氢能源的开发与应用前景展望

学号：

学院化学化工学院

专业化学工程与工艺

年级

姓名

论文（设计）题目氢能源的开发与应用前景展望指导教师职称副教授

成绩

2010年6月4日

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (1)

1 氢能源简介 (1)

2 新制备方法的研究 (2)

2.1电解法制氢 (2)

2.1.1 固态聚合物电解 (2)

2.1.2 高温电解水蒸气制氢 (2)

2.2分解法制氢 (2)

2.2.1 硫化氢制氢 (2)

2.2.2 热化学循环分解水 (3)

2.2.3 生物分解水制氢 (3)

2.2.4 从海水中制氢 (3)

2.3其他新方法制氢 (4)

2.3.1 固体生物质制氢 (4)

2.3.2 硼氢化钠水解制氢 (4)

2.3.3 生物制氢 (4)

2.3.4 其他新方法 (4)

3 新应用领域的开发 (5)

3.1电力方面的应用 (5)

3.1.1 863燃料电池城市客车 (5)

3.1.2 氢气发电 (5)

3.1.3 氢燃料电池 (6)

3.2其他方面的应用 (6)

3.2.1 良好的载能体 (6)

3.2.2 家用氢能 (6)

3.2.3 污水综合治理利用 (6)

3.2.4 原子氢焰 (6)

4 新储氢材料的研制 (7)

4.1高压气态储存 (7)

4.2低温液氢储存 (7)

4.3金属氢化物储存 (7)

5 结束语 (8)

参考文献 (8)

氢能源的开发与应用前景展望

摘要：当前,氢能源的研究、开发和利用正受到越来越广泛的重视。到21世纪中叶，氢能有可能将取代石油，成为最广泛使用的燃料之一。随着人类社会能源开发的日益迫切，氢能源将成为一种人类所期待的清洁的二次能源。本文将详细介绍目前氢能源的一些新的制备方法、新的应用领域以及新的储氢材料。

关键词：氢能源；开发与应用前景；氢能源的制备方法；氢能源的应用领域；储氢材料的研制

Abstract:At present, the hydrogen energy research, development and utilization is being more and more extensive attention. To 21 centuries middle period, hydrogen could be replaced oil, become one of the most widely used of fuel. With the development of human society increasingly urgent energy, hydrogen will become a human to clean secondary energy. This will be detailed introduction of hydrogen at some new preparation methods, new applications and new hydrogen storage material.

Key words: Hydrogen energy; The development and application prospect; The preparation methods of hydrogen energy; Hydrogen application fields; Hydrogen storage material

按现在的开采速度估计，世界上的煤、石油、天燃气等化石能源将在几十年内逐渐枯竭，并带来严重的环境污染问题，从而造成冰雪消融，冰川退缩，全球气候变暖。能源短缺和环境保护是21世纪经济发展和能源领域最重要的课题。氢气燃烧性能好，热值高，应用广泛，适合于一切需要燃气的地方。氢能源在二十一世纪很有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源。

1 氢能源简介

用氢能作燃料已有多年，氢焊、火箭发动机等大量应用氢燃料，但把氢能作为新能源则是指把氢作为像煤油、天然气那样的通用能源使用]1[。

从常规能源的角度看，氢能源是作为燃料或能量的载体与别的物质发生化学反应或物理作用过程中(不包括原子核的变化)所交换的能量。如果把氢的同位素氘、氚的聚变反应释放的能量也包括在内，氢能源的含义就更广了]2[。

氢能源是一种极为优越的新能源。首先，石油、煤、天然气等资源有限，而氢气可用水作原料制取，来源广泛。其次，燃烧放热多，放出的热约为同质量汽油的3倍。再次，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环境污染物，少量氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的水可继续制氢，循环使用，利用率高。产物水无腐蚀性，对设备无损耗]3[。

2 新制备方法的研究

自然界中的氢主要存在于各种形态的化合物中，因此要获得数量巨大，价格低廉，环境友好型的氢，还有相当的难度。但是，要想利用氢能，首先得通过化学反应制取氢气。目前，制取氢气的方法比较多，如：水煤气法制氢、甲烷转化法制氢、化石原料制氢、碱水电解制氢、不完全燃烧法制氢等等。下面介绍一些新的制氢工艺。

