氫能的研究綜述

周 錦，席 靜，王 靜，梁 斌

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

隨著人類社會的進步，能源問題也日益加劇，一邊是人類對能源的需要量越來越大，一邊是能源帶來的環(huán)境問題也愈來愈嚴重，所以科學(xué)家們致力于尋找新的更加清潔的可再生的能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源。氫能作為新能源的一員，具有可持續(xù)性、清潔性，所以引起了全球能源研究者的關(guān)注，被認為是未來理想能源之一。

1 氫能源的概述

1.1 什么是氫能源

眾所周知，氫是自然界含量的元素，大約能夠占宇宙質(zhì)量的75%。但是，除了空氣中含有少量的氫單質(zhì)(氫氣)之外，氫元素都主要以化合物的形態(tài)貯存，主要是儲存在水中。又由于，水是地球上存在最廣泛的物質(zhì)，所以可以說氫能源是人類能夠從自然界獲取的儲量最豐富的能源之一，同時又是最高效的能源之一，因此能源研究者認為氫能在未來社會具有無與比擬的潛在研究開發(fā)利用價值[1]。

1.2 氫能源的特點

1.2.1 氫能源的優(yōu)點

在現(xiàn)存的所有元素之中，氫元素是最輕的，而在現(xiàn)存的所有氣體之中，氫氣的導(dǎo)熱性能是最好的，除了核燃料之外，氫氣的發(fā)熱值是最高的，燃燒性能也非常好，燃點高，燃燒速度快，同時又無毒無害。在自然界中，氫元素廣泛存在于空氣和水中，所以提取的原料十分豐富。在利用的過程中，氫能源利用形式多樣，利用設(shè)備較簡，同時在儲存的運輸?shù)臅r候，又可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的氫化物形式儲存運輸[2]。

1.2.2 氫能源的缺點

氫能源的開發(fā)利用過程中也存在不少問題，比如制氫技術(shù)，和儲存運輸技術(shù)。首先迫在眉睫要考慮的問題是，開發(fā)研究出更加廉價的制氫技術(shù)，這是目前氫能源研究者目前急需解決的問題。其次就是由于氫元素是現(xiàn)有的最輕的元素，所以在其儲存運輸?shù)臅r候更應(yīng)該考慮它的安全性問題，比如氫和液體燃料以及其它的氣體燃料比起來，更加容易從縫隙中泄漏，而且運輸材料的選擇上，由于錳鋼、鎳鋼以及其它高強度鋼更容易發(fā)生氫脆等等一系列的問題。

2 氫能源的制取技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)化石燃料制氫技術(shù)

從傳統(tǒng)的以煤、石油、天然氣作為代表的化石燃料中制取氫氣，是最原始也是利用規(guī)模最大的制氫技術(shù)。尤其是從天然氣開采技術(shù)發(fā)展到一定階段，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模開采后，此種制氫方法更加被廣泛利用。但是傳統(tǒng)的化石能源的儲量是及其有限的，需要的領(lǐng)域有很多，所以此種制氫方式無疑是增添了傳統(tǒng)化石能源的消耗壓力，更不用說，在制備的過程中，還會對環(huán)境造成很嚴重的污染。所以此種制氫方法并不可以長久的依賴下去，要盡快開發(fā)其他的制氫技術(shù)[3]。

2.2 電解水制氫技術(shù)

電解水制氫技術(shù)通常需要在高壓下進行分解水來實現(xiàn)，但是效率并非十分滿意，以目前的技術(shù)來看僅能達到50%～70%，所以在制備的過程中需要消耗大量的電能，這依然是給傳統(tǒng)的火力發(fā)電增添負擔(dān)，因此從經(jīng)濟型的角度考慮，此種制氫技術(shù)是不能實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。

2.3 生物制氫技術(shù)

