为燃料的烹饪炉、发电机组和氢照明灯等的研究也取得显著进展，氢能冰箱、氢能空调[13]等家电在内的家用电器也逐渐出现在人们的视野之中。氢能在小汽车、卡车、公共汽车、出租车、摩托车和商业船上的应用已经成为焦点。
展  望
氢能是一种清洁、高效、可再生能源[14]，是21世纪的理想能源，其可观的应用前景已经凸现出来，但目前氢能技术尚未完全成熟，应用成本较高，储存氢和运输氢的安全性问题没有解决，使得目前氢能未得到大规模使用。世界各国都非常重视氢能的研究与开发，成果也是有目共睹的，我国也积极采取强有力的政策措施和技术资金投入来鼓励和支持氢能产业的发展，成为最大的潜在氢能燃料电池消费市场之一。相信未来世界将出现一场氢能革命，氢能源将会成为未来社会人类最为理想的能源。
参考文献
[1]Smitkova, Miroslava, Janicek, Frantisek. Analysis of the selected processes for hydrogen production[J]. WSEAS Transactions on Environment and Development. 2008, 4(11), 1026-
1035

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