淺談氫能技術和應用

葉召陽

（佛山市佛鐵實業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

氫是一種清潔的能量載體，可以從任何一種能源和燃料電池中產(chǎn)生，而燃料電池是高效的能量轉換裝置。通過實現(xiàn)氫經(jīng)濟，可以為人類能源的安全利用以及保護大氣環(huán)境做出貢獻。

其在運輸領域替代燃料是為了減少全球范圍內溫室氣體和不可再生能源的開發(fā)，隨著能源技術的進步，科學界和工業(yè)界找到了發(fā)展全球氫經(jīng)濟的方法，而這種方法是基于氫可以作為未來能源載體并能發(fā)揮重要作用的假設。

該文將對氫能在生產(chǎn)領域、儲存領域以及應用領域的各個方面進行分析。

1 氫是什么

氫是一種能量載體，這意味著它可以用一種易于使用的形式儲存和傳遞能量。作為地球上最豐富的元素之一，氫很容易與其他元素結合，在很多物質中幾乎都有氫存在，如水、碳氫化合物、天然氣等。氫也存在于所有動植物的生物量中。

氫還是宇宙中最常見的元素，它的分子H2在任何已知燃料的單位重量中都有最高的能量含量，但它從未在地球上單獨存在過，因為它總是與其他元素結合，如氧（以分子形式水）或碳（形成碳氫化合物）。因此，氫需要人們通過加工生產(chǎn)，才能作為一種能源載體與電力結合使用，使之成為一種新的能源。

2 氫經(jīng)濟

氫經(jīng)濟是能源以氫為媒介（儲存、運輸和轉化）的一種未來的經(jīng)濟結構設想。氫經(jīng)濟可以運用到各個領域，因此需要繼續(xù)開發(fā)和研究。電解水是一種潛在的可持續(xù)制氫的方法，但前提是使用可再生能源發(fā)電。如今，全球電力僅一小部分來自可再生能源，如太陽能、風能和水電發(fā)電。因此，在能夠實現(xiàn)氫經(jīng)濟設想以前，電力的來源必須迅速向可再生能源轉變。太陽能光伏電解水制氫系統(tǒng)是當前研究的熱點。在密歇根州的一個實驗場進行的一個項目中，將40 個太陽能光伏組件直接連接到電解槽/儲存/分配器系統(tǒng)里面，結果氫氣的生產(chǎn)效率僅為8.5%，平均每天生產(chǎn)0.5 kg 高壓氫。類似的研究將會不斷推動太陽能—氫能系統(tǒng)的優(yōu)化升級，從而更好地實現(xiàn)全球氫經(jīng)濟。

3 制氫方式

雖然氫是宇宙中最豐富的元素，但在地球上面氫元素很少會單獨出現(xiàn)。純氫是由其他含氫化合物產(chǎn)生的，如化石燃料、生物量或水。每種生產(chǎn)方法都會用到一種能源，如熱能（熱量）、電能（電解）或太陽能（光分解）等，研究人員正在開發(fā)各種技術，希望可以以更經(jīng)濟、環(huán)保的方式生產(chǎn)氫氣。氫氣生產(chǎn)過程中面對的最大挑戰(zhàn)是如何降低成本，在運輸方面，氫只有與傳統(tǒng)燃料和技術相比具有成本競爭力，才能在市場經(jīng)濟中占據(jù)優(yōu)勢。制氫方法的選擇取決于氫的數(shù)量和所需純度。

3.1 天然氣蒸汽重整

該過程的第一步是將天然氣暴露在高溫蒸汽中，以此產(chǎn)生氫氣、一氧化碳和二氧化碳。第二步是用蒸汽將一氧化碳轉化成額外的氫氣和二氧化碳，而大多數(shù)氫氣是由該過程產(chǎn)生的，制氫生產(chǎn)效率大概是70%～90%[1]。

3.2 電解

電能的作用是將水分解成氫氣和氧氣（2H2O+electricity→2H2+O2）。太陽能、風能和水力發(fā)電等可再生能源產(chǎn)生的能源可作為電能使用。然后將太陽能電池板產(chǎn)生的電能直接連接到生產(chǎn)氫氣燃料電池上，通過電化學分解出氫。

3.3 生物質氣化和熱解

以生物質（木屑、稻殼、城市生活垃圾和農業(yè)廢棄物等）為原料，在隔絕空氣或氧氣的條件下對其進行加熱，使其轉化為富氫燃氣，根據(jù)溫度可分為高溫氣化和低溫熱解。此方法最大優(yōu)點是H2含量高，但缺點是制氫過程會產(chǎn)生焦油，造成環(huán)境污染。

3.4 光生物學過程

光合產(chǎn)氫微生物可以利用光能產(chǎn)生氫氣，如果使用催化劑，制氫效率可達24%。

3.5 光電解離

在該過程中，陽光被半導體吸收，將水分解成氫和氧，可用的半導體有n-TiO2以及n-WSe2等，但目前對于這塊的研究還很少。

4 儲氫方式

氫單位重量蘊含的能量很高，但單位體積的能量含量又很低，因此會給儲存帶來了很大挑戰(zhàn)。在大多數(shù)情況下，固定式儲氫系統(tǒng)的要求沒有車輛儲氫系統(tǒng)嚴格。固定儲氫系統(tǒng)占用的區(qū)域相對較大。然而，車輛儲存系統(tǒng)則面臨著更嚴峻的挑戰(zhàn)，它們必須在車輛的尺寸和重量限制的范圍內運行，并在接近室溫的情況下快速加氫（一般只需幾分鐘）[2]。

