氫能源及其利用

【摘 要】本文首先對氫能源進行了簡要介紹，主要介紹了其優勢和特點。然后介紹了幾種常用的氫能制備技術，接著說明了氫能的儲存與輸運方式。最后介紹了目前氫能的應用，重點闡述了氫氣在燃氣輪機中的應用。

【關鍵詞】氫能源;制備;儲存;輸運;應用

0.引言

氫具有高揮發性、高能量，是能源載體和燃料，同時氫在工業生產中也有廣泛應用。現在工業每年用氫量為5500億立方米，氫氣與其它物質一起用來制造氨水和化肥，同時也應用到汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接、氣象氣球探測及食品工業中。液態氫可以作為火箭燃料，因為氫的液化溫度在－253℃。

氫能被提上人類未來能源的議程是大勢所趨。眾所周知，當今世界，為了解決能源短缺、環境污染日益嚴重和經濟持續發展等問題，潔凈的新能源和可再生能源的開發已是迫在眉睫。對我國來說，交通運輸的能耗所占比重愈來愈大，與此同時，汽車尾氣污染已經成為大氣污染特別是城市大氣污染的最重要因素。

1.氫能的優勢和特點

1.1 氫能的優勢

氫能作為一種清潔的新型能源，具有以下優勢：（1）燃燒放出的熱量多；（2）燃燒產物是水，不污染環境；（3）制備的原料是水，資源不受限制。

由于具有上述優點，而且目前電能存在著難以儲存、遠程輸運時損耗大的缺點，故在未來能源體系中，氫能將成為各種能量形式之間轉化的最優良載體。

1.2 氫能的特點

作為能源，氫能具有無可比擬的潛在開發價值：

（1）安全環保：氫氣分子量為2， 比空氣輕1/14， 因此，氫氣泄漏于空氣中會自動逃離地面，不會形成聚集。而其他燃油燃氣均會聚集地面而構成易燃易爆危險。無味無毒，不會造成人體中毒，燃燒產物僅為水，不污染環境。

（2）高溫高能：1kg氫氣的熱值為34000Kcal， 是汽油的三倍。氫氧焰溫度高達2800度，高于常規液氣。

（3）熱能集中：氫氧焰火焰挺直，熱損失小，利用效率高。

（4）自動再生：氫能來源于水，燃燒后又還原成水。

（5）催化特性： 氫氣是活性氣體催化劑，可以與空氣混合方式加入催化燃燒所有固體，液體、氣體燃料。加速反應過程，促進完全燃燒，達到提高焰溫、節能減排之功效。

（6）還原特性：各種原料加氫精煉。

（7）變溫特性：可根據加熱物體的熔點實現焰溫的調節。

（8）來源廣泛：氫氣可由水電解制取，水取之不盡，而且每kg水可制備1860升氫氧燃氣。

（9）即產即用：利用先進的自動控制技術，由氫氧機按照用戶設定的按需供氣，不貯存氣體。

（10）應用范圍廣：適合于一切需要燃氣的地方。

2.氫能的制備

2.1從含烴的化石燃料中制氫

這是過去以及現在采用最多的方法，它是以煤、石油或天然氣等化石燃料作原料來制取氫氣 。自從天然氣大規模開采后，傳統制氫的工業中有96％都是以天然氣為原料，天然氣和煤都是寶貴的燃料和化工原料，其儲量有限，且制氫過程會對環境造成污染，用它們來制氫顯然擺脫不了人們對常規能源的依賴和對自然環境的破壞。

2.2電解水制氫

這種方法是基于氫氧可逆反應分解水來實現的。為了提高制氫效率，電解通常在高壓下進行，采用的壓力多為3.0～5.0MPa。目前電解效率為50％～70％。由于電解水的效率不高且需消耗大量的電能，因此利用常規能源生產的電能來進行大規模的電解水制氫顯然是不合算的。

2.3生物制氫

生物制氫以生物活性酶為催化劑，利用含氫有機物和水將生物能和太陽能轉化為高能量密度的氫氣 。與傳統制氫工業相比，生物制氫技術的優越性體現在：所使用的原料極為廣泛且成本低廉，完全脫離了常規的化石燃料，可實現零排放。發展生物制氫技術符合國家對環保和能源發展的中、長期政策，前景光明。

3.氫的儲存與輸運

氫能的儲存與輸運是氫能應用的前提。但氫氣無論以氣態還是液態形式存在，密度都非常低，氣態時為0.08988g·L-1(約為空氣的7%)，液態(-253℃)時為70.8g·L-1(約為水的7%)。

總體說來，氫氣儲存可分為物理法和化學法兩大類。物理儲存方法主要包括液氫儲存、高壓氫氣儲存、活性炭吸附儲存、碳纖維和碳納米管儲存、玻璃微球儲存、地下巖洞儲存等。化學儲存方法有金屬氫化物儲存、有機液態氫化物儲存、無機物儲存、鐵磁性材料儲存等。

氫氣的輸運與氫氣儲存技術的發展息息相關，目前氫氣的運輸方式主要包括壓縮氫氣和液氫兩種，金屬氫化物儲氫、配位氫化物儲氫等技術尚有待成熟。

3.1金屬氫化物儲氫

把氫以金屬氫化物的形式儲存在合金中，是近30年來新發展的技術。原則上說，這類合金大都屬于金屬間化合物，制備方法一直沿用制造普通合金的技術。這類技術有一種特性，當把它們在一定溫度和壓力下曝置在氫氣氛中時，就可以吸收大量的氫氣，生成金屬氫化物。生成的金屬氫化物加熱后釋放出氫氣，利用這一特性就可以有效地儲氫。

金屬氫化物儲氫比液氫和高壓氫安全，并且有很高的儲存容量。但由于成本問題，金屬氫化物儲氫僅適用于少量氣體儲存。

3.2氫的輸運

運輸液態氫氣最大的優點是能量密度高(1輛拖車運載的液氫相當于20輛拖車運輸的壓縮氫氣)，適合于遠距離運輸(在不適合鋪設管道的情況下)。若氫氣產量達到450kgh-1、儲存時間為1天、運輸距離超過160km，則采用液氫的方式運輸成本最低，金屬氫化物運輸方式也很有競爭力。但運輸距離若達到1，600km，液氫運輸的成本可比金屬氫化物低4倍，比壓縮氫氣低7倍。

4.氫能的應用

氫能主要在以下幾個方面得到了比較廣泛的應用：（1）氫氣燃燒放熱（如液態氫作為火箭燃料）；（2）用高壓氫氣，氧氣制作氫氧燃料電池；（3）利用氫的熱核反應釋放的核能（氫彈）。下面重點介紹氫氣在燃氣輪機中的應用。

由于空氣質量不斷下降，各國均認識到必需降低COx、NOx、煙塵等污染物的排放量。在現代社會中，很大一部分能源通過火力發電、被轉化成電能，因此發電廠是最大的污染源之一，必須對發電設備加以必要的改進。

出于降低NOx排放量的目的，目前氫主要是以富氫燃氣(富氫天然氣或合成氣)的形式應用于燃氣輪機發電系統，關于純氫作為燃料氣的報道很少。

5.小結

氫能作為一種潔凈的可再生能源，同時又具有可儲可輸的特點，從長遠上看，它的發展可能帶來能源結構的重大改變，而在目前它是一種理想的低污染或零污染的車用能源，國際上公認在不遠的將來氫燃料汽車將是解決城市大氣污染的最重要途徑之一。因此，氫能作為解決當前人類所面臨困境的新能源，具有廣闊的應用前景。 [科]

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