氢能的研究进展

新能源材料与技术

——氢能的研究进展

学院：材料与化学化工学院

专业：材料加工工程

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氢能的研究进展

摘要：随着可再生能源和生物制氢在氢源的开发、制氢源的开发和制氢技术中的不断拓展，高密度固体储氢材料的进一步研发，以及受燃料电池研究的驱动，氢能系统已经成为洁净能源研究的热点。综述了氢能系统中氢源的开发和制氢、储氢、输氢以及氢能利用5个技术领域的最新研究进展，旨在明确这些技术领域研究中的关键问题及主要研究方向。

关键词：氢能制氢储氢输氢燃料电池

化石燃料引发的温室效应和环境污染日趋严重，迫使清洁能源成为全世界开发和利用的研究热点，其中具有代表性的有风能、潮汐能、太阳能、地热能等可再生能源。然而这些可再生能源发电系统由于运行的间歇性和地处偏远地区，使洁净、安全、高效方便的能源载体成为这些清洁能源利用的关键技术。电作为迄今为止最方便的洁净能源载体被广泛应用于全世界各个地区，尽管有时发电用的化石燃料如煤、石油和天然气并不是洁净能源。氢是另一种洁净能源载体，氢在燃烧或催化氧化后的产物为液态水或水蒸气，氢作为能源载体，相对于其它载体如汽油、乙烷和甲醇来讲，具有来源丰富、质量轻、能量密度高、绿色环保、储存方式与利用形式多样等特点，因此氢作为电能这一洁净能源载体最有效的补充，可以满足几乎所有能源的需要，从而形成一个解决能源问题的永久性系统。

与氢能有关技术的开发和利用已经在世界各地如火如荼地进行着。美国能源部启动了国家氢能发展前景和指南项目，来自全美与氢能有关的企业、大学研究机构、环境保护组织以及政府代表参与会议并签署了未来工作指南；欧洲和日本也相继开展了氢能技术的研究；我国也十分重视氢能的研究开发，国家中长期科学技术发展规划纲要2006~2020年将氢能列为重点研究内容，国家科学技术部在973、863和新能源与节能环保汽车重大专项中都对氢能与燃料电池技术给予高度重视和强力支持，国家自然基金委员会、教育部、中国科学院等单位也都给予持续支持，重点加强氢能领域的前沿课题和关键核心技术研究，加强原始创新和集成创新。2008年北京奥运会期间，燃料电池轿车和大客车进行了示范运行；2010年上海世博会上，氢能燃料电池车实现零排放、加氢站和太阳能制氢氢发电水太阳能制氢循环演示系统等氢能相关领域技术的应用都得到了进一步展现。这都预示着人类正在迎接氢能的到来。

1氢能系统

氢位于元素周期表之首，原子序数为1，是宇宙中普遍存在的元素。自然界中氢在常温常压下以气态氢分子的形式存在，在超低温或超高压下可成为液态或固态。氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢的状态变化过程中所释放的能量，主要包括氢化学能和氢核能两大部分。氢是一种理想的洁净能源载体，被很多国内外专家誉为是21世纪的绿色能源，是人类未来的能源，其具有如下特点：(1)可以方便高效地与电互相转换，互为补充；(2)制氢所用的物质水在自然界大量存在，并且氢无论以燃烧还是电化学转换方式利用后的最终产物只为纯水或水蒸气，因此相对于其它燃料来讲，氢是非常有竞争力的可再生燃料；(3)可采取气态、液态和固态(氢的固态化合物)的方式来存储；(4)可以采用地下管线、车载气罐或火车来长途输运；(5)可以灵活高效地转化为其它形式的能量，如燃烧、电化学转换和氢化等；(6)环境相容性非常好。无论是制氢、储氢、输运以及利用的各个环节中对环境几乎都可以实现零排放，只有氢在高温下空气中燃烧时才会产生非常少量的NO x污染物。氢能系统一般由氢源开发和制氢、储氢、输运和氢能利用等技术领域构成，其中储氢和氢能利用技术最关键。

2 氢能系统技术领域的研究进展

氢能系统的5个技术领域近年来得到了长足的发展，有些已经可以与传统能源的技术和成本相比拟，尽管制氢所需的能量通常总是大于氢利用时所释放出的能量，但氢能系统的灵活高效、环保及可再生性使其依然具有很大的竞争性。2. 1氢源开发和制氢技术