2.1 电解法制氢

2.1.1 固态聚合物电解

无机聚合物电解质(SPE)的使用，使由水制氢的设备发生了重大变革。它使在两电极之间的固态膜取代具有腐蚀性的KOH电解液，在这种膜上有许多小孔，只允许氢离子(质子)通过，而电子不能通过。研究表明，一些膜在燃料电池领域有很大的潜在用途，同样也可用在电解质上。这些膜包括早期已经获得专利的Nafion膜(全氟磺酸)、碳纤维纸，以及所有用作质子交换膜( PEMs)的材料。电极反应式如下：H

2

O-2e-

＝2H++1/2O

2(阳极反应)以及透过膜的质子：2H++2e-＝H

2

(阴极反应)]4[。

2.1.2 高温电解水蒸气制氢

H

2O(g)→H

2

(g)+1/2O

2

(g)；△rHm=241.8kJ/mol

水的直接热分解温度高达几千度，而且分解率很低。常温电解耗能高。从1976年开始，原联邦德国进行水蒸气高温电解制氢的研究，并已达到成熟阶段。据报道，这比常温电解水可节省电力20%。尽管如此，其生产成本仍不能与水煤气法和甲烷转换法相竞争。不过在有丰富水电和核电资源的地区，这种方法有可能实现工业化。2.2 分解法制氢

2.2.1 硫化氢制氢

硫化氢的分解方法有：直接高温分解、催化热分解、电化学分解、光催化分解等。

在高温炉中直接高温分解H

2S虽然在工业技术上相对较成熟，而且可处理高浓度的H

2

S

原料，但从能源消耗和经济方面考虑是不可行的。催化热分解法尚处于实验室研究阶

段，目前催化剂的研究仍是一个重点，催化热分解受到化学平衡的影响，产氢率很低。

电化学法分解H

2

S研究较早且工艺较成熟。该工艺以三氯化铁溶液为氧化液，利

用化学吸收和电化学分解相结合的双反应工艺吸收，H

2

S吸收率大于99%，并且可以

处理高浓度H

2

S气体，在工艺技术上具有可行性，在经济上可望与克劳斯法相比。

光催化分解法利用丰富且廉价的太阳能作为能源分解H

2

S制取氢气。光催化反应条件缓和，能耗低，较为经济。如果开发出高活性的光催化剂以及合理的光催化工艺，有可能成为硫化氢分解制氢的重点]5[。

2.2.2 热化学循环分解水

自从核反应堆技术获得发展后，在20世纪60年代原联邦德国和美国的科学家便注意到如何利用核反应堆的高温来分解水。为了降低水的分解温度，在水的热分解过程中引入热化学循环，控制循环过程中的高温点必须低于核反应堆或太阳炉的最高极限温度。现在高温石墨反应堆的温度已高于900℃，太阳炉的温度可达1200℃，这将有利于热化学循环分解水技术的发展。

目前，科学家已经从理论和实践两方面研究了数百个可能的热化学循环。现以1980年美国化学家提出的硫-碘热化学循环为例予以说明。该系统中包括下列反应：

2HI(g)→H

2(g)+I

2

(g) (425℃)

SO

2(g)+2H

2

O(l)+I

2

(g)→H

2

SO

4

(aq)+2HI(aq) (90℃)

H 2SO

4

(aq)→SO

2

+1/2O

2

(g)+H

2

O(g) (825℃)

净反应为：H

2O(l)→H

2

+1/2O

2

(g)

上述反应不消耗SO

2

，HI，可循环利用。该系统反应速率快。最高温度为825℃，如果以核反应堆作为热源，达到这一温度是可行的。当前研究的重点是确立一个热化学分解系统，其所需温度需足够低，以便可以利用太阳辐射作为能源。

2.2.3 生物分解水制氢

生物体分解水不需要电和高温。在光合作用中，绿色植物吸收CO

2和H

2

O，利用

太阳光将它们合成生长所需的物质。科学家们试图修改光合作用的过程，使植物从水中放出氢，代替用氢参与生成很复杂的化合物。小规模实验已表明，在一定条件下，植物确实产生氢气。但产率远远达不到商业应用的要求。

