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氫能的開發(fā)與利用

2008-05-18 15:19:32| 分類：論文閱讀246 評論0 字號：大中小訂閱

一、 研究的目的、意義和內(nèi)容

能源和資源是人類賴以生存和發(fā)展的源泉。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，已有的能源和資源正在以越來越快的速度消耗，面對著化石燃料能源枯竭的嚴重挑戰(zhàn)，近年來世界各國紛紛把科技力量和資金轉(zhuǎn)向新能源的開發(fā)。而在新的能源領(lǐng)域中，氫能作為一種無污染的清潔能源及能源載體，近年來其開發(fā)與利用技術(shù)得到工業(yè)化國家的高度重視。在傳統(tǒng)的煤炭、石油和天然氣等化石燃料給人類帶來環(huán)境污染、溫室效應等諸多問題的當今，許多國家，尤其是許多發(fā)達國家已將“潔凈”的氫能作為自己的未來能源而加緊研究。環(huán)境生態(tài)保護、節(jié)能和人類的可持續(xù)發(fā)展迫切要求清潔能源的開發(fā)利用，氫能研究開發(fā)進展給我們帶來了希望，為進一步開發(fā)氫能，推動氫能利用的發(fā)展，“氫能技術(shù)”已被列入《科技發(fā)展“十五”計劃和2015年遠景規(guī)劃（能源領(lǐng)域）》。

氫能是一種理想的新的含能體能源，但是要利用氫能必須制備氫能和儲運氫能，氫的規(guī)模制備是氫能應用的基礎(chǔ)，氫的規(guī)模儲運是氫能應用的關(guān)鍵，氫燃料電池汽車是氫能應用的主要途徑和最佳表現(xiàn)形式，三方面只有有機結(jié)合才能使氫能迅速走向?qū)嵱没壳皣鴥?nèi)外主要從事氫能的規(guī)模制備和氫能的規(guī)模儲運的開發(fā)研究，并取得了一定的進展。本課題對氫能的開發(fā)及其利用進行全面的信息搜集和分析。

二、檢索策略與檢索結(jié)果

1、選擇檢索系統(tǒng)：根據(jù)信息需求，選擇以下檢索系統(tǒng)：

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫；維普——中文科技期刊數(shù)據(jù)庫；SpringerLink 全文數(shù)據(jù)庫；

World Scientific Journal數(shù)據(jù)庫

2、根據(jù)研究課題的研究內(nèi)容和目的，系統(tǒng)的要求，確定檢索詞如下：

（1）中文檢索詞：1、氫能 2、開發(fā) 3、利用

（2）外文檢索詞：1、hydrogen energy 2、production 3、exploitation

3、檢索提問式：

（1）中文檢索提問式：

檢索式1：1+2+3

檢索式2：1*2+1*3

檢索式3：1*2*3

（2）外文檢索提問式：

檢索式1：1+2+3

4、檢索結(jié)果：（詳見附錄）

（1）中國期刊全文數(shù)據(jù)庫

使用檢索式1命中，1179313條；使用檢索式2，命中264條；使用檢索式3，命中59條。

（2）維普—中文科技期刊數(shù)據(jù)庫

使用檢索式1命中，1034150條；使用檢索式2，命中339條；使用檢索式3，命中88條。

（3）SpringerLink全文數(shù)據(jù)庫

使用檢索式1，命中2條。

（4）World Scientific Journal數(shù)據(jù)庫

使用檢索式1，命中175 條。

三、氫能的開發(fā)與利用的研究信息研究概況綜述：

1 氫能的特點

氫能除了資源豐富、熱值高、燃燒性能好等特點外，還有以下主要特點：

(1)氫能環(huán)保性能好。氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過適當處理也不會污染環(huán)境，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用。

(2)具有較高的經(jīng)濟效益。氫目前最主要來源是提煉石油副產(chǎn)品、煤的氣化和水的分解，今后通過利用太陽能、核能等廉價能源大量制氫，氫的成本會進一步降低，能使制氫能的價格與化石燃料的價格相匹配。

