周 錦，席 靜，王 靜，梁 斌

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，能源問(wèn)題也日益加劇，一邊是人類對(duì)能源的需要量越來(lái)越大，一邊是能源帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也愈來(lái)愈嚴(yán)重，所以科學(xué)家們致力于尋找新的更加清潔的可再生的能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源。氫能作為新能源的一員，具有可持續(xù)性、清潔性，所以引起了全球能源研究者的關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)理想能源之一。

1 氫能源的概述

1.1 什么是氫能源

眾所周知，氫是自然界含量的元素，大約能夠占宇宙質(zhì)量的75%。但是，除了空氣中含有少量的氫單質(zhì)(氫氣)之外，氫元素都主要以化合物的形態(tài)貯存，主要是儲(chǔ)存在水中。又由于，水是地球上存在最廣泛的物質(zhì)，所以可以說(shuō)氫能源是人類能夠從自然界獲取的儲(chǔ)量最豐富的能源之一，同時(shí)又是最高效的能源之一，因此能源研究者認(rèn)為氫能在未來(lái)社會(huì)具有無(wú)與比擬的潛在研究開(kāi)發(fā)利用價(jià)值[1]。

1.2 氫能源的特點(diǎn)

1.2.1 氫能源的優(yōu)點(diǎn)

在現(xiàn)存的所有元素之中，氫元素是最輕的，而在現(xiàn)存的所有氣體之中，氫氣的導(dǎo)熱性能是最好的，除了核燃料之外，氫氣的發(fā)熱值是最高的，燃燒性能也非常好，燃點(diǎn)高，燃燒速度快，同時(shí)又無(wú)毒無(wú)害。在自然界中，氫元素廣泛存在于空氣和水中，所以提取的原料十分豐富。在利用的過(guò)程中，氫能源利用形式多樣，利用設(shè)備較簡(jiǎn)，同時(shí)在儲(chǔ)存的運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候，又可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的氫化物形式儲(chǔ)存運(yùn)輸[2]。

1.2.2 氫能源的缺點(diǎn)

氫能源的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中也存在不少問(wèn)題，比如制氫技術(shù)，和儲(chǔ)存運(yùn)輸技術(shù)。首先迫在眉睫要考慮的問(wèn)題是，開(kāi)發(fā)研究出更加廉價(jià)的制氫技術(shù)，這是目前氫能源研究者目前急需解決的問(wèn)題。其次就是由于氫元素是現(xiàn)有的最輕的元素，所以在其儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候更應(yīng)該考慮它的安全性問(wèn)題，比如氫和液體燃料以及其它的氣體燃料比起來(lái)，更加容易從縫隙中泄漏，而且運(yùn)輸材料的選擇上，由于錳鋼、鎳鋼以及其它高強(qiáng)度鋼更容易發(fā)生氫脆等等一系列的問(wèn)題。

2 氫能源的制取技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)化石燃料制氫技術(shù)

從傳統(tǒng)的以煤、石油、天然氣作為代表的化石燃料中制取氫氣，是最原始也是利用規(guī)模最大的制氫技術(shù)。尤其是從天然氣開(kāi)采技術(shù)發(fā)展到一定階段，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模開(kāi)采后，此種制氫方法更加被廣泛利用。但是傳統(tǒng)的化石能源的儲(chǔ)量是及其有限的，需要的領(lǐng)域有很多，所以此種制氫方式無(wú)疑是增添了傳統(tǒng)化石能源的消耗壓力，更不用說(shuō)，在制備的過(guò)程中，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成很嚴(yán)重的污染。所以此種制氫方法并不可以長(zhǎng)久的依賴下去，要盡快開(kāi)發(fā)其他的制氫技術(shù)[3]。

2.2 電解水制氫技術(shù)

電解水制氫技術(shù)通常需要在高壓下進(jìn)行分解水來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是效率并非十分滿意，以目前的技術(shù)來(lái)看僅能達(dá)到50%～70%，所以在制備的過(guò)程中需要消耗大量的電能，這依然是給傳統(tǒng)的火力發(fā)電增添負(fù)擔(dān)，因此從經(jīng)濟(jì)型的角度考慮，此種制氫技術(shù)是不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。

2.3 生物制氫技術(shù)

