氫能的開發與利用概述

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，發展氫能有力推動產業創新與產業轉型，而且氫能開發利用中的安全風險是可以控制的，因此可以說氫能是人類未來的能源。

關鍵詞：氫能；清潔；開發與利用；安全

0引言

在新能源領域中，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、風能、生物質能等可再生能源外，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導致激烈的爭斗?？梢酝瑫r滿足資源、環境和持續發展的要求，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，氫能的開發與利用也受到了廣泛的關注。接下來將從制氫，純化，儲存運輸，應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新、發展，下面主要介紹兩種目前常用的制氫方法。

1.1生物質化學制氫

可再生生物質制氫是未來氫能的主要來源，涉及到化學制氫和生物制氫。生物質化學制氫技術包括生物質氣化、熱解、超臨界轉化等常規熱化學法制氫和生物質解聚液相產物的蒸汽重整、水相重整、自熱重整和光催化重整制氫等技術。

1.2水制氫技術

以水為氫源的制氫技術因其可再生性而具有很好的應用前景。以水為氫源的制氫技術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循環裂解水制氫技術。

2氫氣純化技術

大多數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，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氣體的提純。

3氫能儲運

氫在常溫常壓下為氣態，密度僅為空氣的1/14，因此，在氫能技術中，氫的儲存與運輸是個關鍵環節。氫能夠以氣態、液態、固態三種狀態儲存。根據儲存機理的不同又可分為高壓氣態儲氫、低壓液態儲氫、金屬氫化物儲氫、新型碳材料儲氫和復合氫化物存儲等方法。

近年來， 碳質材料如活性炭、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。從當前研究文獻報道的結果來看， 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化為電能。下面以PEM燃料電池為主要研究對象，分析氫能應用。

PEM 燃料電池具有高效、環保等優點，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商業化和產業化的燃料電池，PEM 燃料電池備受關注。

4.1氫燃料電池的原理

電極提供電子轉移的場所，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；導電離子在將陰陽極分開的電解質內遷移，電子通過外電路做功并構成電的回路。相比于作為能量存儲裝置的傳統電池而言，燃料電池實質上是一種將化學能直接轉換為電能的能量轉換裝置。

燃料電池通過電池內部的電化學反應將化學能直接轉化為電能，能量轉換過程不受卡諾循環限制，理論能量轉換效率大于80 %，實際轉換效率可達 40 %～50 % 。另外，燃料電池內部不存在機械傳動裝置，故工作時噪聲低且可靠性高。當燃料為純氫氣時，其電化學反應產物僅為水，對環境友好。

4.2前景展望

PEM 燃料電池作為新一代動力源，應用前景十分巨大，以其特有的高效率和環保性引起了全世界的關注，被列為未來世界十大科技之首。應環保、節能及能源多樣化的要求，燃料電池在固定式發電站、車輛動力系統上都得到了較快的發展。我國 PEM 燃料電池技術已經取得了重大進展和突破，相關產業布局工作也開始啟動，尤其在車用動力的應用方面已取得了實質性進展并成功示范。按照目前的發展趨勢，PEM 燃料電池技術有望將在本世紀中期成功地應用到我們日常生活的各個方面。

5氫安全

氫能的安全使用是氫能推廣利用并走向商業化道路的關鍵，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，加之氫系統結構復雜且操作條件多樣，使用風險高，安全性及相應法規和標準的制定趕不上實際需要一直是氫能大規模推廣應用的障礙之一。因此，明確氫的危險性，對氫安全事故后果及預防展開基礎研究，從而為相關標準和法規的制定提供可靠依據，是氫能技術的發展和應用安全過渡到一個更可持續階段的重要保障。

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