新能源专题讲座课程论文——氢能讲解

《新能源专题讲座》课程论文

题目氢能源的开发与应用

专业新能源科学与工程

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日期2016.01.05

摘要随着化石燃料等不可再生资源的日益紧缺和环境污染日益加重，人们迫切需要寻找替代能源。氢能作为可持续、清洁的能源而被广泛研究，是未来人类的理想能源之一，对整个世界经济的可持续发展具有重要的战略意义。本文总结了氢能源的生产现状和未来的发展趋势，详述了氢能源制备和存储所面临的问题，提出了关于氢能源未来发展趋势的一些见解。

关键词氢能源生物制氢储氢材料氢气利用

一、氢能源简介

氢能是人类能够从自然界获取的储量最丰富且高效的能源，作为能源，氢能具有无可比拟的潜在开发价值。

(1)氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。

(2)除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，达142.35lkJ/kg，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；

(3)所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求；

(4)氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快；

(5)氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用；

(6)氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用；

(7)所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。

二、氢能源的制备

2.1 从含烃的化石燃料中制氢

这是过去以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3.0～5.0 MPa。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，生物制氢技术的优越性体现在：所使用的原料极为广泛且成本低廉，包括一切植物、微生物材料，工业有机物和水；在生物酶的作用下，反应条件为温和的常温常压，操作费用十分低廉；产氢所转化的能量来自生物质能和太阳能，完全脱离了常规的化石燃料；反应产物为二氧化碳，氢气和氧气，二氧化碳经过处理仍是有用的化工产品，可实现零排放的绿色无污染环保工程。由此可见，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。

2.3.1 微生物制氢

利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。这方面的最初探索大概在1942年前后。科学家们首先发现一些藻类的完整细胞，可以利用阳光产生氢气流。7年之后，又有科学家通过试验证明某些具有光合作用的菌类也能产生氢气。此后，许多科学工作者从不同角度展开了利用微生物产生氢气的研究。近年来，已查明在常温常压下以含氢元素物质(包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物及水)为底物进行生物酶催化反应来制得氢气的微生物可分为5个种类，即：异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌、蓝细胞和真核藻类。其中蓝细胞和真核藻类产氢所利用的还原性含氢物质是水；异养型厌氧菌、固氮菌、光合厌氧细菌所利用的还原性含氢物质则是有机物。按氢能转化的能量来源来分，异养型厌氧菌，固氮菌依靠分解有机物产生ATP来产氢；而真核藻类、蓝细胞、光合厌氧细菌则能通光合作用将太阳能转化为氢能。

2.3.2 生物质制氢

在生物技术领域，生物质又称生物量，是指所有通过光合作用转化太阳能生长的有机物，包括高等植物，农作物及秸秆，藻类及水生植物等。利用生物质制氢是指用某种化学或物理方式把生物质转化成氢气的过程。降低生物制氢成本的有效方法是应用廉价的原料，常用的有富含有机物的有机废水，城市垃圾等，利用生物质制氢同样能够大大降低生产成本，而且能够改善自然界的物质循环，很好地保护生态环境。

通过陆地和海洋中的光合作用，每年地球上所产生物量中所含的能量是全世界人类每年消耗量的l0倍。生物质的使用为液态燃料和化工原料提供了一个有充足选择余地的可再生资源，只要生物质的使用跟得上它的再生速度，这种资源的应用就不会增加空气中CO的含量。就纤维素类生物质而言，我国农村可供利用的农作物秸秆达5亿到6亿吨，相当于2亿多吨标准煤。林产加工废料约为3 000万吨，此外还有1000万吨左右的甘蔗渣。这些生物质资源中，有16％到38％是作为垃圾处理的，其余部分的利用也多处于低级水平，如造成环境污染的随意焚烧、采用热效率仅约为10％的直接燃烧方法等。开发生物质制氢技术将是解决上述问题的一条很好的途径。

三、氢能的储存

目前储氢技术分为两大类即物理法和化学法。前者主要包括液化储氢、压缩储氢、碳质材料吸附、玻璃微球储氢等；后者主要包括金属氢化物储氢、无机物储氢、有机液态氢化物储氢等。传统的高压气瓶或以液态、固态储氢都不经济也不安全，而使用储氢材料储氢能很好地解决这些问题。目前所用的储氢材料主要有合金、碳材料、有机液体以及络合物等。

3.1 金属氢化物储氢材料

金属氢化物是氢和金属的化合物。氢原子进入金属价键结构形成氢化物。金属氢化物在较低的压力100MPa下具有较高的储氢能力，可达到每立方米100 kg 以上，但由于金属密度很大，导致氢的质量百分含量很低，只有百分之五左右。储氢合金不仅具有安全可靠、储氢能耗低、单位体积储氢密度高等优点，还有将氢气纯化、压缩的功能，是目前最常用的储氢材料。按储氢合金材料的主要金属