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1、关于氢能源的探究石宇，赵晓辉（化学化工学院，内蒙古大学，呼和浩特 010021）摘要：氢能是氢的化学能，是通过氢气和氧气反应所产生的能量，其具有燃烧热值高，燃烧同等质量的氢产生的热量，约为汽油的 3 倍，酒精的 3.9 倍，焦炭的 4.5 倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。但是，其制取困难，运输，储存时的易气化，爆炸，着火等因素也是阻碍其发展的重要原因。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。而电解法为现在主流的制氢方法之一。由于氢气制
2、作成本高，不易压缩，运输成本较高，不安全，所以，未能大量推广使用，本文讲述了氢气的制作、运输、储存等方法。关键词：氢能 可再生能源 氢的化学能 制备 储存 运输 应用随着石油资源的日渐匮乏和生态环境的不断恶化，寻找和发展新型能源为全世界所瞩目。氢能被公认为人类未来的理想能源，有如下几方面的原因：（1）氢燃烧释能后的产物是水，是清洁能源；（2）氢可通过太阳能、风能等自然能分解水而再生，是可再生能源；（3） 氢能具有较高的热值，燃烧氢气可产生 1.251 k J/kg 热量，相当于 063kg 汽油或 4.5kg 焦炭完全燃烧所产生的热量；（4）氢资源丰富，氢可以通过分解水制得。可以预见，未来世界
3、将从以碳为基础的能源经济形态转变为以氢基础的能源经济形态。在利用氢能的过程中，氢能的开发和利用涉及氢气的制备、储存、运输和应用四大关键技术.一、 氢能的制备方法1.1 矿物燃料制氢以煤、石油及天然气为原料制备氢气是当今获取氢气的主要方法。用矿物燃料制氢的方法包括含氢气体的制取、气体中 CO 组分变换反应及氢气提纯等步骤。该方法在我国已具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化，二是煤的气化。以天然气或轻质油为原料制取氢气是在有催化剂存在下与水蒸气反应转化制得氢气，用该法制得的气体组分中，氢气含量可达 74%（体积）。重油与水蒸气及氧气反应亦可制得含
4、氢气体产物，用该法生产氢气，原料费用约占 1/3，而重油价格较低，故为人们所重视。1.2 电解水制氢电解水制氢是目前应用较广且相对成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形成的能量，则可使水分解。提供电解使水分解制得氢气的效率一般在 75%85%，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因而其应用受到一定的限制。目前电解水的工艺、设备均在不断的改进，如对电解反应器电极材料的改进等。以往电解质一般采用强碱性电解液，近年来开发采用固体高分子离子交换膜为电解质，此种隔膜可同时起到电解池阴阳极的隔膜作用。在电解工艺上采用高温高压参数以利反应进行，但电解水制氢能耗仍然很
5、高，一般制氢每立方米氢气需要耗电 4.55.5kwh 左右。1.3 甲醇蒸气转化制氢目前甲醇蒸气转化制氢已成为重要的氢气来源，受到许多国家重视，法国、丹麦等国已开发了自己的甲醇蒸气转化制氢技术，在世界各地建设了许多中小型制氢装置。中国石化集团齐鲁石化研究院也成功地开发了甲醇蒸气转化制氢技术及双功能催化剂 QMH- 01，采用该技术建成的 1000 m3/ h（标准）制氢装置已于 1995 年底投产。该技术的工艺流程为：脱盐水和甲醇按一定比例在进料罐中混合，经进料泵加压约 2MPa 后进入换热器，经与反应产物换热后进入汽化器，接着进入反应器。在反应器中发生如下反应（1）C OHCO+2 - 90
6、.8k J/mol （2）CO + OC + +43.5k J/mol 3 2 2 22整个反应过程是吸热的。反应器和汽化器所需的热量由循环的热油提供。从反应器出来的反应产物在换热器中与进料换热后，再经冷却器冷却进入水洗塔，水洗后的物料进入变压吸附分离装置，经分离后即得成品氢气（纯度不低于 99. 99 %）。由于催化剂 QMH- 01 的双功能特性，使甲醇分解反应（1，吸热反应）和一氧化碳变换反应（2，放热反应）耦合在一起，在一种催化剂床层上同时进行，其总反应式为：C OH+ OC +3 - 47.3 k J/mol 3 2 2 2（3）这种耦合的催化反应效果充分地利用了反应热，节约了能量，
7、并简化了流程。1.4 光催化分解水制氢日本学者最早发现光照 Ti 电极可导致水分解产生氢气，这一现象了利用太阳能分解水制氢的可能性。随着由电2极电解水演变为多相催化分解水、以及 Ti 以外许多新型光催化剂的相继发现，在日本、欧美等国兴起了以光催化方2法分解水制氢，并且已在光催化的制备、改性、以及光催化理论等方面取得较大进展。光解水制氢技术经历了光电化学电池，光助络合催化和半导体光催化等发展阶段，并在光催化相关理论方面取得了较多的成果。二、氢的存储氢在一般条件下是以气态形式存在的, 这就为贮存带来很大的困难。氢的贮存有三种方法:常压高压气态贮存、低温液氢贮存和金属氢化物贮存。2.1 高压气态贮存