2.2.4 从海水中制氢

海水是可以充分利用的自然资源。以太阳能为能源，将海水还原生产氢气，可以极大地降低成本。近年来，美国Michigan州立大学H.Ti Tien教授设计了一种装置。

这种装置利用太阳能为可见光提供的能量来生产氢气。

装置的核心部分是沉积在镍箔上的硒化镉(CdSe)

n

型半导体器件。这是一种半导体薄膜，它作为镉栅插在电解池中的阳极室和阴极室之间。阳极室中含有Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)复杂化合物的电解质；阴极室中充满海水。当可见光照射在半导体薄膜上时，电子被激发进入导带而留下空穴(低能级的电子空间)。在导带中电子移动到金属薄膜与海水之间表面上，在这里水被还原产生氢气。与此同时，空穴迁移到半导体与电解质间的表面，来自Fe+2的电子(Fe+2失电子)填充了这些空穴]6[。

2.3 其他新方法制氢

2.3.1 固体生物质制氢

固体生物质是一种可再生能源,固体生物质制氢是它的一个重要的应用领域。基本工艺为：降生物质气化或热裂解，生成合成气。合成气中的碳氢化合物再与水蒸气

发生催化重整反应生成氢气和二氧化碳。整个反应式为：C

x H

y

+2xH

2

O＝

xCO

2+(2x+y/2)H

2

。

2.3.2 硼氢化钠水解制氢

硼氢化钠在碱性水溶液中可水解产生氢气和水溶性亚硼酸钠，优点是：该溶液无可燃性，储运和使用安全，而且在空气中可稳定存在数月；制得的氢气纯度高，不需纯化，可直接作为质子交换膜燃料电池的原料；氢的生成速度容易控制且储存效率高；在常温甚至0℃便可以产生氢气；无污染等。但整个工艺的能效、经济性等问题还需进一步研究。

2.3.3 生物制氢

生物制氢，即人工模仿植物光合作用分解水制取氢气。一克叶绿素每小时可产生1升氢气，其转化效率高达75%。近年来，已查明有16种绿藻和3种红藻有产生氢的能力。藻类主要通过自身产生的脱氢酶，利用水和太阳能来产生氢气。这是太阳能在微生物的作用下，转换利用的一种形式，该过程可在15℃～40℃的较低温下进行]7[。

2.3.4 其他新方法

目前，已研制出氢氧机（水燃料氢氧焊接机，又称水焊机），是产生氢能源（氢氧燃料）的电器设备。其他一些新的制氢方法如：化工尾气或工程气制氢，光络合催化分解水制氢，半导体光催化分解水制氢，辐射制氢，等离子化学制氢，太阳能制氢，核能制氢等等。

纵观近年来研究出来的新的制氢工艺，可以看出虽然目前制氢的途径有很多，但

是这些方法很多都还不够成熟，需要进一步深入的研究，使生产氢气的成本进一步降低，从而获得数量巨大，价格低廉，环境友好型的氢，从而实现产业化生产。

3 新应用领域的开发

广泛应用于氢气焊接，氢氧焰切割，油脂的氢化，作合成氨的原料气]8[，合成盐酸的原料气，制备氢化物的原料气，在适宜的条件下合成醇、烃类等一系列有机物，制备纯金属等方面]9[。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。下面介绍一些新的应用领域。

3.1 电力方面的应用

3.1.1 863燃料电池城市客车

进入二十一世纪以来，能源和环境问题使得传统内燃机汽车发展面临巨大挑战，研究开发新能源汽车变得越来越迫切。氢能源由于使用清洁、来源广泛，其发展备受关注，而采用氢气为燃料的燃料电池汽车更成为当前汽车科技研究的热点。

氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源，而且氢能够降低温室气体排放量的增长。有限的化石能源在逐渐减少，供应化石能源的成本逐渐上升，而氢能源的成本却随着技术的进步而逐渐降低。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。氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。氢能源在863燃料电池城市客车上的应用已初步完成。

863燃料电池城市客车具有诸多优越性能，燃料电池汽车的供氢系统和氢安全系统已大有改观。以氢气代替汽油作汽车发动机的燃料, 无疑氢能汽车将是最清洁最理想的交通工具。2010年上海世博会期间，将启动1000辆氢能汽车并建立相应的加氢站，作示范运作。相信在不久的将来就可大规模投入使用]10[。

