氢能--新能源技术及应用作业

一、在未来的人类社会能源体系中，氢能为何具有举足轻重的地位？

技术和经济的发展以及人口的增长，使得人们对能源的需求越来越大。目前以石油、煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源。一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，大量的CO2、SO2、NOx气体以及其他污染物，导致了温室效应的产生和酸雨的形成。另一方面，由于化石燃料的不可再生性和有限的储量，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。

太阳能、风能、生物质、地热能、潮汐能具有丰富、清洁、可再生的优点,近年来受到了国际社会的广泛关注。尤其以太阳能、风能以及生物质能，更被视为未来能源的主力军。根据简单估算，太阳能的利用率为20%时，利用陆地面积的0.1%就足以提供满足当前全球的能量需求。而中国仅仅依靠风力发电，就足以使目前的发电量翻一番。然而，这些可再生资源具有间歇性、地域特性，并且不易储存和运输的特点，氢以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。

氢能作为一种新能源，其应用前景十分广阔。目前，美国、德国、日本在氢能和储氢金属利用方面已接近实用化了。日本发展了以氢为燃料的压缩发动机。美国不仅在轿车上，而且在公共汽车、摩托车、拖拉机等交通运输工具上都进行了氢能的实用性研究。我国在研究用氢能作热能方面已取得一定成果。1980年，我国研制成功了第一辆燃氢汽车。通过试验，证明若在汽油中加入4%的氢气，则可节油40%，而且无需对汽油发动机作很大的改进，废气中的一氧化碳也可减少十分之九。

此外，氢燃料电池用于航天器、潜艇和其它运输工具也是十分方便的。大型燃料电池发电站已开始商业化，日本、美国和欧洲一些国家正在开发各种燃料电池发电。

为什么氢能将是人类未来的能源？因为氢能具备其他能源所没有的特点。 氢的资源丰富。

在地球上的氢主要以其化合物如水和碳氢化合物石油、天然气等的形式存在。而水是地球的主要资源，地球表面的70%以上被水彼盖，即使在大陆，也有丰富的地表和地下水。水就是地球上无处不在的“氢矿”。氢的来源多样性。可以通过各种一次能源(可以是化石燃料，如天然气、煤、煤层气)，也可以是可再生能源，如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热或者二次能源(如电力)来开

采“氢矿”。地球各处都有可再生能源，而不像化石燃料有很强的地域不均匀性。

氢能是最环保的能源。利用低温燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水。不排放CO和NO，没有任何污染。使用氢燃料内燃机，也是显著减少污染的有效方法。

氢能的利用——氢燃料电池。过去，人们总以为氢气是一种化学元素，很少把它作为能源来看待。自从出现了火箭和氢弹之后，氢气又变成了航天和核武器的重要材料，现在又将其制成氢燃料电池，为人们提供电能。

氢燃料电池与普通电池的区别, 主要在于干电池、蓄电池是一种储能装置，能把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。

另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。

20 世纪 60 年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入 70 年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同，电网有时呈现为高峰，有时则呈现为低峰，这就会导致停电或电压不稳。另外，传统的火力发电站的燃烧能量大约有 70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达 60%～80%，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。

氢的化学特性活跃，它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后，形成一种金属氢化物，其中有些金属氢化物的氢含量很高，甚至高于液氢的密度，而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解，并把所吸收的氢释放出来，这就构成了一种良好的贮氢材料。

氢气具有可储存性。就像天然气一样，氢可以很容易地大规模储存。这是氢能和电、热最大的不同。这样，在电力过剩的地方和时间，可以用氢的形式将电

或热储存起来。这也 使氢在可 再生能 源的应用中起到其他能源载体所起不到的作用。

氢的可再生性。氢由化学反应发出电能(或热)并生成水，而水又可由电解转化氢和氧，如此循环，永无止境。氢是“和平”能源，因为它既可再生又来源广泛，每个国家都有丰富的“氢矿”。化石能源分布极不均匀，常常引起激烈抗争。例如：中东是世界石油最大产地，也是各国列强必争之地。从历史上看，为了中东石油已发生多次战争。

由于氢具有以上特点，可以同时满足资源、环境和持续发展的要求，是其他能源所不能比拟的。

随着制氢技术的发展，氢燃料电池离我们的生活越来越近。到那时，氢气将像煤气一样通过管道被送入千家万户，每个用户则采用金属氢化物的贮罐将氢气贮存起来，然后连接氢燃料电池，再接通各种用电设备。

