现代工业中氢能源的研究与应用

现代工业中氢能源的研究与应用

【摘要】经专家研究认为，21世纪中叶，传统的能源石油和煤炭将逐渐走向枯竭。氢能便是一种既环保又经济的替代产品。本文就氢能的特点、用途、制备技术以及储运方法都做了详尽的閳述。

【关键词】氢能；制备技术；储运方法

1.氢能的特点与用途

在现代工业中，氢能被公认为人类未来的理想能源。氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料；氢不但燃烧放出的热量多，而且燃烧产物是水，不污染环境；同时，氢制备的原料是水资源不受限制。另外，氢气是活性气体催化剂，可以与空气混合方式加入催化燃烧所有固体、液体、气体燃料。氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的。而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采，几乎完全依靠化石燃料。现代工业中每年用氢量为5500亿立方米，氢气与其他物质一起用来制造氨水和化肥，同时也应用到汽油精炼工艺、玻璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品工业中。液态氢可以作为火箭燃料，因为氢的液化温度在-253度c.氢能被提上人类未来能源的议程是大势所趋。众所周知，当今世界为了解决能源短缺、环境污染日益严重和经济持续发展等问题，洁净的新能源和可再生能源的开发已是迫在眉睫。对我国来说，交通运输的能耗所占比重愈来愈大。与此同时，汽车尾气污染已成为大气污染特别是城市大气污染的最重要因素。然而，用氢作为汽车燃料，不仅干净在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作

用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4%的氢气，用它作为汽车发动机燃料，就可省油40%，而且无需对汽油发动机作多大的改进。

另外，氢能在其它方面也得到广泛应用。近年来由沃克能源公司研究的一种水燃料氢氧机实现了在碳钢领域的应用，这种水燃料氢氧机设备以水能源产生氢氧燃料，取代了液化气、丙烷、乙炔燃气。与乙炔相比，节省成本40%以上。氢氧焰切割不挂渣，切割速度快10%。氢能作为一种洁净的再生能源，同时又具有可储可输的特点，从长远看，它的发展可能带来结构的重大改变，而在目前它是一种理想的低污染或零污染的车用能源。因此，氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源，具有广阔的应用前景。

2.氢能的制备技术

经过长期研究，目前我国氢能源的制备技术有以下几种类型：化石燃料制氢；电解水制氢；光解水制氢；生物制氢；生物降解及模拟氢化酶制氢。

2.1化石燃料制氢

从含烃的化石燃料中制氢，这是过去及现在采用最多的方法。它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。自从天然气大规模开采后，传统制氢的工业中有96%都是以天然气为原料，天然气和煤都是宝贵的燃料和化工原料，其储量有限、且制氢过程

会对环境造成污染，用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖和对自然环境的破坏。

2.2电解水制氢

这种方法是基于氢氧可逆反应分解水来实现的。为了提高制氢效率，电解通常在高压下进行，采用的压力多为3.0-5.0mpa.目前电解效率为50%-70%。由于电解水的效率不高，且需消耗大量的电能，因此利用常规能源生产的电能来进行大规模的电解水制氢显然是不合算的。

2.3生物制氢

生物制氢是以生物活性酶为催化剂，利用含氢有机物和水将生物能和太阳能转化为高能量密度的氢气。与传统制氢工业相比，生物制氢技术的优势体现在：所使用的原料极为广泛且成本低廉，完全脱离了常规的化石原料，可实现零排放。发展生物制氢技术符合国家对环保和能源发展的中、长期政策，前景光明。

3.氢的储运

3.1储氢材料的研究进展情况

储氢材料的开发是解决氢能应用中氢存储技术难题的关键。储氢材料按氢结合的方式，可分为化学储氢（如储氢合金，配位氢化物，氨基化合物，有机液体等）和物理储氢（如碳基材料，金属有基框架材料mof等。）

化学储氢：（1）储氢合金材料是指在一定温度和氢气压力下，能可逆的大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。由于其储氢

量大、无污染、安全可靠，并且制备技术和工艺相对成熟，所以是目前应用最为广泛的储氢材料。储氢合金主要分为：镁系a2b型，稀土系ab5型，钛系ab型和锆系ab2型四大系列。（2）配位氢化物是以naaih4和libh4为代表的一系列轻金属的铝氢化物和硼氢化物，这类化合物具有很高的理论储氢容量（libh4的理论储氢量为18wt%），但合成比较困难。值的注意的是u，最近金属硼氢化物正掀起一阵研究热潮。（3）氨基化合物储氢体系是近年来的研究热点。其中li-n-h和li-mq-n-h体系的制备、性能、反应机理尤为受到关注。该体系储氢量高，使用条件相对温和。许多体系尚未开发，机理有待完善，具有开发的潜力。该体系存在两大问题：一是低温下吸放氢动力学性能差，再吸氢温度过高，可逆性差，一是反应过程中nh，是否存在的反应机理问题存在争议。（4）有机液体材料储氢是利用该类物质的不饱和键与氢原子间，在一定条件下发生一对互逆反应来完成的，即加氢和脱氢反应。通过加氢反应来实现储氢过程。

物理储氢：（1）近年来，由于纳米材料制备技术的快速发展，碳及纳米碳储氢成为储氢材料的焦点。其中活性碳（ac）以其吸附能力达、表面活性高、比表面积大、循环使用寿命长、易实现规模化生产等优点成为一种独特的多功能吸附剂。与其它储氢技术相比，超级活性碳储氢具有经济、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和容易实现规模化生产等优点，是一种颇具潜力的储氢方法。（2）石墨纳米纤维是一种截面呈十字型，面积为0.3-5mm，长度10-100m

之间的石墨材料，它的储氢能力取决了其纤维结构的独特排布。氢气在碳纳米管中的吸附储存机理比较复杂。根据吸附过程中吸附质与吸附剂分子之间相互作用的区别，以及吸附质状态的变化，可分为物理吸附和化学吸附。碳纳米管可以分为单壁碳纳米管（swt）和多壁碳纳米管（mwnt）两种。

3.2储氢材料的应用情况

（1）氢气的超纯净固态化储存与运输：兼有储存和净化双重功能的储氢器与现行的氢气钢瓶一把膜氢净化器体系相比，具有价格低、体积小、容量大、操作简便，不易损坏等优点，适用于电子、化工、冶金、气象等一切需要高纯氢的部门。使用液氢槽车贮罐和高压氢气瓶运输或存储氢，不仅昂贵，安全措施要求甚高，而且由于蒸发和泄漏不宜长期储存。用储氢材料作介质，使氢气与储氢合金化合固态金属氢化物来储存运输氢气，则可解决长期储存和安全运输的问题。（2）储氢合金的吸放氢压力随温度的升高成对数关系升高。在常温下吸入较低压力的普通氢气，在较高温度下则可释放出高压高纯度氢气。根据这一原理，可制成简有净化与压缩双功能的无运动件高压高纯氢压缩器。储氢材料吸氢时放出大量热量，放氢时则吸收等量的热量。将两种吸氢压力不同的储氢合金分别置于低温侧（冷源）和高温侧（热源），以氢气为工质，进行吸放氢循环，可制成空调机或热泵。用太阳能或工业废热作高温热源，不用电力即可在夏季降温，而在冬季加热。（3）每种储氢合金都有其恒定的温度-压力关系，温度的变化可以通过与其成对数关系的氢化