新能源氢能源的利用

新能源氢能源的利用 摘要：能源是现代社会人类生活、生产中必不可缺的东西。随着社会经济的发展，人们对能 源的需求越来越高。目前世界各国都在大力探索一些不依赖化石燃料的、储量丰富的新的能 源，如太阳能，潮汐能、地热、氢燃料和核能等等。其中氢能作为一种储量丰富、来源广泛、 能量密度高、清洁的绿色能源及能源载体，被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的主要 桥梁。氢能也被认为是最有发展前途的新型能源。 目前，备受青睐的新能源有：天然气、甲醇和氢，它们均具有美好的应用前景。氢能因其可 持续、清洁而被广泛研究，是未来人类的理想能源的首选。氢能在二十一世纪有望成为世界 能源舞台上举足轻重的二次能源。本文在查阅书籍及相关资料上重点介绍氢能的特点、氢能 的制备、氢能的储存、氢能的主要应用领域、以及展望今后氢能的发展方向等。 氢能的特点 作为能源，氢能具有无可比拟的潜在开发价值。氢是自然界最普遍存在的元素，它主要 以化合物的形态储存于水中，而水是地球上最广泛的物质；除核燃料外，氢的发热值在所有 化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高；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；氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。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。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，在能源工业中氢是极好的传热载体。所以，研究利用氢能已成 为国内外学者研究的热点[2] 刘江华.氢能源——未来的绿色能源,现代化工[J]. 2006,26(2) 1. 氢能制备方法 1.1 矿物燃料制氢 其方法主要为天然气水蒸气重整制氢和煤气化制氢。前者的制氢化学反应为： CH4+2H2O==CO2+4H2；后者的制取氢气的基本反应过程为：C+2H2O==CO2+2H2。 还可采用碳氢化合物部分氧化法来制氢、重油部分氧化重整制氢。但离不开煤炭、天然气、 石油等矿物燃料，所以算不上是一种有前途的制氢技术。 1.2 电解水制氢 这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：2H2O==2H2＋O2，制得氢气的纯度可达 99.5～99.8%。 但是用电量很大，成本太高。 2.3 甲烷催化热分解制氢 近年来，甲烷因热分解制氢能避免 CO2 的排放，而成为人们研究的热点。该法主要优点在 于制取高纯氢气的同时，制得更有经济价值、易于储存的固体碳，从而不向大气排放二氧化 碳，减轻了温室效应，但生产成本不低。 2.4 各种化工过程副产品氢气的回收，如氯碱工业、冶金工业等 2NaCl+2H2O=====Cl2↑+2NaOH+H2↑ 2.5 生物制氢 生物制氢是利用微生物在常温、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)为底物进行酶生化反应来制得氢气。产氢生物可分为两大类：光合生物(厌氧光合细 菌、蓝细菌和绿藻)和非光合生物(严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌)[4]。刘江华.方 新湘.周华. 我国氢能源开发与生物制氢研究现状, 新疆农业科学 2004,41(z1) 光合生物蓝细菌和绿藻可利用体内巧妙的光合结构转化太阳能为氢能，二者均可光裂解水产 生氢气。 非光合生物可降解大分子有机物而产氢，使其在生物转化可再生能源物质(纤维素及其降解 产物和淀粉等)生产氢能。[4] 刘江华.方新湘.周华. 我国氢能源开发与生物制氢研究现状, 新 疆农业科学 2004,41(z1) 3.氢能的贮存 3.1 高压气态储氢 高压钢瓶储氢就是一种常用的氢气储存方法。高压气态储氢是一种应用广泛、简便易行、技 术相对成熟的储氢方式，而且成本低，充放氢速度快，在常温下就可进行。但其缺点是需要 厚重的耐压容器，并要消耗较大的氢气压缩功，存在氢气易泄漏和容器爆破等不安伞因素 [3]。丁福臣.易玉峰．制氢储氢技术．北京：化学工业出版社，2006：1～5 3.2低温液态储氢 若仅从质量和体积上考虑，液氢储存是一种极为理想的储氢方式。但是由于氢气液化要消耗 很大的冷却能量，增加了储氢和用氧成本。 3.3 常压贮存，如湿式气柜、地下储仓。 3.4固态储氢 固态材料储氢是通过化学反应或物理吸附将氢气储存于固态材料中，其能量密度高且安全性 好，被认为是最有发展前景的一种氢气储存方式[6]。 Schlabach L,Züttel A. Hydrogen-Storage Materials for Mobile Applications[J]. Nature, 2001,414:353-358. 固态储氢材料包括可充氢化物(如金属氢化物一镍电池)、化学氢化物(如水解或热解储氢)、 碳和其他高比面积材料(主要以物理吸附为主)。 4.氢能的主要应用领域 4.1 航天 1970年美国”阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。我国长征 2 号、3 号也 使用液氢做燃料。 4.2交通 利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料 电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。 4.3 民用 燃料电池发电系统在民用方面的应用也很广泛。氢能发电、氢介质储能与输送，以及氢能空 调、氢能冰箱等。 5.美好的展望 在精细有机合成工业中，氢气也是重要的合成原料之一；在合成氨工业中氢气是重要的原料 之一；氢气还可以作为填充气在气象观测中应用；在测试中氢气可以做为气，在气 相色谱中氢气可以作为载气。值得着重说明的是，近十几年发展起来的氢燃料电池可直接应 用于航天航海和陆地交通运输，氢能作为未来最有前途的新能源地位已初见端倪。开发生物 制氢技术关键在于如何选育到产氢性能优异、适合工程化处理的细菌，实现生物制氢技术的 工业化[4]。 氢能是未来最有希望的清洁能源之一。氢能的发展和利用不失为我国缓解能源压力的一种好 的方式。虽然目前困难重重，但在不久的将来我们可以预见氢能的利用一定能够 走进我们的生活，同时也让绿色化学走进我们的生活。绿色化学让生活更美好。 OLE_LINK11