氢能源综述

氢能源的最新研究成果综述---制备、储存以及利用

在法国小说《神秋·岛》中有句话：“我相信，总有一天氢气和氧气会造产生光和热的无尽源泉”。地球上的物质66%是由氢组成的，当石化燃料危机以及由此带来的环境危机越来越成为关系国计民生和人类未来的重要问题的时候，一个全新的“氢能经济”的蓝图正在逐步形成。氢能是一种完全清洁的新能源和可再生能源，它是利用石化燃料、核能和可再生能源等来产生氢气，也可通过燃料电池化学反应直接转换成电能，用于发电及交通运输等，还可用作各种能源的中间载体。氢可作为一种储备的能源，如果利用丰富的过剩电能实现电解水制氢，可以建独立的氢供应站，不必区域联网。因此，氢与可再生一次能源相结合可以满足未来能源的所有需求。

1、氢能源的优越性

氢作为能源有许多优越性。水通过光分解可制得氢，水是取之不尽，用之不竭的原料，又十分低廉，地球的表面有是水，储量很大。氢燃料燃烧后又生成水，是一种燃烧无害、十分清洁的能源。氢在储存、输送上比电力损失小，而且氢燃烧热值高，1kg氢燃烧产生的热量相当于3kg汽油或4.5 kg焦炭的发热量。但是在实际的应用中氢的存储与运输，以及利用太阳能分解水制取氢，一直是制约氢能发展的问题。

2、氢能源的制备与贮存

氢能源的制备

“纯天然的氢能源”目前自然界是没有的。氢能源是一种二次能源。它更像是一种能量的载体，通过某种途径制得，然后再用于另一种途径。氢能源的热值非常高，又不会产生污染（氢气的燃烧产物即为水），因而是理想的二次能源。目前氢能源的制备方法非常多，从传统的电解水制氢，到微生物制氢。课本中已经详细介绍了电解水制氢的方法，因此这里着重介绍生物制氢的方法，以及最近美国科学家最新开发出的用糖来制取氢气的方法。

人们就已经认识到细菌和藻类具有产生分子氢的特性。在生物制氢研究领域，人们以碳水化合物为供氢体，利用纯的光合细菌或厌氧细菌制备氢气，并先后用一些微生物载体或包埋剂，细菌固定化的一系列反应器系统进行了研究。到 20 世纪90年后期，人们直接以厌氧活性污泥作为天然产气微生物，以碳水化合物为供氢体，通过厌氧发酵成功制备出生物氢气，因而使生物制取成本大大降低，并使生物制氢技术在走向实用化方面有了实质性的进展。任南琪等以厌氧活性污泥为菌种来源，以废糖蜜为原料，采用两相厌氧反应器制备出氢气，开创了利用非固定化菌种进行生物制氢的新途径，由于此技术采用的是混合菌种，在运行中方便操作和管理，大大提高了生物制氢技术工业化的可行性，也成为国际上近来生物制氢技术研究的热点。樊耀亭等以牛粪堆肥作为天然混合产氢菌来源，以蔗糖和淀粉为底物，通过厌氧发酵制备了生物氢气。迄今为止，已研究报道的产氢生物类群包括了光合生物（厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻X非光合生物（严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌）和古细菌类群。

最近，科学家利用合成生物学的方法，使用由13种酶组成的混合物，将碳水化合物和水转变成二氧化碳和氢气。实验显示，这一反应在约30℃和1个大气压的条件下即可发生。将二氧化碳抽除后，氢气进入燃料电池产生电力，副产物水可以循环利用。在反应中，氢是主要产物，效率比自然界里厌氧菌分解生物物质产生氢的效率高3倍，每磅氢的成本可能低于1美元。

氢能源的储存

液化储存面临两大技术难点：一是氢液化能耗大，工程实际中，氢液化耗费的能量占液化氢能的30%；二是液氢储存容器的绝热问题，由于储槽内液氢与环境温差大，为控制槽内液氢蒸发损失和确保储槽的安全（抗冻、承压），对储槽及其绝热材料的选材和储槽的设计均有很高的要求。

液氢储罐一般分为内外两层，内胆盛装温度为20K 液氢，通过支承物置于外层壳体中心，支承物可由长长的玻璃纤维带制成，具有良好的绝热性能。夹层中间填充多层镀铝涤纶薄膜，减少热辐射。各薄膜之间放上绝热纸，增加热阻，吸附低温下的残余气体。用真空泵抽去夹层内的空气，形成高真空便可避免气体对流漏热，液体注入管同气体排放管同轴，均采用导热率很小的材料制成，盘绕在夹层内，因此通过管道的漏热大大减小。储罐内胆一般采用铝合金、不锈钢等材料制成，外壳一般采用低碳钢、不锈钢等材料，也可采用铝合金材料，减轻容器重量。

通用公司“氢动一号”试验车采用的高科技燃料罐即为双层不锈钢结构，两层罐体之间抽真空，并有铝箔热辐射反射层。液氢为摄氏零下253 度，比液化天然气的温度要低100 摄氏度。该燃料罐装有75 升液态氢，可以供汽车行驶400 公里。

日本Musashi Institute of T echnology 也进行了液氢汽车的研究，他们采用的液氢容器，容量达230L，内胆外径为800mm，由厚2.5mm 的不锈钢筒体两端加装半球形封头构成，容器工作压力为490kPa，容器内胆和外壳之间有100mm 的空间，外壳材质为铝合金，壁厚5mm，容器总重120kg，蒸发率为每天2.5％。现在有一种壁间充满中空微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠直径约为30- 150μm,中间空心,壁厚1- 5μm。

在部分微珠上镀上厚度为1μm 的铝可抑制颗粒间的对流换热,将部分镀铝微珠（一般约为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,但绝热效果远优于普通高真空的绝热容器, 是一种理想的液氢储存罐,美国宇航局已开始研究使用这种新型的储氢容器，是未来储氢容器的发展方向。

应当指出的是,虽然碳纳米管具有较高的储氢量,但将其用作商业储氢材料还有一段距离, 主要原因在于批量生产碳纳米管的技术尚不成熟且价格昂贵,在储氢机理、结构控制和化学改性方面还需做更深入的研究。除了液化储存这一传统方法，近年来一种名为吸附储氢的方法也被发明出来。它具有安全可靠和储存效率高等特点，因而发展迅速。吸附储氢方式分为物理吸附和化学吸附两大类,其中所使用的材料主要有分子筛、高比表面积活性炭和新型吸附剂（纳米材料）等。由于该技术具有压力适中、储存容器自重轻、形状选择余地大等优点,已引起广泛关注。

目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料, 其中以碳纳米管最引人注目。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构,材料尺寸非常细小,具有较大的理论比表面积,被认为是一种很有前途的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板,层间距为0.337nm ,而氢气分子的动力学直径为0.289nm ,所以碳纳米管能用来吸附氢气。同时碳纳米管中含有许多尺寸均一的微孔,当氢到达材料表面时,除被吸附在材料表面上外,还受到毛细管力的作用,被压缩到微孔中,由气态变为固态。因此,这种材料可以通过吸附而储存相当多的氢,吸附量比活性炭大得多。另外,由于这些层板之间氢的结合不牢固,压力降低时能够通过膨胀来释放氢气,解吸速度快（数十分钟内完成）,可直接获得氢气，使用方便。

3、氢能源的利用

传统氢能源的利用方式包括制成燃料电池，转化成电能，或者作为汽车、飞机的燃料的组成部分。显而易见的，氢能源已经在现代工业化进程中扮演越来越重要的角色。