氫能的開發(fā)與利用概述

李小倩

摘 要：氫能是一次能源高效利用的有效途徑，氫能是最清潔的二次能源，發(fā)展氫能有力推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，而且氫能開發(fā)利用中的安全風(fēng)險是可以控制的，因此可以說氫能是人類未來的能源。

關(guān)鍵詞：氫能；清潔；開發(fā)與利用；安全

0引言

在新能源領(lǐng)域中，氫能已普遍被認為是一種最理想的新世紀無污染的綠色能源，除太陽能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源外，氫能是人類最終和最希望得到的二次能源。氫是自然界中最豐富的元素，廣泛的存在于水、礦物燃料和各類碳水化合物之中。氫燃燒，水是它唯一的產(chǎn)物，因此，氫能是一種取之不盡，用之不竭的新能源。除此之外，氫能還是“和平”能源，由于它既可再生又來源廣泛，每個國家都含有豐富的“氫礦”。不會像化石能源那樣由于分布的極不均勻?qū)е录ち业臓幎??？梢酝瑫r滿足資源、環(huán)境和持續(xù)發(fā)展的要求，是其他能源所不能比擬的，因此可以說氫能是人類未來的能源，氫能的開發(fā)與利用也受到了廣泛的關(guān)注。接下來將從制氫，純化，儲存運輸，應(yīng)用和氫安全五個方面進行介紹。

1氫能制備

氫氣的制備方法隨著工藝水平的進步也在不斷地創(chuàng)新、發(fā)展，下面主要介紹兩種目前常用的制氫方法。

1.1生物質(zhì)化學(xué)制氫

可再生生物質(zhì)制氫是未來氫能的主要來源，涉及到化學(xué)制氫和生物制氫。生物質(zhì)化學(xué)制氫技術(shù)包括生物質(zhì)氣化、熱解、超臨界轉(zhuǎn)化等常規(guī)熱化學(xué)法制氫和生物質(zhì)解聚液相產(chǎn)物的蒸汽重整、水相重整、自熱重整和光催化重整制氫等技術(shù)。

1.2水制氫技術(shù)

以水為氫源的制氫技術(shù)因其可再生性而具有很好的應(yīng)用前景。以水為氫源的制氫技術(shù)主要包括電解水制氫、光催化分解水制氫、直接熱分解水制氫和熱化學(xué)循環(huán)裂解水制氫技術(shù)。

2氫氣純化技術(shù)

大多數(shù)制氫過程后都包含氫氣的純化過程，粗制氫氣后直接連接氫氣純化裝置，來除去氫氣中夾雜的各種雜質(zhì)，這樣可以有效的減少氫氣的浪費、提高純化氫氣的純度。根據(jù)氫氣來源不同，可采用不同的精制方法來制備高純氫。比較常見的方法有變壓吸附法、低溫分離法、金屬鈀膜擴散法、鈀催化吸附法以及金屬氫化物分離法。

目前最常用的純化技術(shù)即為變壓吸附法（PSA），它是利用混合氣體中不同組分對不同吸附劑表現(xiàn)出的不同的吸附特性以及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的加壓吸附、減壓解吸、吸附劑同時再生的變換等過程實現(xiàn)氣體的提純。

3氫能儲運

氫在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為空氣的1/14，因此，在氫能技術(shù)中，氫的儲存與運輸是個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氫能夠以氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種狀態(tài)儲存。根據(jù)儲存機理的不同又可分為高壓氣態(tài)儲氫、低壓液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、新型碳材料儲氫和復(fù)合氫化物存儲等方法。

近年來， 碳質(zhì)材料如活性炭、納米碳纖維、富勒烯等被用作儲氫材料， 其可逆氫吸附過程是基于物理吸附的。從當(dāng)前研究文獻報道的結(jié)果來看， 普遍看好超比表面積活性炭的低溫 （液氮溫度） 、適度壓力 （<6 MPa） 和新型碳納米吸附材料的常溫、較高壓力 （<15 MPa） 兩種儲氫方式。

4氫能應(yīng)用

氫能的利用方式主要有三種：①直接燃燒；②通過燃燒電池轉(zhuǎn)化為電能；③核聚變。其中最安全高效的使用方式是通過燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能。下面以PEM燃料電池為主要研究對象，分析氫能應(yīng)用。

PEM 燃料電池具有高效、環(huán)保等優(yōu)點，被譽為未來世界的新型動力源。作為一種目前最有希望實現(xiàn)商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的燃料電池，PEM 燃料電池備受關(guān)注。

4.1氫燃料電池的原理

電極提供電子轉(zhuǎn)移的場所，陽極催化燃料的氧化過程，陰極催化氧化劑（如氧氣）的還原過程；導(dǎo)電離子在將陰陽極分開的電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子通過外電路做功并構(gòu)成電的回路。相比于作為能量存儲裝置的傳統(tǒng)電池而言，燃料電池實質(zhì)上是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。

燃料電池通過電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)換過程不受卡諾循環(huán)限制，理論能量轉(zhuǎn)換效率大于80 %，實際轉(zhuǎn)換效率可達 40 %～50 % 。另外，燃料電池內(nèi)部不存在機械傳動裝置，故工作時噪聲低且可靠性高。當(dāng)燃料為純氫氣時，其電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物僅為水，對環(huán)境友好。

4.2前景展望

PEM 燃料電池作為新一代動力源，應(yīng)用前景十分巨大，以其特有的高效率和環(huán)保性引起了全世界的關(guān)注，被列為未來世界十大科技之首。應(yīng)環(huán)保、節(jié)能及能源多樣化的要求，燃料電池在固定式發(fā)電站、車輛動力系統(tǒng)上都得到了較快的發(fā)展。我國 PEM 燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了重大進展和突破，相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局工作也開始啟動，尤其在車用動力的應(yīng)用方面已取得了實質(zhì)性進展并成功示范。按照目前的發(fā)展趨勢，PEM 燃料電池技術(shù)有望將在本世紀中期成功地應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。

5氫安全

氫能的安全使用是氫能推廣利用并走向商業(yè)化道路的關(guān)鍵，世界各國都非常重視氫安全方面的研究。

氫氣易泄漏擴散、可燃范圍寬、燃燒熱值高、爆炸能量大，并對材料具有劣化作用，加之氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且操作條件多樣，使用風(fēng)險高，安全性及相應(yīng)法規(guī)和標準的制定趕不上實際需要一直是氫能大規(guī)模推廣應(yīng)用的障礙之一。因此，明確氫的危險性，對氫安全事故后果及預(yù)防展開基礎(chǔ)研究，從而為相關(guān)標準和法規(guī)的制定提供可靠依據(jù)，是氫能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用安全過渡到一個更可持續(xù)階段的重要保障。

參考文獻：

[1].氫能開發(fā)與利用是能源清潔化發(fā)展方向[J].乙醛醋酸化工，2019（02）：46.

[2]伍輝.PEM燃料電池技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].廣東化工，2018，45（06）：131-132+156.

[3]曹湘洪.氫能開發(fā)與利用中的關(guān)鍵問題[J].石油煉制與化工，2017，48（09）：1-6.

[4]鄭津洋，張俊峰，陳霖新，王賡，顧超華，趙永志，劉鵬飛，張鑫，蒙波.氫安全研究現(xiàn)狀[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2016，16（06）：144-152.

[5]賀鵬，田斌.燃料電池PEM的研究進展[J].橡塑資源利用，2014（06）：1-7.

[6]黃亞繼，張旭.氫能開發(fā)和利用的研究[J].能源工程，2003（02）：33-36.