(3)用途廣泛。氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求。既可直接作為燃料，又可作為化學原料和其它合成燃料的原料。

2 氫的制取及其開發(fā)

2．1 從化石燃料中制氫

這是過去及目前采用最多的方法。它是以煤、石油或天然氣等化石燃料作原料來制取氫氣。用蒸汽作催化劑以煤作原料來制取氫氣的基本反應過程為：C+H20--~CO+H2 (1)

用天然氣作原料、蒸汽作催化劑的制氫化學反應為：CH4+H2 +3H2+CO (2)上述反應均為吸熱反應，反應過程中所需的熱量可以從煤或天然氣的部分燃燒中獲得，也可利用外部熱源。自從天然氣大規(guī)模開采后，現(xiàn)在氫的制取有96％都是以天然氣為原料。天然氣和煤都是寶貴的燃料和化工原料，用它們來制氫顯然擺脫不了人們對常規(guī)能源的依賴。

2．2 電解水制氫

這種方法是基于如下的氫氧可逆反應：H2+1／202一n20+△Q (3)分解水所需要的能量△p是由外加電能提供的。為了提高制氫效率，電解通常在高壓下進行，采用的壓力多為3．0～5．0 MPa。目前電解效率約為50％～70％。由于電解水的效率不高且需消耗大量的電能，因此利用常規(guī)能源生產(chǎn)的電能來大規(guī)模電解水制氫顯然是不合算的。

2．3 熱化學制氫

這種方法是通過外加高溫高熱使水起化學分解反應來獲取氫氣。到目前為止雖有多種熱化學制氫方法，但總效率都不高，僅為20％～50％，而且還有許多工藝問題需要解決。隨著新能源的崛起，以水作為原料利用核能和太陽能來大規(guī)模制

氫已成為世界各國共同努力的目標。其中太陽能制氫最具吸引力，也最有現(xiàn)實意義。目前正在探索的太陽能制氫技術(shù)有以下幾種：

(1)太陽熱分解水制氫

熱分解水制氫有兩種方法，即直接熱分解和熱化學分解。前者需要把水或蒸汽加熱到3000 K以上，水中的氫和氧才能夠分解，雖然其分解效率高，不需催化劑，但太陽能聚焦費用太昂貴。后者是在水中加入催化劑，使水中氫和氧的分解溫度降低到9O0二1200 K，催化劑可再生后循環(huán)使用，目前這種方法的制氫效率已達50％。

(2)太陽能電解水制氫

這種方法是首先將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后再利用電能來電解水制氫。

(3)太陽能光化學分解水制氫

將水直接分解成氧和氫是很困難的，但把水先分解為氫離子和氫氧離子，再生成氫和氧就容易得多?；谶@個原理，先進行光化學反應，再進行熱化學反應，最后再進行電化學反應即可在較低溫度下獲得氫和氧。在上述三個步驟中可分別利用太陽能的光化學作用、光熱作用和光電作用。這種方法為大規(guī)模利用太陽能制氫提供了實現(xiàn)的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵是尋求光解效率高、性能穩(wěn)定、價格低廉的光敏催化劑。

(4)太陽能光電化學分解水制氫

這種方法是利用特殊的化學電池，這種電池的電極在太陽光的照射下能夠維持恒定的電流，并將水離解而獲取氫氣。這種方法的關(guān)鍵是如何一34一ENERGY ENGINEERING 20o3②選取合適的電極材料。

(5)模擬植物光合作用分解水制氫

植物光合作用是在葉綠素上進行的。自從在葉綠素上發(fā)現(xiàn)光合作用過程的半導體電化學機理后，科學家就企圖利用所謂“半導體隔片光電化學電池”來實現(xiàn)可見光直接電解水制氫的目標。不過由于人們對植物光合作用分解水制氫的機理還不夠了解，要實現(xiàn)這一目標還有一系列理論和技術(shù)問題需要解決。