它将为人们创造舒适的生活环境，减轻繁重的生活事务。

二、试从生态、成本、社会价值等方面，论述未来氢能作为可再生资源大规模应用的可能性？

人类使用能源，主要来自石油、煤和天 然气。近几十年来，随着工业的迅猛发展，这些能源的开发和利用也越来越多，它们燃烧后产生的废气已对人类生存的环境构成了严重的威胁，而且它们的储量也日趋枯竭，这就迫使人们去寻找新能源，氢能便在这样的条件下应运而生。

据估计，按照目前的消耗量，石油仅仅能维持不到50年，而煤也只能维持 200年，Kazim和Veziroglu 2001年指出，作为主要石油输出国的阿拉伯联合酋长国，将在2015年无法满足石油的需求。Abdallah 等在 1999年宣布，埃及的化石燃料资源，在未来的20年内就会耗尽。而作为能源需求大国的中国，目前已经有超过31%的石油需要进口，而到2010年，这一数字将会增长到45%～55%。基于以上所述环境污染和能源短缺的双重危机，发展清洁的、可再生的新能源的要求越来越迫切。

1为什么选择氢作为未来的新能源

氢能，又称氢燃料。直接用氢作燃料，是理想而现实的方案。在众多新能源候选者中，氢能以其热值高、资源丰富、无污染、重量轻、应用广泛等独特的优点而崭露头角。

氢的沸点为-252.8℃，在常温常压下为气态。燃烧1kg氢气，将能释放出1.42×105kJ的热量，是汽油的3倍多。氢燃烧生成水，水可以分解制氢，这种燃烧和再生的往复循环，使氢能成为一种取之不尽、用之不竭的宝贵资源。据推算地球表面71%为水所覆盖，总储水量为2.1×1024kg。若人类的制氢技术达到实用以后，氢能将成为一种极其廉价的的能源。

氢气是一种无污染燃料，它燃烧后的产物是水蒸气，不会象化石燃料那样因燃烧产生SOx、NOx、COx、醛类和粉尘等而污染自然环境。

氢可取代汽油、柴油和喷气发动机燃料、天然气及丙烷，现在使用这些燃料的汽车、飞机、火车、舰船、拖拉机和其它运输工具，只要经过简单改装，都可用氢作嫩料，也可取代煤用于发电厂和其它动力工厂。

氢燃料重量轻，在沸点时液体的密度为0.07克/毫升，用于航天、航空等高速运输工具，可以使载重与自重比成倍地提高。除了文通运输以外，还可以利用

金属氢化物的化学能、热能、机械能转换功能作其它特殊的用途。因此，可以毫不夸张地说，氢将成为12世纪理想的能源，我们将面临氢能时代。

由于燃料电料的基本原理是电解制氢的逆反应，制氢与燃料电池可与大型电厂、水电站等共同组成储能与共峰负荷相补的供电系统，电多时制氢，电缺时用氢能供给燃料电池发电，这将是今后理想的电力工业组合。氢能在普通民用方面，如炊事、供暖、空调等方面也有广阔的发展前景。

随着人们环境保护意识的增强，世界上开发利用氢能的呼声日益高涨，许多国家都在加强这种新能源的开发和应用研究，并相应地制订了发展计划。

美国夏威夷大学自然能源研究所正在设计建立一种以开发太阳能为中心的“氢能岛”专门生产氢能和应用氢能为主要能源。美国太平洋能源公司，已于1990年发明了生产廉价氢气燃料的新技术，获得专利。其突出优点是生产成本低，相当于1加仑柴油热量的氢气，成本仅为41美分，使氢燃料成为世界上最便宜的燃料能源；另一特点是设备简单便于移动运输，克服了氢燃料储运费用昂贵的缺点。

特别值得一提的是，美国国家航空航天局正计划把一种光合细菌—红螺菌带上太空，用它所放出的氢来作为能源，供航天器使用。由于这种红螺菌生产成本低，生产繁殖快。在农副产品加工厂的废水废渣中均可以进行培养，因此，这一计划一旦研究成功，将为航天航空事业的发展带来新的活力。日本政府十分重视开发氢能，通产省已把氢能开发应用列入其“阳光计划”；文部省也把氢能研究作为重点研究课题。

日本马自达汽车公司积极发展氢能汽车，计划在90年代末向美国加州出售氢能汽车。加拿大政府和欧共体已拨款430万美元作为科研费研究氢能，利用加拿大的水力发电资料生产氢，燃后以液氢形式运往欧洲。据报道，联合建造一座制氢实验工厂将要花费4.2亿美元。德国的巴伐利亚电力公司和一些基金会组织了目前世界上最大的太阳能制氢厂，它位于巴伐利亚州纽伦堡以东100公里的诺因堡地区，投资500万马克，经过3年时间，建造成一座实验性500千瓦级(年发电30万干瓦时)的太阳能氢发电厂。它使用2万平方米太阳能电池板电解水制氢，年产汽车用氢燃料5万立方米。此外，德国还与沙特阿拉伯在利雅得市合建一座350千瓦级的太阳能发电站，为水电解制氢提供动力。