許多人認為車輛儲氫是氫燃料電池車廣泛商業(yè)化的最大技術挑戰(zhàn)，目前的方法包括壓縮氫氣罐、液氫罐和材料儲氫。政府、工業(yè)界和學術界的研究人員正致力于對整個儲存系統(tǒng)的儲罐、儲存介質、閥門、調節(jié)器、管道、冷卻能力和其他部件平衡進行研究。研究的重點是降低成本，提高現(xiàn)有氫儲存系統(tǒng)中儲罐質量、體積，并開發(fā)新的技術，使其能夠與汽油燃料儲存系統(tǒng)具有相似的性能和成本。

4.1 壓縮氣體儲罐

目前，新材料已經(jīng)可以制造出能夠在極高壓力下儲存氫氣的儲存罐，雖然儲罐和壓縮的成本很高，但該技術是可行的。

4.2 液氫

將氫氣冷凝成密度更大的液態(tài)，這樣就可以儲存和運輸更多的氫氣。然而，將氫氣轉換成液態(tài)氫的成本很高，而且需要輸入大量的能量。

4.3 氣固吸附

活性炭對氫分子的吸附密度可以接近液態(tài)氫的儲存密度，因此可以大量的儲存氫氣。

4.4 微球

非常小的玻璃球可以在高壓下儲存氫。在高溫下充氣，氣體可以通過玻璃壁，而在低溫下，玻璃是不受氫的影響的，氫氣被鎖在里面。因此，科學家正在開發(fā)定制的玻璃球。

4.5 化學氫化物

各種純金屬或合金金屬可與氫結合，產(chǎn)生穩(wěn)定的金屬氫化物。氫化物在加熱時分解，釋放出氫氣。氫可以以氫化物的形式儲存，比簡單的壓縮儲存要高得多。使用這種安全有效的儲存系統(tǒng)時，要保證在適當?shù)臏囟确秶鷥冉饘倬哂凶銐虻奈侥芰Α?/p>

5 氫的應用

氫可以在燃料電池、渦輪和發(fā)動機內部發(fā)生燃燒反應并轉化為可用能源。目前正在開發(fā)的燃料電池不僅可以提供一種新的發(fā)電方式，而且大大提高了能源的轉換效率，特別是在運輸應用中。

5.1 燃料電池

燃料電池將氫能直接轉換為電和熱，在燃料電池內氫氣與空氣中的氧氣結合，產(chǎn)生電能、純凈水和有用的熱量。例如磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell）和高溫燃料電池（High Temperature Fuel Cell）。

5.2 基于氫的交通運輸

汽油混合動力電動汽車的技術發(fā)展，推動了燃料電池汽車的發(fā)展。這種使用氫能的燃料電池車優(yōu)點是能夠儲存更高效的能量，燃燒效率是汽油的2 倍，不依賴任何化石燃料并且唯一的產(chǎn)物是水。對于這種基于氫能交通運輸工具的使用，需要可在降低成本和延長燃料電池組壽命2 個方面進行研究。

5.3 平衡風力發(fā)電

為了平衡電力生產(chǎn)與負荷要求，可以采用一種新的風力發(fā)電設計方法，最大化地進行儲氫工作。研究人員對某地的風荷載數(shù)據(jù)進行研究后發(fā)現(xiàn)，1 臺半徑為48.4 m 的風力發(fā)電機配套一個容量為2 000 m3的壓縮氫儲能回收系統(tǒng)，可以滿足當?shù)氐挠秒娨?。因此，未來在設計時，可把風力發(fā)電機與儲氫儲能回收系統(tǒng)一同設計，以此滿足用電需求。

5.4 太陽能氫系統(tǒng)

有一些方法可以完全借助光伏系統(tǒng)來產(chǎn)生氫氣和電力，例如光伏—氫系統(tǒng)、太陽直接照射—氫系統(tǒng)、光電化學—氫系統(tǒng)。這些系統(tǒng)將太陽能產(chǎn)生的氫氣直接在終端上使用，如果在加氫站上布置一定數(shù)量的光伏組件及其相應的配套設備，就能使加氫站具備制氫能力，以此實現(xiàn)自給自足。

5.5 核反應堆氫系統(tǒng)

當氫是通過“水分解”產(chǎn)生的而不是碳氫化合物通過加工產(chǎn)生的時候，用氫替代化石燃料可以為減少溫室氣體（GHG）的排放提供了一個重要的機會。利用核能產(chǎn)生的能量進行“水分解”是大規(guī)?！盁o碳”制氫的首選方法。世界各地的研究人員正在尋求2 種新的“水分解”方式，即熱化學循環(huán)和高溫電解（HTE），它們都需要利用新一代的高溫反應堆的熱能來實現(xiàn)。當這2 種方法與高溫核反應堆相結合時，其效率可在50%～60%，而傳統(tǒng)電解法的效率低于30%[3]。這是目前唯一一種不產(chǎn)生二氧化碳的制氫方法。加拿大原子能有限公司（AECL）于21 世紀初開始研究開發(fā)下一代概念堆型，包括超臨界水冷反應堆（SCWR），以此實現(xiàn)大規(guī)模制氫。

6 結論

氫作為一種能源載體，在商業(yè)化使用過程，將面臨各種技術挑戰(zhàn)。氫在提供清潔、安全、可靠和豐富能源方面有著巨大的發(fā)展前景，這也促使人們不斷研究如何將氫作為替代燃料。該文對氫能的制造方式、儲存方式以及應用方式進行了簡單分析。相信在不久的將來，氫能將會替代傳統(tǒng)能源，而人類的生存環(huán)境也會得到進一步改善。