(6)光合微生物制氫

人們早就發(fā)現(xiàn)江河湖海中的某些藻類也有利用水制氫的能力，如小球藻、固氮藍藻等就能以太陽光作動力，用水作原料，源源不斷地放出氫氣來。因此深入了解這些微生物制氫的機制將為大規(guī)模的太陽能生物制氫提供良好的前景。除了利用太陽能和核能制氫外，從生物質(zhì)中制氫也正在大力研究之中。目前采用的方法是，利用生物質(zhì)和有機廢料中的碳素材料與溴及水在250℃下作用，形成氫溴酸和二氧化碳溶液，然后再將氫溴酸水溶液電解成氫及溴，溴再循環(huán)使用。

生物制氫能還有以下幾種方法：①異養(yǎng)細菌發(fā)酵制氫②厭氧梭菌發(fā)酵制氫③混合微生物發(fā)酵制氫④活性污泥發(fā)酵制氫⑤光和細菌利用有機廢水生產(chǎn)氫⑥微型藻是制氫的重要途徑⑦甲醇用來生產(chǎn)氫氣

(7)核能制氫。

日本計劃采用核能制氫發(fā)電，供50萬人口的中等城市使用L6

3 氫能的儲運

目前，氫的儲存方法主要有以下幾種：常壓儲氫，高壓儲氫，液氫儲氫，金屬氫化物儲氫及吸附儲氫等。液氫儲氫是一種較好的儲氫方法，此法儲氫密度高。但是，制備l升液氫約需消耗電能3kW．h，在儲存過程中液氫還有自然揮發(fā)，因此能耗較高。金屬氫化物的出現(xiàn)為氫的儲存、運輸及利用開辟一條新的途徑。近年來，清華大學、中科院金屬所、防化研究院及西北核技術(shù)研究所等單位開始對新型儲氫技術(shù)一納米碳材料的儲氫進行了多項基礎(chǔ)性研究。其中，清華大學、中科院金屬所和防化研究院都在室溫下得到了儲氫重量比在12MPa時為8％左右的納米碳材料。

4 氫能的利用

早在二戰(zhàn)期間，氫即用作A一2火箭發(fā)動機的液體推進劑。1960年液氫首次用作航天動力燃料，1970年美國發(fā)射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料。對現(xiàn)代航天飛機而言，減輕燃料自重，增加有效載荷變得更為重要。氫的能量密度很高，是普通汽油的3倍，這意味著燃料的自重可減輕2／3，這對航天飛機是極為有利的。今天的航天飛機以氫作為發(fā)動機的推進劑，以純氧作為氧化劑，液氫就裝在外部推進劑桶內(nèi)，每次發(fā)射需用1450 m3，重約100 t?，F(xiàn)在人們正在研究一種“固態(tài)氫”的宇宙飛船。固態(tài)氫既作為飛船的結(jié)構(gòu)材料，又作為飛船的動力燃料。在飛行期間，飛船上所有的非重要零件都可以轉(zhuǎn)作能源而“消耗掉”。這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間。在超聲速飛機和遠程洲際客機上以氫作動力燃料的研究已進行多年，目前已進入樣機和試飛階段。

在交通運輸方面，美、德、法、日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示范汽車，并進行了幾十萬公里的道路運行試驗。其中美、德、法等國是采用氫化金屬貯氫，而日本則采用液氫。試驗證明，以氫作燃料的汽車在經(jīng)濟性、適應性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙。前者使汽車連續(xù)行駛的路程受限制，后者主要是由于液氫供應系統(tǒng)費用過高造成的。美國和加拿大已聯(lián)手合作擬在鐵路機車上采用液氫作燃料。在進一步取得研究成果后，從加拿大西部到東部的大陸鐵路上將奔馳著燃用液氫和液氧的機車。

氫不但是一種優(yōu)質(zhì)燃料，還是石油、化工、化肥和冶金工業(yè)中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精煉需要氫，如烴的增氫、煤的氣化、重油的精煉等；化工中制氨、制甲醇也需要氫。氫還用來還原鐵礦石，制成燃料電池可直接發(fā)電。采用燃料電池和氫氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)換效率將遠高于現(xiàn)有的火電廠。隨著制氫、氫能儲運及燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫能將成為其他新能源和可再生能源的最佳載體替代化石能源。

