氢能的开发与利用概述

李小倩

摘 要：氢能是一次能源高效利用的有效途径，氢能是最清洁的二次能源，发展氢能有力推动产业创新与产业转型，而且氢能开发利用中的安全风险是可以控制的，因此可以说氢能是人类未来的能源。

关键词：氢能；清洁；开发与利用；安全

0引言

在新能源领域中，氢能已普遍被认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，除太阳能、水能、风能、生物质能等可再生能源外，氢能是人类最终和最希望得到的二次能源。氢是自然界中最丰富的元素，广泛的存在于水、矿物燃料和各类碳水化合物之中。氢燃烧，水是它唯一的产物，因此，氢能是一种取之不尽，用之不竭的新能源。除此之外，氢能还是“和平”能源，由于它既可再生又来源广泛，每个国家都含有丰富的“氢矿”。不会像化石能源那样由于分布的极不均匀导致激烈的争斗。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，因此可以說氢能是人类未来的能源，氢能的开发与利用也受到了广泛的关注。接下来将从制氢，纯化，储存运输，应用和氢安全五个方面进行介绍。

1氢能制备

氢气的制备方法随着工艺水平的进步也在不断地创新、发展，下面主要介绍两种目前常用的制氢方法。

1.1生物质化学制氢

可再生生物质制氢是未来氢能的主要来源，涉及到化学制氢和生物制氢。生物质化学制氢技术包括生物质气化、热解、超临界转化等常规热化学法制氢和生物质解聚液相产物的蒸汽重整、水相重整、自热重整和光催化重整制氢等技术。

1.2水制氢技术

以水为氢源的制氢技术因其可再生性而具有很好的应用前景。以水为氢源的制氢技术主要包括电解水制氢、光催化分解水制氢、直接热分解水制氢和热化学循环裂解水制氢技术。

2氢气纯化技术

大多数制氢过程后都包含氢气的纯化过程，粗制氢气后直接连接氢气纯化装置，来除去氢气中夹杂的各种杂质，这样可以有效的减少氢气的浪费、提高纯化氢气的纯度。根据氢气来源不同，可采用不同的精制方法来制备高纯氢。比较常见的方法有变压吸附法、低温分离法、金属钯膜扩散法、钯催化吸附法以及金属氢化物分离法。

目前最常用的纯化技术即为变压吸附法（PSA），它是利用混合气体中不同组分对不同吸附剂表现出的不同的吸附特性以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的加压吸附、减压解吸、吸附剂同时再生的变换等过程实现气体的提纯。

3氢能储运

氢在常温常压下为气态，密度仅为空气的1/14，因此，在氢能技术中，氢的储存与运输是个关键环节。氢能够以气态、液态、固态三种状态储存。根据储存机理的不同又可分为高压气态储氢、低压液态储氢、金属氢化物储氢、新型碳材料储氢和复合氢化物存储等方法。

近年来， 碳质材料如活性炭、纳米碳纤维、富勒烯等被用作储氢材料， 其可逆氢吸附过程是基于物理吸附的。从当前研究文献报道的结果来看， 普遍看好超比表面积活性炭的低温 （液氮温度） 、适度压力 （<6 MPa） 和新型碳纳米吸附材料的常温、较高压力 （<15 MPa） 两种储氢方式。

4氢能应用

氢能的利用方式主要有三种：①直接燃烧；②通过燃烧电池转化为电能；③核聚变。其中最安全高效的使用方式是通过燃料电池将氢能转化为电能。下面以PEM燃料电池为主要研究对象，分析氢能应用。

PEM 燃料电池具有高效、环保等优点，被誉为未来世界的新型动力源。作为一种目前最有希望实现商业化和产业化的燃料电池，PEM 燃料电池备受关注。

4.1氢燃料电池的原理

电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料的氧化过程，阴极催化氧化剂（如氧气）的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。相比于作为能量存储装置的传统电池而言，燃料电池实质上是一种将化学能直接转换为电能的能量转换装置。

燃料电池通过电池内部的电化学反应将化学能直接转化为电能，能量转换过程不受卡诺循环限制，理论能量转换效率大于80 %，实际转换效率可达 40 %～50 % 。另外，燃料电池内部不存在机械传动装置，故工作时噪声低且可靠性高。当燃料为纯氢气时，其电化学反应产物仅为水，对环境友好。

4.2前景展望

PEM 燃料电池作为新一代动力源，应用前景十分巨大，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，被列为未来世界十大科技之首。应环保、节能及能源多样化的要求，燃料电池在固定式发电站、车辆动力系统上都得到了较快的发展。我国 PEM 燃料电池技术已经取得了重大进展和突破，相关产业布局工作也开始启动，尤其在车用动力的应用方面已取得了实质性进展并成功示范。按照目前的发展趋势，PEM 燃料电池技术有望将在本世纪中期成功地应用到我们日常生活的各个方面。

5氢安全

氢能的安全使用是氢能推广利用并走向商业化道路的关键，世界各国都非常重视氢安全方面的研究。

氢气易泄漏扩散、可燃范围宽、燃烧热值高、爆炸能量大，并对材料具有劣化作用，加之氢系统结构复杂且操作条件多样，使用风险高，安全性及相应法规和标准的制定赶不上实际需要一直是氢能大规模推广应用的障碍之一。因此，明确氢的危险性，对氢安全事故后果及预防展开基础研究，从而为相关标准和法规的制定提供可靠依据，是氢能技术的发展和应用安全过渡到一个更可持续阶段的重要保障。

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