淺析氫能的發(fā)展及展望

朱艷麗

摘要：在環(huán)境污染和能源危機(jī)雙重壓力下，氫能作為一種高效的清潔能源越來越受到世界各國(guó)的重視。

關(guān)鍵詞：氫能 特點(diǎn) 儲(chǔ)存 技術(shù)

隨著全球人口的急劇增長(zhǎng)和人類社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)化石資源過度開采和不合理利用現(xiàn)象，已經(jīng)導(dǎo)致化石資源嚴(yán)重短缺、溫室效應(yīng)和酸雨等自然災(zāi)害頻發(fā)，如果再不加以控制，人類的生存環(huán)境將進(jìn)一步惡化，人類必須找到一種更好的新型能源代替即將殆盡的化石能源，并且保證這種能源對(duì)生存環(huán)境不產(chǎn)生破壞。氫能由于具有資源無窮無盡，燃燒熱值大，并且對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然作為首選替代品。而氫能能否得到推廣，與目前的制氫技術(shù)和儲(chǔ)氫技術(shù)密切相關(guān)。而儲(chǔ)氫技術(shù)的關(guān)鍵是儲(chǔ)氫材料，這直接影響了氫能應(yīng)用的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

一、氫的特點(diǎn)

氫是自然界存在最普遍的元素。據(jù)推算，如果把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比全球所有化石燃料放出的熱量還大9 000倍。氫發(fā)熱值高，除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，達(dá)到121 061 J/g，是汽油的三倍。氫的燃燒產(chǎn)物是水，對(duì)環(huán)境無任何污染，而氫氣在燃燒中產(chǎn)生氮氧化物，比石油基燃料低80%。氫能利用形式多，既可通過燃燒產(chǎn)生熱能又可做能源材料用于燃料電池。氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。

二、氫的儲(chǔ)存

一般條件下氫以氣態(tài)形式存在，貯存困難。常用貯存方法有：常壓高壓氣態(tài)貯存、低溫液氫貯存和金屬氫化物貯存。

1.高壓氣態(tài)貯存

氣態(tài)氫可貯存在地下庫(kù)里，也可裝入鋼瓶中。為提高貯氫量，目前正在研究一種微孔結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氫裝置，它是一種微型球床。微型球系薄壁（1 μm～10 μm），充滿微孔（10 μm～100 μm），氫氣貯存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃和陶瓷或金屬制造。

2.低溫液氫貯存

將氫氣冷卻到- 253 ℃變?yōu)橐簯B(tài)，然后將其貯存在高真空的絕熱容器中。生產(chǎn)液氫一般采用膨脹劑，氨制冷和節(jié)流循環(huán)這三種液化循環(huán)。液氫貯存工藝最早用于宇航中，其成本較高，安全技術(shù)也比較復(fù)雜。高度絕熱的貯氫容器是目前研究的重點(diǎn)。

3.金屬氫化物貯存

現(xiàn)在已研究成功的多種貯氫合金可以分為四大類：一是稀土鑭鎳等，二是鐵- 鈦系，三是鎂系，四是釩、鈮、鋯等多元素系。目前在金屬氫化物貯存方面存在的主要問題是：貯氫量低、成本高及釋氫溫度高。

三、氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是控制制氫成本和儲(chǔ)氫成本

探索廉價(jià)而又高效的制氫技術(shù)，開發(fā)新型高效的儲(chǔ)氫材料和安全的儲(chǔ)氫技術(shù)是降低氫能應(yīng)用成本的關(guān)鍵，這是氫能能否廣泛推廣的重要因素。

1.制氫技術(shù)

1）化石燃料制氫 這是目前人類獲取氫能的最主要方法，此技術(shù)成熟，成本低廉，但資源短缺，過程中對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生污染，目前還未徹底解決。

2）水分解制氫 這種方法主要利用光化反應(yīng)，熱化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)制氫氣。光化學(xué)反應(yīng)中太陽(yáng)能的收集，熱化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)中需要的熱能和電能，這是首先必須要解決的問題。

3）生物質(zhì)制氫 生物制氫主要有兩種途徑：第一種方法主要通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷等主要?dú)怏w，然后通過加工成為氫氣；第二種方法是通過某些微生物（如綠藻）的代謝功能，通過光化學(xué)分解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。生物質(zhì)制氫適合于民用燃料，大規(guī)模制氫不經(jīng)濟(jì)，目前還處于基礎(chǔ)研究階段。