3.1.2 氢气发电

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。但是各种用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电就最适合抢演这个角色。利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机，不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，启动迅速，要开即开，欲停即停。在电网低负荷的，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。

3.1.3 氢燃料电池

是一种利用氢和氧(成空气)直接经过电化学反应而产生电能的装置。其能源转换效率可达60%～80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。

3.2 其他方面的应用

3.2.1 良好的载能体

氢的热值高，是运载能量的良好载能体，又无污染。有些场合不宜用常规方法储存或输运能量者，可以考虑采用氢作为二次能源，如海洋能、太阳能(光电、光化)、风能等分散、不稳定的能源，因就地难于利用，而且又不宜采用管道或电网输送到其他地方者，可以先制成氢能再转运出去]11[。

在金属氢中储藏的能量是同重量TNT炸药所储能量的25

P倍(P T是以兆巴计

T

的轻金属化转变压力)，可作为高储能材料]12[。

3.2.2 家用氢能

随着制氢技术的发展，氢能利用迟早将进入家庭，它可以像输送城市煤气一样，通过氢气管道送往千家万户。每个用户采用金属氢化物贮罐将氢气贮存，然后分别接通厨房灶具、浴室、氢气冰箱、空调机等等，并且在车库内与汽车充氢设备连接。人们的生活靠一条氢能管道，可代替煤气、暖气甚至电力管线，连汽车的加油站也省掉了。这样清洁方便的氢能系统，将给人们创造舒适的生活环境，减轻许多繁杂事务]13[。

3.2.3 污水综合治理利用

利用“纳米化制氢反应装置”进行污水综合治理。一是用金属和水纳米化制氢，使其成为传统能源的最佳替代清洁能源，其燃烧后温度可升至2000摄氏度以上，且一次加料，可长时间维持运作，运作成本低廉；二是污水经该装置处理再经雾化、冷凝等工序后，成为一级水，达到国家污水处理排放标准。

该发明已于2005年9月28日获得国家知识产权局颁发的《实用新型专利证书》并授权公告。氢能源专利技术污水综合治理利用，具有简单易行、成本低廉、因地制宜、实施方便的特点，其增效补能效果显著，特别适合在村镇、小区和污染企业普及14

[。

]

3.2.4 原子氢焰

将氢气通过电弧或低压放电，氢气获得能量，分子中键断裂可得原子氢，但所得的原子氢很快(约半秒)又重新组合成氢分子，同时放出大量的热(436kJ/mol)。因此将含有氢原子的氢气流对准金属表面，利用原子氢重新结合成氢气时所放出的能量，

可使温度升至4000K以上，称为原子氢焰。足以使金属熔化，常用它来焊接高熔点金属，由于焊区四周被还原性氢气所包围，还可以防止被焊金属氧化]15[。

4 新储氢材料的研制

大规模利用氢能的一个关键问题就是氢的储存，由于氢的质量小，常温下呈气态，易燃易爆，当作为燃料时又具有分散性和间断使用的特点，因此氢的储存难度较大。目前采用的储氢方法主要有如下三种：

4.1 高压气态储存

气态氢可储存在地下库里，也可装入钢瓶中。为减小储存体积，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为20MP的高压钢瓶储氢重量只占116%；供太空用的钛钢瓶储氢重量也仅为5%。为提高储氢量，目前正在研究一种微孔结构的储氢装置，它是一种微型球床。微型球系薄壁(1～10μm)，充满微孔(10～100μm)，氢气储存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。

4.2 低温液氢储存

将氢气冷却到-253℃，即可呈液态，然后将其储存在高真空的绝热容器中。液氢贮存工艺首先用于宇航中，其储存成本较高，安全技术也比较复杂。高度绝热的储氢容器是目前研究的重点。

现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠直径约为30～150μm，中间是空心的，壁厚l～5μm。在部分微珠上镀上厚度为1μm的铝。由于这种微珠导热系数极小，其颗粒又非常细可完全抑制颗粒间的对流换热；将部分镀铝微珠(一般约为3%～5%)混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。

4.3 金属氢化物储存

氢与氢化金属间可进行可逆反应，当外界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金属构成金属氢化物时，氢就以固态结合的形式储存于其中。用来储氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。