目前，科学家们正在研究设计一种“固态氢”宇宙飞船，这种飞船由直径为

3.6米的“氢冰球”簇制成，这是用小型助推火箭发射的氢冰球在地球轨道上组

金属氢化物的化学能、热能、机械能转换功能作其它特殊的用途。因此，可以毫不夸张地说，氢将成为12世纪理想的能源，我们将面临氢能时代。

由于燃料电料的基本原理是电解制氢的逆反应，制氢与燃料电池可与大型电厂、水电站等共同组成储能与共峰负荷相补的供电系统，电多时制氢，电缺时用氢能供给燃料电池发电，这将是今后理想的电力工业组合。氢能在普通民用方面，如炊事、供暖、空调等方面也有广阔的发展前景。

随着人们环境保护意识的增强，世界上开发利用氢能的呼声日益高涨，许多国家都在加强这种新能源的开发和应用研究，并相应地制订了发展计划。

美国夏威夷大学自然能源研究所正在设计建立一种以开发太阳能为中心的“氢能岛”专门生产氢能和应用氢能为主要能源。美国太平洋能源公司，已于1990年发明了生产廉价氢气燃料的新技术，获得专利。其突出优点是生产成本低，相当于1加仑柴油热量的氢气，成本仅为41美分，使氢燃料成为世界上最便宜的燃料能源；另一特点是设备简单便于移动运输，克服了氢燃料储运费用昂贵的缺点。

特别值得一提的是，美国国家航空航天局正计划把一种光合细菌—红螺菌带上太空，用它所放出的氢来作为能源，供航天器使用。由于这种红螺菌生产成本低，生产繁殖快。在农副产品加工厂的废水废渣中均可以进行培养，因此，这一计划一旦研究成功，将为航天航空事业的发展带来新的活力。日本政府十分重视开发氢能，通产省已把氢能开发应用列入其“阳光计划”；文部省也把氢能研究作为重点研究课题。

日本马自达汽车公司积极发展氢能汽车，计划在90年代末向美国加州出售氢能汽车。加拿大政府和欧共体已拨款430万美元作为科研费研究氢能，利用加拿大的水力发电资料生产氢，燃后以液氢形式运往欧洲。据报道，联合建造一座制氢实验工厂将要花费4.2亿美元。德国的巴伐利亚电力公司和一些基金会组织了目前世界上最大的太阳能制氢厂，它位于巴伐利亚州纽伦堡以东100公里的诺因堡地区，投资500万马克，经过3年时间，建造成一座实验性500千瓦级(年发电30万干瓦时)的太阳能氢发电厂。它使用2万平方米太阳能电池板电解水制氢，年产汽车用氢燃料5万立方米。此外，德国还与沙特阿拉伯在利雅得市合建一座350千瓦级的太阳能发电站，为水电解制氢提供动力。

目前，科学家们正在研究设计一种“固态氢”宇宙飞船，这种飞船由直径为

3.6米的“氢冰球”簇制成，这是用小型助推火箭发射的氢冰球在地球轨道上组

装起来的，固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行期间，飞船上的所有非重要零件都可以“消耗掉”。预计这种飞船在地球轨道附近可维持运行24年，如在离太阳较远的深层宇宙飞行，这种氢冰球体则可维持更长的时间。总之，世界氢能的开发使用正在蓬勃发展着。

2氢的制取

2. 1 电解水制氢

电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术，当两个电极(阴极和阳极)分别通上直流电,并且浸入水中时，在催化剂和直流电的作用下，水分子在阳极失去电子，被分解为氧气和氢离子，氢离子通过电解质和隔膜到达阴极，与电子结合生成氢气.这个过程就是电解水,其装置即电解槽。目前市场上的电解槽可以分为3种：碱性电解槽(Alkaline Electrolyzer)、质子交换膜电解槽(Proton Exchange Membrane Electrolyzer)和固体氧化物电解槽(Solid Oxide

Electrolyzer)。目前国内外广泛研究的电解水制氢反应有电解海水制氢，利用可再生资源电解水制氢。

2. 2太阳能热化学循环制氢

太阳能热化学循环是另一种利用太阳能制取氢燃料的可行技术。首先,由太阳能聚光集热器收集和汇聚太阳光以产生高温。然后由这些高温推动产氢的化学反应以制取氢气。目前，国内外广泛研究的热化学制氢反应有水的热分解(thermolysis)、H2S的热分解和热化学循环水分解。