生物制氫技術(shù)就是利用生物質(zhì)制氫，在這個(gè)過(guò)程中，需要利用化學(xué)或者物理方式把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成氫氣，可以利用的生物質(zhì)比較廣泛，比如大多數(shù)植物、工農(nóng)業(yè)垃圾、生活垃圾等。所以此種制氫技術(shù)，是目前比較理想的方式，既能合理的廢物利用，又可以減輕環(huán)境污染，既完全地脫離了傳統(tǒng)的化石能源，又實(shí)現(xiàn)了資源的可持續(xù)利用，這將是在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，氫能源研究者重點(diǎn)開(kāi)發(fā)研究的熱點(diǎn)之一[3]。

3 氫能源的儲(chǔ)存技術(shù)

3.1 高壓儲(chǔ)氫技術(shù)

氫氣在常溫常壓下是氣態(tài)，這對(duì)儲(chǔ)存運(yùn)輸是一種挑戰(zhàn)，所以我們首先考慮將氫氣壓縮成液態(tài)。這種技術(shù)類似于天然氣的壓縮儲(chǔ)存技術(shù)。一種是直接壓縮，根據(jù)儲(chǔ)氫容器所需要的壓力，利用透平將其壓縮存儲(chǔ)在體積較大的儲(chǔ)氫容器中。還有一種就是將氫氣壓縮至較低的壓力先存儲(chǔ)起來(lái)，然后進(jìn)行加注。原理同天然氣的加注技術(shù)原理[4]。

3.2 液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)

氫氣是一種高燃燒值燃料，所以在航天領(lǐng)域得到了非常重要的應(yīng)用，液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)就是一種深冷的氫氣存儲(chǔ)技術(shù)，通過(guò)壓縮、深冷技術(shù)將氫氣變?yōu)橐簯B(tài)氫，然后裝在特制的低溫絕熱槽罐內(nèi)，可以通過(guò)多種方式進(jìn)行運(yùn)輸。

3.3 氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)

這種技術(shù)包含的方式只要有三類，儲(chǔ)氫合金、金屬氫化物以及無(wú)機(jī)非金屬儲(chǔ)氫材料。前兩者利用某些金屬超強(qiáng)的與氫反應(yīng)的能力，在一定的條件下(主要是溫度和壓力)，將其形成合金進(jìn)行大量的吸收氫氣，然后再在一定的條件(加熱或者降壓)下將其分解，釋放出氫氣。而可以用于儲(chǔ)氫的無(wú)機(jī)非金屬材料主要有配位氫化物和分子型氫化物，主要利用他們的電子結(jié)構(gòu)和成鍵特性進(jìn)行吸氫、放氫。這種氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)安全可靠，但是反應(yīng)過(guò)程較慢[5]。

4 氫能源的利用技術(shù)

氫能源的利用方式有多種多樣，既可以直接燃燒，又可以用在燃料電池中[6]。由于燃料電池最理想的燃料是氫氣，所以氫能源熱點(diǎn)利用技術(shù)主要放在燃料電池上。所謂燃料電池就是通過(guò)燃料與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)，將燃料貯藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)燃料電池這種先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)化方式，會(huì)讓氫能源能真正成為人類社會(huì)高效清潔的能源動(dòng)力。還可以將氫氣直接作為燃料，利用可以儲(chǔ)存氫氣的氫內(nèi)燃機(jī)，這是一種新型內(nèi)燃機(jī)，可以將氫氣存儲(chǔ)的化學(xué)能通過(guò)燃燒的過(guò)程轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，然后用作汽車燃料，甚至可以用來(lái)發(fā)電[6]。

5 氫能源開(kāi)發(fā)利用中存在的問(wèn)題

雖然氫能源的利用前景非常的廣闊，但是想要實(shí)現(xiàn)氫能的大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，需要解決的問(wèn)題也不少。最關(guān)鍵的就是開(kāi)發(fā)更加廉價(jià)的制氫技術(shù)，同時(shí)研發(fā)更加安全可靠的儲(chǔ)存運(yùn)輸技術(shù)，這兩個(gè)是問(wèn)題在氫能源的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，是世界各國(guó)致力研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[7]。無(wú)論如何，氫氣可以作為一個(gè)能源載體來(lái)利用，已經(jīng)引起了全球范圍的關(guān)注，可以獲得了很多工業(yè)企業(yè)的支持，所以接下來(lái)的任務(wù)就是如何在政府各項(xiàng)的政策支持下建立一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的能源體系。