氢能的开发与应用前景

价值工程

0引言

随着全球人口的急剧增长和人类社会的快速发展，人类对化石资源过度开采和不合理利用现象，已经导致化石资源严重短缺、温室效应和酸雨等自然灾害频发，如果再不加以控制，人类的生存环境将进一步恶化，人类必须找到一种更好的新型能源代替即将殆尽的化石能源，并且保证这种能源对生存环境不产生破坏。氢能由于具有资源无穷无尽，燃烧热值大，并且对环境无污染等优点，当然作为首选替代品。而氢能能否得到推广，与目前的制氢技术和储氢技术密切相关。而储氢技术的关键是储氢材料，这直接影响了氢能应用的安全性和经济性。

1氢资源及氢能的储运特点氢是自然界最普遍的元素，资源无穷无尽，且燃烧热值高，产物是水，可以实现零排放无污染、可以进行循环利用。氢能的利用途径多，主要有两种方式：电化学放热和燃烧放热。尽管最终产物都是水，但因为电化学放热是在高温下释放能量，过程可能伴随少量氮的氧化物生成，对环境会造成污染；而燃烧放热是在常温下释放能量，产物只有水，是对环境没有任何污染的零排放过程。目前，氢的储运方式多为气体、液体、还有少量固体或化合物，各种储运方式（见表1）比较突显固体储运优点。

2氢能经济的关键技术是控制制氢成本和储氢成本

探索廉价而又高效的制氢技术，开发新型高效的储氢材料和安

全的储氢技术是降低氢能应用成本的关键，这是氢能能否广泛推广

的重要因素。

2.1制氢技术

2.1.1化石燃料制氢这是目前人类获取氢能的最主要方法，此

技术成熟，成本低廉，但资源短缺，过程中对环境会产生污染，目前

还未彻底解决。

2.1.2水分解制氢这种方法主要利用光化反应，热化学反应和

电化学反应制氢气。光化学反应中太阳能的收集，热化学反应和电

化学反应中需要的热能和电能，这是首先必须要解决的问题。

2.1.3生物质制氢生物制氢主要有两种途径：第一种方法主要

通过厌氧发酵产生甲烷等主要气体，然后通过加工成为氢气；第二

种方法是通过某些微生物（如绿藻）的代谢功能，通过光化学分解反

应产生氢气。生物质制氢适合于民用燃料，大规模制氢不经济，目前

还处于基础研究阶段。

2.1.4光催化制氢这种方法主要通过光催化来制氢，特点是效率不高，原因是太阳光利用不高、光量子产率不高、能量不匹配等，因此，目前的技术关键是研究新型的高效的光催化材料。

2.2储氢材料储氢材料一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。它不仅决定了氢储运过程中的安全性，同时还决定了氢能运输和应用的经济性。作为储氢材料必须具备：①吸氢能力高，即能吸尽量多的氢；②储氢时生成热应尽量小，释氢时温度不能太高。③储氢和释氢的速度要求快；④导热性能优良；⑤对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大；⑥化学稳定性好，经久耐用，不易产生破碎粉化；⑦使用与运输时安全、可靠；⑧来源广、价廉物美等。因此开发出性能优越的储氢材料，必将推动氢能使用的快速发展。目前，人们已经开发出很多的新型储氢材料，根据储氢原理主要有两类：物理储氢技术和化学储氢技术。

2.2.1物理储氢技术指储氢物与氢分子之间只有纯粹的物理吸附或物理作用。物理储氢有活性炭吸附储氢和深冷液化储氢。

2.2.1.1活性炭吸附储氢氢气在碳基材料上的物理吸附，是基于作用力弱得多的范德华力，没有联结原子的化学键的打开与生成过程，因此吸释氢条件温和，吸附热效应相对较小。活性炭具有较高

的比表面积（2000m 2

/g ），利用低温和高压条件，可吸附大量的氢气。

在-120℃,5.5MPa 下，储氢量可达4.0%（质量分数），活性炭储氢材料易得，储氢脱氢操作简单，投资费用比较低。20世纪，科学家发现C 60和纳米碳管对氢气有较强吸附能力，其吸附量可达5-10%，特别

是碳纳米管，多壁纳米碳管电极经过100次充放电后，可保持其最

大容量的70%，单壁纳米碳管循环充放100次后，可保持最大容量

的80%。但是纳米碳管材料不易获得，成本较高，机理不清。

2.2.1.2深冷液化储氢指在常压低温下（-253℃），将气态氢转

化为液态氢，其密度是气态氢的845倍。液氢可用作航天飞机和火

箭的燃料，其相对于高压压缩储氢，能量密度高，但其面临两大难

题：第一，储存保养问题。由于其储存温度与环境温差大，为防止挥

发，对储器材料、结构设计、加工工艺要求苛刻；第二，深冷液化耗能

高。理论上液化1Kg 氢气需耗费4度电，约占氢气总能量的10%，

实际耗电量达30%。

2.2.2化学储氢技术是指储氢物质与氢分子之间通过化学反

应，具有吸收或释放氢的特性。目前化学储氢材料有金属氢化物储

氢、无机化合物储氢，有机液体氢化物储氢。

2.2.2.1金属氢化物储氢其机理是其特殊晶格结构，在一定条

件下，氢原子较容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙中，形成金属氢化物，

可储存其体积1000-3000倍的氢。最早发现的是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯昂贵，缺少实用价值。后——————————————————————

—作者简介：张光辉（1978-），男，陕西咸阳人，讲师，陕西师范大学09级在职研究生，研究方向为无机配合物。

浅析氢能的开发与应用前景

Analysis of Development and Application Prospects of Hydrogen Energy

张光辉Zhang Guanghui

（陕西师范大学化学与材料科学学院，西安710062）

（School of Chemistry and Materials Science ，Shaanxi Normal University ，Xi'an 710062，China ）

摘要：随着社会的不断发展，人类对化石资源的索取也不断增强，目前已经导致化石资源的严重短缺、环境急剧恶化。如果再不找出可以替

代化石资源的能源，人类将会陷入能源危机，氢具有取之不尽，燃烧热值大，并且对环境无污染等优点，成为最理想的替代品。而实现氢能开发利

用的技术关键就是廉价高效的制氢技术和安全高效的储运技术。文章就目前储氢技术和储氢材料的研究进展做了简单的探讨与对比。

Abstract:Hydrogen energy is a new energy,has a calorific value of burning,inexhaustible,and no pollution to environment,therefore,the development of hydrogen energy becomes a trends that human researched.The key technology of hydrogen energy developed and used is that the cheaper and efficient hydrogen production technology and the safety and efficient storage and transportation technology.The present technology of hydrogen storage and hydrogen storage materials research has made the simple discussion and comparison.

关键词：合金；储氢材料；储氢技术；活性炭Key words:alloy ；hydrogen storage materials ；hydrogen storage technology ；activated carbon

中图分类号：TK91

文献标识码：A

文章编号：1006-4311（2012）18-0032-02

表1气体液体储运方式比较

能量密度能耗安全性容器性能

气体储运液体储运固体储运低高高低高中差

差

高高高低·32·