氫能系統(tǒng)由氫的生產(chǎn)、儲運和利用三部分組成。用太陽能或其它可再生能源制氫，用儲氫材料儲氫，用氫燃料電池發(fā)電，將構(gòu)成近“零排放”可持續(xù)利用的氫能系統(tǒng)，可廣泛作為分布式電源。近十年來，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)(PEMFC)取得了突破，可用于驅(qū)動交通工具，使氫能替代液體、氣體燃料成為可能。

5總結(jié)

環(huán)境生態(tài)保護、節(jié)能和人類的可持續(xù)發(fā)展迫切要求清潔能源的開發(fā)利用，氫能研究開發(fā)進展給我們帶來了希望，以氫能燃料電池作為車用動力源開發(fā)的燃料電池汽車表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景和強勁的發(fā)展勢頭。

我國要實現(xiàn)經(jīng)濟持續(xù)增長，必須尋求一個可持續(xù)發(fā)展的能源道路，在滿足終端能源服務(wù)需求的同時，節(jié)約能源、提高能源利用效率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。由于我國在氫能方面投人資金數(shù)量過少，與實際需求相差甚遠，雖在單項技術(shù)的研究方面有所成就，甚至有的達到了世界先進水平，并且在儲氫合金材料方面已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，但氫能系統(tǒng)技術(shù)的總體水平，尚與發(fā)達國家有一定差距。因此，必須結(jié)合中國實際情況，開發(fā)利用可再生能源，充分利用氫能，研究和開發(fā)燃料電池發(fā)電，更多地替代高含碳的礦物燃料。

附錄：氫能的開發(fā)及利用的文摘部分

1、【篇名】氫能的開發(fā)現(xiàn)狀及應用前景

【作者】王衛(wèi)兵

【關(guān)鍵詞】氫能制備、氫能儲運、氫能利用、燃料電池

【摘要】氫能作為一種潔凈的可再生能源，具有可儲可輸?shù)奶攸c，對整個世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。主要述評了氫能制備、氫能儲運、氫能利用在國際和國內(nèi)的最新研究動態(tài)，并對氫能未來開發(fā)利用前景進行了展望。

2、 【篇名】氫能開發(fā)和利用的研究

【作者】黃亞繼、張旭

【關(guān)鍵詞】氫能; 制氫; 開發(fā); 利用; 貯存;

【摘要】簡述了氫能特點，介紹了氫的制取方法及貯運，論述了氫能在我國的開發(fā)和利用及發(fā)展方

向。（The article investigated character and classifies of hydrogen energy from China energy structure, introduced the production and stocknile of hydrogen, analyzed the exploitation of hydrogen energy, and forecasts the applications of the technique in China.）

3、【篇名】發(fā)展氫能的微生物途徑及其它

【作者】羅明典

【摘要】發(fā)展?jié)崈裟茉椿蛱娲履茉词俏磥砟茉唇ㄔO(shè)的世界潮流，其中氫能是最佳的選擇。多途徑開發(fā)氫能，其中利用微生物有效開發(fā)氫能是重要途徑之一。人們熟知，氫是"水之源"，2個氫原子結(jié)合成氫分子，氫氣在氧氣中易燃燒釋放熱量，并生成水。由于氫、氧結(jié)合不會產(chǎn)生CO2、SO2、煙塵等污染物，所以氫被看作是未來理想的潔凈能源，有"未來石油"之稱;也可用于燃料電池的研制，氫能和燃料電池技術(shù)將會徹底改變?nèi)蚰茉聪到y(tǒng)的發(fā)展方向，氫在自然界中算是最豐富的元素之一，它存在于淡水、海水之中，也存在于碳氫化合物和一切生物質(zhì)中。因此，對氫能的研究開發(fā)引起國內(nèi)外的高度重視，并將其作為潔凈能源研發(fā)的一種重要戰(zhàn)略措施。氫能作為氣態(tài)能源之一，不僅潔凈，而且高效，不污染環(huán)境，將是本世