生物制氫技術(shù)就是利用生物質(zhì)制氫，在這個過程中，需要利用化學(xué)或者物理方式把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成氫氣，可以利用的生物質(zhì)比較廣泛，比如大多數(shù)植物、工農(nóng)業(yè)垃圾、生活垃圾等。所以此種制氫技術(shù)，是目前比較理想的方式，既能合理的廢物利用，又可以減輕環(huán)境污染，既完全地脫離了傳統(tǒng)的化石能源，又實現(xiàn)了資源的可持續(xù)利用，這將是在未來很長一段時間內(nèi)，氫能源研究者重點開發(fā)研究的熱點之一[3]。

3 氫能源的儲存技術(shù)

3.1 高壓儲氫技術(shù)

氫氣在常溫常壓下是氣態(tài)，這對儲存運輸是一種挑戰(zhàn)，所以我們首先考慮將氫氣壓縮成液態(tài)。這種技術(shù)類似于天然氣的壓縮儲存技術(shù)。一種是直接壓縮，根據(jù)儲氫容器所需要的壓力，利用透平將其壓縮存儲在體積較大的儲氫容器中。還有一種就是將氫氣壓縮至較低的壓力先存儲起來，然后進行加注。原理同天然氣的加注技術(shù)原理[4]。

3.2 液態(tài)儲氫技術(shù)

氫氣是一種高燃燒值燃料，所以在航天領(lǐng)域得到了非常重要的應(yīng)用，液態(tài)儲氫技術(shù)就是一種深冷的氫氣存儲技術(shù)，通過壓縮、深冷技術(shù)將氫氣變?yōu)橐簯B(tài)氫，然后裝在特制的低溫絕熱槽罐內(nèi)，可以通過多種方式進行運輸。

3.3 氫化物儲氫技術(shù)

這種技術(shù)包含的方式只要有三類，儲氫合金、金屬氫化物以及無機非金屬儲氫材料。前兩者利用某些金屬超強的與氫反應(yīng)的能力，在一定的條件下(主要是溫度和壓力)，將其形成合金進行大量的吸收氫氣，然后再在一定的條件(加熱或者降壓)下將其分解，釋放出氫氣。而可以用于儲氫的無機非金屬材料主要有配位氫化物和分子型氫化物，主要利用他們的電子結(jié)構(gòu)和成鍵特性進行吸氫、放氫。這種氫化物儲氫技術(shù)安全可靠，但是反應(yīng)過程較慢[5]。

4 氫能源的利用技術(shù)

氫能源的利用方式有多種多樣，既可以直接燃燒，又可以用在燃料電池中[6]。由于燃料電池最理想的燃料是氫氣，所以氫能源熱點利用技術(shù)主要放在燃料電池上。所謂燃料電池就是通過燃料與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)，將燃料貯藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，通過燃料電池這種先進的能量轉(zhuǎn)化方式，會讓氫能源能真正成為人類社會高效清潔的能源動力。還可以將氫氣直接作為燃料，利用可以儲存氫氣的氫內(nèi)燃機，這是一種新型內(nèi)燃機，可以將氫氣存儲的化學(xué)能通過燃燒的過程轉(zhuǎn)化成機械能，然后用作汽車燃料，甚至可以用來發(fā)電[6]。

5 氫能源開發(fā)利用中存在的問題

雖然氫能源的利用前景非常的廣闊，但是想要實現(xiàn)氫能的大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，需要解決的問題也不少。最關(guān)鍵的就是開發(fā)更加廉價的制氫技術(shù)，同時研發(fā)更加安全可靠的儲存運輸技術(shù)，這兩個是問題在氫能源的開發(fā)利用過程中，是世界各國致力研究的熱點和重點[7]。無論如何，氫氣可以作為一個能源載體來利用，已經(jīng)引起了全球范圍的關(guān)注，可以獲得了很多工業(yè)企業(yè)的支持，所以接下來的任務(wù)就是如何在政府各項的政策支持下建立一個可持續(xù)發(fā)展的能源體系。