8、气态氢可贮存在地下库里,也可装入钢瓶中。为减小贮存体积,必须先将氢气压缩, 为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为 20MPa 的高压钢瓶贮氢重量只占 1.6%；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为 5%。为提高贮氢量,目前正在研究一种微孔结构的储氢装置, 它是一种微型球床。微型球系薄壁 （1m10Lm），充满微孔（10m100m），氢气贮存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃和陶瓷或金属制造。2.2 低温液氢贮存将氢气冷却到 - 253，即可呈液态，然后，将其贮存在高真空的绝热容器中。液氢贮存工艺首先用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。现在一种间壁间充满
9、中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠直径为 30m150m，中间是空心的，壁厚 1m5m。在部分微珠上镀上厚度为 1m 的铝。由于这种微珠导热系数极小，其颗粒又非常细，可完全抑制颗粒间的对流换热；将部分镀铝微珠（一般约 3%5%）混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。2.3 金属氢化物贮存目前，世界上已研究成功多种贮氢合金,它们大致可以分为四类：一是稀土镧镍等，每公斤镧镍合金可贮氢 153L。二是铁 -钛系，它是目前使用最多的贮氢材料，其贮氢量大，是
10、前者的 4 倍，且价格低、活性大，还可在常温常压下释放氢，给使用带来很大的方便。三是镁系，这是吸氢量最大的金属元素，但它需要在 287下才能释放氢，且吸收氢十分缓慢，因而使用上受限制。四是钒、铌、锆等多元素系，这类金属本身属稀贵金属，因此只适用于某些特殊场合。目前在金属氢化物贮存方面存在的主要问题是：贮氢量低、成本高及释氢温度高。三、氢气的运输氢虽然有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液态氢，它们在使用过程中都存在着不可忽视的特殊问题。首先，由于氢特别轻，与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大，即使液态氢也是如此。其次，氢特别容易泄漏，以氢作燃料的汽车行驶试验证明：即使是真空
11、密封的氢燃料箱，每 24h 的泄漏率就达 2%，而汽油一般一个月才泄漏 1%。因此对贮氢容器和输氢管道、接头、阀门等都要采取特殊的密封措施。第三，液氢的温度极低，只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤，因此在运输和使用过程中应特别注采取各种安全措施。四、氢能的应用氢是地球上储量最丰富、分布最广的资源。氢也是重要的工业原料，而且是今后主要的二次能源之一。氢既是一种能源材料，也是一种功能材料，还是重要的特种气体之一。氢的应用主要有如下。4.1 高能燃料氢的燃烧值最高,达 121061k J/kg，比甲烷（其燃烧值为 50054k J/kg)、汽油（44467k J/kg）、乙醇（27006k J
12、/kg）、甲醇（20254k J/kg）都高。由液氢和液氧组合的推进剂所产生的比冲高达 3822Ns/kg（390s），所以在火箭、飞船和卫星发射等航空航天事业得到重用。航天飞机的主机是以液氢为燃料和以液氧为氧化剂的，轨道飞行器也有 2 个液氢和液氧储槽在进入轨道时用。4.2 环境保护空气污染主要是由燃料油燃烧时放出的二氧化硫引起的，因而燃料油脱硫已成为控制环境污染的关键因素。氢可用于石脑油、粗柴油、燃料油的加氢脱硫,加氢精制可除掉有害化合物如硫化氢，硫醇、含氮化合物、酚类等；造纸厂为降低氯气的污染,在纸浆漂白中使用双氧水，而双氧水生产又需用氢；到 21 世纪,用氢来处理堆积如山的废物将成为现
13、实，其方法是将废物经加氢处理以制取有用的产品。4.3 电子工业在大规模、超大规模和兆位级集成电路制造过程中, 需用纯度为 99.9995%99.99995 %的超纯氢作为配制某些混合气的底气。在电真空材料和器件如钨和钼的生产过程中，需用氢作为还原气。电子管、离子管、显像管和激光管等的制造均需用高纯氢作保护气。五、 氢能的发展前景氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输送性能好、应用形式多等诸多优点，赢得了人们的青睐。从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气，国内虽已有规模化生产，但从长远观点看，这已不符合可持续发展的需要。从非化石燃料中制取氢气才是正确的途径。根据技术发展趋势,今后储氢研究的重点是在新型高性能规模储氢材料上。国内的储氢合金材料已有小批量生产，但较低的储氢质量比和高的价格仍阻碍其大规模应用，因而廉价储氢材料的开发仍是今后氢能利用过程中很关键的一环。六、参考文献1 蔡迎春,徐贤伦.甲醇蒸气催化转化制氢研究进展J.分子催化,2000,14(3):235- 2402 王艳辉,吴迪镛,迟建.氢能及制氢的应用技术现状及发展趋势J.化工进展,2001,20 (1):6- 8.3 许馨予，叶智伟，陈浩乾，沈时明，黄 景 新能源氢能J.广州化工 2009.37.44 王静.稀土在功能材料中的应用和新进展J.化学推进剂与高分子材料,2003,1(5):29- 33.