目前已研究成功多种储氢合金，它们大致可分为四类：一是稀土镧镍等，每公斤镧镍合金可贮氢153L。二是铁-钛系，是目前使用最多的储氢材料，储氢量大，是前者的4倍，且价格低、活性大，还可在常温常压下释放氢，给使用带来很大的方便。三是镁系，这是吸氢量最大的金属元素，但它需要在287℃下才能释放氢，且吸收氢

十分缓慢，因而使用上受到限制。四是钒、铌、锆等多元素系，这类金属本身属稀贵金属，因此只适用于某些特殊场合。

目前在金属氢化物贮存方面存在的主要问题是：贮氢量低，成本高及释氢温度高。因此进一步研究氢化金属本身的化学物理性质，包括平衡压力-温度曲线、生成食转化反应速度、化学及机械稳定性等，寻求更好的贮氢材料仍是氢能开发利用中值得注意的问题。带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式，它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源，也可用于吸收废热，储存太阳能，还可作氢泵或氢压缩机使用]16[。

5 结束语

当前，能源短缺越来越明显，国际原油价格动荡，各国不断通过各种手段获取赖以生存的石油。2003年美国发动的对伊战争可以说是一场石油战争。但目前发现的石油储量已不能满足人类的发展需求，石油必将在半个世纪内耗完，于是发展新能源是世界各国迫切需要解决的重大科研项目]17[。

氢资源极其丰富，氢气燃烧放热多，产物无污染，且燃烧生成的水可继续制氢，循环使用，利用率高，产物水无腐蚀性，对设备无损耗。氢能源是二十一世纪最有前途的清洁的可再生新能源，应用前景广阔，受到世界各国的极大重视。但是，由于目前制氢技术尚不成熟，氢气的生产成本过高，因此要获得数量巨大，价格低廉，环境友好型的氢，还有相当的难度。然而，随着科学技术的发展，我们有理由相信，当氢能源的使用成本降低到能与石油等常规能源一样或更低时,氢能源将被广泛利用于生活中的很多方面]18[。

参考文献：

[1] 沈炳正.能源技术与经济导论[M].上海:上海科学技术出版社,1984:75.

[2] 皮洪弥,杨俊妹,张聪,等.高中化学教材知识资料包[M].北京:北京教育出版社,2007:160.

[3] 皮洪弥,杨俊妹,张聪,等.高中化学教材知识资料包[M].北京:北京教育出版社,2007:154.

[4] 李方正.新能源[M].北京:化学工业出版社,2007:163.

[5] 吴丹,白雪峰.硫化氢分解制取氢气和硫的技术进展[J].石油与天然气化

工,2006,35(04):276.

[6] 朱仁.无机化学[M].第五版.北京:高等教育出版社,2009:36-39.

[7]邵栋.氢能源——二十一世纪的新能源[J].安徽科技,Anhui Science &

Technology,2010,(01):36.

[8] 申泮文,张靓华.无机化学丛书(第一卷)[M].北京:科学出版社,1998:174.

[9] 杨德壬.无机化学(上)[M].北京:高等教育出版社,1991:31.

[10] 訚耀保.氢能源与燃料电池汽车高压输氢系统[J].流体传动与控制,Fluid Power

Transmission & Control,2010,(02):01.

[11] 沈炳正.能源技术与经济导论[M].上海:上海科学技术出版社,1984:75.

[12] 申泮文,张靓华.无机化学丛书(第一卷)[M].北京:科学出版社,1998:181.

[13] 宗盟.无机化学(上册)[M].上海:华东师范大学出版社,1991:37.

[14]邵栋.氢能源——二十一世纪的新能源[J].安徽科技,Anhui Science &

Technology,2010,(01):36.

[15] “氢能源专利技术污水综合治理利用”推广演示在我市举行[J].西南给排水,Southwest

Water & Wastewater,2008,(02):23.

[16] 宗盟.无机化学(上册)[M].上海:华东师范大学出版社,1991:38.

[17] 保罗·克留格尔(美).可再生能源开发技术[M].北京:科学技术出版社,2007:96.

[18] 杰瑞米·里夫金(著),龚莺(译).氢经济[M].海口:海南出版社,2003:242-243.

学年论文（设计）成绩评定表

评语