4、 【篇名】燃料電池：“氫能時代”的曙光

【作者】俞錚

【摘要】新世紀為何選擇氫能進入新世紀，人類面臨著前所未有的能源危機。國際能源機構(gòu)一份統(tǒng)計資料顯示，按目前世界人口和經(jīng)濟的增長速度，到2025年全球能源需求將增加近一倍。國際能源機構(gòu)提議，為避免出現(xiàn)嚴重的能源危機，各國應加強對可再生能源的開發(fā)和利用。環(huán)境問題，同樣也被國際社會看作人類面臨的重大挑戰(zhàn)。國際能源機構(gòu)負責人約瑟夫·科赫說，預計20年內(nèi)石油、天然氣和煤炭使用量仍將占世界能源消費量的90％，那時大氣中的二氧化碳排放量將比現(xiàn)在增加70％左右，氣候的“溫室效應”將更為嚴重。

5、【篇名】氫能——新型車用燃料的替代產(chǎn)品

【作者】王靜、侯俠、牛治剛

【關(guān)鍵詞】能源、氫能、車用燃料、燃料電池

【摘要】結(jié)合能源利用的現(xiàn)狀和環(huán)境污染的狀況，分析了研究與發(fā)展石油替代產(chǎn)品——氫能的必要性，并對新型車用燃料的開發(fā)利用與前景作了簡要的論述。

6、 【篇名】21世紀的新能源及其開發(fā)和利用

【作者】韓志萍、霍文蘭

【關(guān)鍵詞】新能源、開發(fā)、利用、前景

【摘要】2 1世紀最有發(fā)展前途的新能源，包括氫能、太陽能、生物質(zhì)能、風能、地熱能、海洋能等，了解其在世界范圍內(nèi)的開發(fā)和利用的現(xiàn)狀和前景，對我國的能源開發(fā)與建設(shè)是很有借鑒意義的。

7、 【篇名】生物質(zhì)產(chǎn)氫的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

【作者】李建昌、張無敵、宋洪川、謝建

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)、氫、光合產(chǎn)氫、發(fā)酵產(chǎn)氫、評述

【摘要】綜述了生物質(zhì)光合產(chǎn)氫和發(fā)酵產(chǎn)氫的研究現(xiàn)狀，分析了利用生物質(zhì)產(chǎn)氫技術(shù)目前所面臨的問題，評述了把生物質(zhì)產(chǎn)氫與新能源開發(fā)、環(huán)境保護相結(jié)合的應用可能性和前景展望。

8、【篇名】生物氫能機制模擬

【作者】郭永強、張萍、張文強

【關(guān)鍵詞】生物氫能、光解水、生物燃料電池

【摘要】闡述了生物的氫能機制和對其進行模擬對于氫能開發(fā)利用的重要意義，從模擬光合作用分解水制氫和生物燃料電池兩方面綜述了生物氫能機制模擬的研究進展，對于今后的研究方向和重點進行了討論。

9、【篇名】為“后石油時代”未雨綢繆

【作者】孫永祥

【關(guān)鍵詞】能源安全、后石油時代、戰(zhàn)略規(guī)劃、替代能源、可再生能源

【摘要】21世紀以來，世界能源安全面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)。世界許多國家在充分研究全球油氣資源和社會經(jīng)濟發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，已開始研究如何應對“后石油時代”人類生存的全球性問題，并由政府牽頭制定相應的對策和計劃。其中包括:開發(fā)利用氫能、生物燃料、太陽能和風能等可再生能源，以及核能、二甲醚等其他替代能源。綜觀世界各國對“后石油時代”問題的研究和準備，中國尚有差距，應迎頭趕上。為此建議:1）弄清我國能源資源的真實家底兒，實事求是地制定能源的長期戰(zhàn)略規(guī)劃;2）從長計議國際間的能源合作，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)解決涉及公司利益與國家利益或各類能源項目的問題;（3）盡快構(gòu)建“后石油時代”研究體系，由政府組織相關(guān)部門和專家，根據(jù)中國的實際情況確立大政方針，制定計劃和步驟，扎扎實實地開展研究。