4）光催化制氫 這種方法主要通過光催化來制氫，特點(diǎn)是效率不高，原因是太陽(yáng)光利用不高、光量子產(chǎn)率不高、能量不匹配等，因此，目前的技術(shù)關(guān)鍵是研究新型的高效的光催化材料。

2.儲(chǔ)氫材料 儲(chǔ)氫材料一類能可逆地吸收和釋放氫氣的材料。它不僅決定了氫儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全性，同時(shí)還決定了氫能運(yùn)輸和應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。作為儲(chǔ)氫材料必須具備：①吸氫能力高，即能吸盡量多的氫；②儲(chǔ)氫時(shí)生成熱應(yīng)盡量小，釋氫時(shí)溫度不能太高。③儲(chǔ)氫和釋氫的速度要求快；④導(dǎo)熱性能優(yōu)良；⑤對(duì)氧氣、一氧化碳和水等雜質(zhì)的抵抗力要大；⑥化學(xué)穩(wěn)定性好，經(jīng)久耐用，不易產(chǎn)生破碎粉化；⑦使用與運(yùn)輸時(shí)安全、可靠；⑧來源廣、價(jià)廉物美等。因此開發(fā)出性能優(yōu)越的儲(chǔ)氫材料，必將推動(dòng)氫能使用的快速發(fā)展。目前，人們已經(jīng)開發(fā)出很多的新型儲(chǔ)氫材料，根據(jù)儲(chǔ)氫原理主要有兩類：物理儲(chǔ)氫技術(shù)和化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)。

1）活性炭吸附儲(chǔ)氫 氫氣在碳基材料上的物理吸附，是基于作用力弱得多的范德華力，沒有聯(lián)結(jié)原子的化學(xué)鍵的打開與生成過程，因此吸釋氫條件溫和，吸附熱效應(yīng)相對(duì)較小。活性炭具有較高的比表面積（2000m2/g），利用低溫和高壓條件，可吸附大量的氫氣。在-120℃，5.5MPa 下，儲(chǔ)氫量可達(dá) 4.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），活性炭?jī)?chǔ)氫材料易得，儲(chǔ)氫脫氫操作簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用比較低。20 世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)C60和納米碳管對(duì)氫氣有較強(qiáng)吸附能力，其吸附量可達(dá) 5-10%，特別是碳納米管，多壁納米碳管電極經(jīng)過 100 次充放電后，可保持其最大容量的 70%，單壁納米碳管循環(huán)充放 100 次后，可保持最大容量的 80%。但是納米碳管材料不易獲得，成本較高，機(jī)理不清。

2）金屬氫化物儲(chǔ)氫 其機(jī)理是其特殊晶格結(jié)構(gòu)，在一定條件下，氫原子較容易進(jìn)入金屬晶格的四面體或八面體間隙中，形成金屬氫化物，可儲(chǔ)存其體積 1000-3000 倍的氫。鈦鐵系典型代表：TiFe，美 Brookhaven 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)明，特點(diǎn)：價(jià)格低，室溫下可逆儲(chǔ)放氫，易被氧化，但活化困難，抗雜質(zhì)氣體中毒能力差，實(shí)際使用時(shí)需對(duì)合金進(jìn)行表面改性處理；鎂系典型代表：Mg2Ni，Brookhaven 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先報(bào)道，儲(chǔ)氫容量高，資源豐富，價(jià)格低廉，放氫溫度高（250-300℃），且動(dòng)力學(xué)性能較差；鈦鋯系：具有 Laves 相結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，原子間隙由四面體構(gòu)成，間隙多，有利于氫原子的吸附，活性好。

四、氫能應(yīng)用前景展望

氫能作為最清潔的可再生能源，近十多年來引起發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視，中國(guó)近來也投入巨資進(jìn)行相關(guān)技術(shù)開發(fā)研究。據(jù)了解，氫能汽車在發(fā)達(dá)國(guó)家已示范運(yùn)行，中國(guó)也正在籌劃引進(jìn)。相信在不久的將來，隨著新型的儲(chǔ)氫材料的不斷開發(fā)，氫能的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，人類生存的環(huán)境也會(huì)進(jìn)一步得到改善。

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