到目前为止，在氢源的开发和制氢技术领域有3个方向，分别为化石燃料(石油、煤和天然气)的裂解、电解水和生物制氢。制氢所需的原材料一般为碳氢化合物和水。工业用氢的制备方法主要是化石燃料的热分解，包括天然气的重整、碳氢化合物的部分氧化和煤的汽化，产氢的成本较低。然而，这些技术严重依赖化石燃料资源且排放二氧化碳。近年来也发展了从化石燃料产氢而不释放二氧化碳的方法，即直接热分解和催化裂解碳氢化合物，这种方法已经被用于制备碳，但相对于制氢成本较高，还处于发展阶段。

电解水制氢的能量效率相当高，通常大于70%，但需要通电，因此较为昂贵。电解水制氢的发展方向是与风能、太阳能、地热能以及潮汐能等洁净能源相互配合，从而降低成本。这些洁净能源由于其能量与时间的关系具有波动性，所以在发电时系统给出的电能是间歇性的，通常不可直接进入电网，必须调节后方可入网。成本最低、最方便的储能方法是将其电解制氢、储氢、输运氢，然后利用氢

能发电入网或转化为其它能量形式。已经证明太阳能电池电解水制氢的能量效率可高达93%以上，但由于太阳能电池成本较高导致大规模制氢的成本上升，因此降低太阳能电池的成本是关键。另外值得一提的是，利用风能发电电解水制氢可降低制氢成本。全世界风能的装机容量以每年27%的速度增长，2004年我国仅有6家风力涡轮机制造商，2009年已提高到70家以上。同时中国风能也激增，到2020年保守估计可以实现8000~10000万kW的装机容量，成为继火电、水电的第三大主流能源。目前风电的成本已经下降到0.5~0.6元/kWh，这是风电的完全成本，并且随着技术进步以及风电制造业的规模化，成本还将进一步下降，而火电目前的不完全成本在0.2~0.3元/ kWh，但这并不包括化石能源价格未来的不断上升以及污染排放的处理成本，因此风电的完全成本在不远的将来有可能低于火电的不完全成本，从而降低电解水制氢的成本。

与传统的热化学和电化学制氢技术相比，生物制氢具有能耗低、污染小等优势。近年来生物制氢技术在发酵菌株筛选、产氢机制、制氢工艺等方面取得了较大进展，已经成为未来制氢技术发展的重要方向。但生物制氢技术目前存在的问题也较多，如产氢率相对高的菌株的筛选、提高产氢效率的产氢工艺的合理设计、高效制氢过程的开发与产氢反应器的放大、发酵细菌产氢的稳定性和连续性、混合细菌发酵产氢过程中彼此之间的抑制、发酵末端产物对细菌的反馈抑制等还需要进一步研究。

2. 2储氢技术

储氢技术按氢的聚集状态可分为高压气态储氢、低温液态储氢以及固体储氢材料储氢。由于在常压下氢气的密度只有0.08988g/L，体积能量密度非常低，因此必须对其进行高压压缩以提高能量密度。高压气态储氢通常是将氢气压缩至压力高达70MPa储存于碳纤维增强的复合材料罐中，可应用于电动汽车的车载氢源，如通用汽车氢能3号燃料电池汽车的车载氢源在70MPa下携带3. 1kg的氢可使汽车运行270km。高压气态储氢的关键是超高压压缩技术和耐超高压复合材料技术进展，主要成本是制作罐体复合材料碳纤维的价格太高。另外一种提高氢气的能量密度的方法是低温液体储氢。在压力为70MPa、液氮温度(77K)下，氢为液态，此时的密度为0. 070kg/L，约为常压下氢气密度的1000倍，为常温(压力为70MPa时为0. 039kg/ L) 时的2倍，因此低温液态储氢技术相对于高压气态储氢具有更大的吸引力。然而低温液态储氢技术的关键是如何降低汽车在停车时车载低温液态储氢罐中液态氢的汽化损耗。该汽化损耗有时可以达到每天1%甚至更多。即使消除了液态氢的汽化损耗，液化氢气需要的能量以及低温氢气较低的燃烧焓(较常温常压下的值约低40%) 都是低温储氢技术需要解决的技术难题。