2. 3利用生物质制氢

生物质作为能源，其含氮量和含硫量都比较低，灰分份额也很小，并且由于其生长过程吸收CO2，使得整个循环的CO2排放量几乎为零。目前对于生物质的利用，尤其在发展中国家，比如中国、印度、巴西，还主要停留在对生物质的简单燃烧的低效率利用上。除燃烧外，对生物质的利用还有热裂解和气化，以及微生物的光解与发酵。利用生物质热裂解和气化产氢具有成本低廉，效率较高的特点，是有效可行的制氢方式，目前国内外广泛研究的利用生物质制氢反应有生物质热裂解制氢、生物质气化制氢和生物质超临界水气化制氢。

2. 4其他制氢技术

除热化学方法外，生物质还可以通过发酵的方式转化为氢气和其他产物。此外，微藻等水生生物质能够利用氢酶(Hydrogenase)和氮酶(Nitrogenase)将太阳能

转化为化学能——氢。这些生物制氢技术具有良好的环境性和安全性，但还处于早期的研究阶段，制氢机理还未透彻理解，尚需大量的研究工作。太阳能半导体光催化反应制氢也是目前广泛研究的制氢技术，TiO2及过渡金属氧化物，层状金属化合物如K4Nb6O17、K2La2Ti3O10、Sr2Ta2O7等，以及能利用可见光的催化材料如 CdS、Cu-ZnS 等都经研究发现能够在一定光照条件下催化分解水从而产生氢气。但由于很多半导体在光催化制氢的同时也会发生光溶作用，并且目前的光催化制氢效率太低距离大规模制氢还有很长的路要走。尽管如此，光催化制氢研究仍然为我们展开了一片良好的前景。

当然，氢能的大规模利用离不开大量廉价氢的获得和安全、高效的氢气储存与输送技术，以及应用技术的开发。从规模制氢而言，当今廉价氢的获得并非难题。据报道：日本科学家研究的离子膜电解水制氢效率已达到95%以上，这是一条制备廉价氢的有效途径；在美国，以天然气制取的氢气价格已降到0.06美元/m3(0.48元人民币/m3)，这可能是当今制氢技术的主；我国科学家研究开发的地下煤气化技术，已使氢的成本降至0.3~0.5元人民币/m3；我国冶金工业的一些大型钢厂已陆续建立了从转炉、焦炉回收氢的装置，其产量达到1000~5000m3/ h；合成氨厂和电化厂的副产氢或放空氢的回收都可能在近阶段向市场提供可以接受的氢源。

3 氢气的储运技术

衡量氢气储运技术的先进性与否的主要指标是单位质量储氢密度[指储氢单元内所储氢质量与整个储氢单元的质量(含容器、存储介质材料、阀及氢气等)之比。例如，一个100kg的钢瓶(含阀、内部氢气质量)储有1kg的氢气，即单位质量储氢密度为1%]和单位体积储氢密度(kg#H2/ m3)。对移动式或便携式氢气的应用，上述2项指标显得更为重要。当今工业上实际应用的储运氢气方法主要有以下3种：高压容器(钢瓶)、液氢储罐(低温贮槽)、金属氢化物储氢器。高压容器的质量储氢密度一般为1%，使用新型轻质复合材料的高压容器(耐压30.00MPa左右)则可达2%以上，而目前正在开发的大于50.0MPa的高压容器的质量储氢密度可达到3%以上。当然，要实现高压容器的高压储氢还得进一步开发高压氢压缩机。

液氢方式储运的最大优点是质量储氢密度高(按目前的技术可以达到大于5%)，存在的问题是蒸发损失、安全和成本问题。储氢合金与氢气反应后形成金属氢化物，氢即储存于金属氢化物中。该技术的最大优点是单位体积储氢密度高

(可达40~50kg#H2/ m3)，安全性也好(即使遇枪击也不爆炸)，而质量储氢密度为1%~2% 。此外, 金属氢化物储氢技术兼有多种功能，包括氢的净化、压缩、回收与分离等，这些是其它技术无法做到的。

4.目前存在的主要问题

当今的主要问题是制氢技术尚待进一步摸索提高，储运手段也需改善，应用中的许多技术问题还要努力攻关。毕竟，作为一种优质清洁的新型能源，必定会有一个发生、发展、改进、推广和完善的过程。人们普遍认为，在不久的将来，建立在氢能源经济基础上的一个无污染和能量利用率很高的未来世界将给人类带来最美好的生活环境。