浅析氢能的发展及展望

摘要：在环境污染和能源危机双重压力下，氢能作为一种高效的清洁能源越来越受到世界各国的重视。

关键词：氢能 特点 储存 技术

随着全球人口的急剧增长和人类社会的快速发展，人类对化石资源过度开采和不合理利用现象，已经导致化石资源严重短缺、温室效应和酸雨等自然灾害频发，如果再不加以控制，人类的生存环境将进一步恶化，人类必须找到一种更好的新型能源代替即将殆尽的化石能源，并且保证这种能源对生存环境不产生破坏。氢能由于具有资源无穷无尽，燃烧热值大，并且对环境无污染等优点，当然作为首选替代品。而氢能能否得到推广，与目前的制氢技术和储氢技术密切相关。而储氢技术的关键是储氢材料，这直接影响了氢能应用的安全性和经济性。

一、氢的特点

氢是自然界存在最普遍的元素。据推算，如果把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比全球所有化石燃料放出的热量还大9 000倍。氢发热值高，除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，达到121 061 J/g，是汽油的三倍。氢的燃烧产物是水，对环境无任何污染，而氢气在燃烧中产生氮氧化物，比石油基燃料低80%。氢能利用形式多，既可通过燃烧产生热能又可做能源材料用于燃料电池。氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

二、氢的储存

一般条件下氢以气态形式存在，贮存困难。常用贮存方法有：常压高压气态贮存、低温液氢贮存和金属氢化物贮存。

1.高压气态贮存

气态氢可贮存在地下库里，也可装入钢瓶中。为提高贮氢量，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 μm～10 μm），充满微孔（10 μm～100 μm），氢气贮存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃和陶瓷或金属制造。

2.低温液氢贮存

将氢气冷却到- 253 ℃变为液态，然后将其贮存在高真空的绝热容器中。生产液氢一般采用膨胀剂，氨制冷和节流循环这三种液化循环。液氢贮存工艺最早用于宇航中，其成本较高，安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。

3.金属氢化物贮存

现在已研究成功的多种贮氢合金可以分为四大类：一是稀土镧镍等，二是铁- 钛系，三是镁系，四是钒、铌、锆等多元素系。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。

三、氢能经济的关键技术是控制制氢成本和储氢成本

探索廉价而又高效的制氢技术，开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是降低氢能应用成本的关键，这是氢能能否广泛推广的重要因素。

1.制氢技术

1）化石燃料制氢 这是目前人类获取氢能的最主要方法，此技术成熟，成本低廉，但资源短缺，过程中对环境会产生污染，目前还未彻底解决。

2）水分解制氢 这种方法主要利用光化反应，热化学反应和电化学反应制氢气。光化学反应中太阳能的收集，热化学反应和电化学反应中需要的热能和电能，这是首先必须要解决的问题。

3）生物质制氢 生物制氢主要有两种途径：第一种方法主要通过厌氧发酵产生甲烷等主要气体，然后通过加工成为氢气；第二种方法是通过某些微生物（如绿藻）的代谢功能，通过光化学分解反应产生氢气。生物质制氢适合于民用燃料，大规模制氢不经济，目前还处于基础研究阶段。

4）光催化制氢 这种方法主要通过光催化来制氢，特点是效率不高，原因是太阳光利用不高、光量子产率不高、能量不匹配等，因此，目前的技术关键是研究新型的高效的光催化材料。

2.储氢材料 储氢材料一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。它不仅决定了氢储运过程中的安全性，同时还决定了氢能运输和应用的经济性。作为储氢材料必须具备：①吸氢能力高，即能吸尽量多的氢；②储氢时生成热应尽量小，释氢时温度不能太高。③储氢和释氢的速度要求快；④导热性能优良；⑤对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大；⑥化学稳定性好，经久耐用，不易产生破碎粉化；⑦使用与运输时安全、可靠；⑧来源广、价廉物美等。因此开发出性能优越的储氢材料，必将推动氢能使用的快速发展。目前，人们已经开发出很多的新型储氢材料，根据储氢原理主要有两类：物理储氢技术和化学储氢技术。

1）活性炭吸附储氢 氢气在碳基材料上的物理吸附，是基于作用力弱得多的范德华力，没有联结原子的化学键的打开与生成过程，因此吸释氢条件温和，吸附热效应相对较小。活性炭具有较高的比表面积（2000m2/g），利用低温和高压条件，可吸附大量的氢气。在-120℃，5.5MPa 下，储氢量可达 4.0%（质量分数），活性炭储氢材料易得，储氢脱氢操作简单，投资费用比较低。20 世纪，科学家发现C60和纳米碳管对氢气有较强吸附能力，其吸附量可达 5-10%，特别是碳纳米管，多壁纳米碳管电极经过 100 次充放电后，可保持其最大容量的 70%，单壁纳米碳管循环充放 100 次后，可保持最大容量的 80%。但是纳米碳管材料不易获得，成本较高，机理不清。

2）金属氢化物储氢 其机理是其特殊晶格结构，在一定条件下，氢原子较容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙中，形成金属氢化物，可储存其体积 1000-3000 倍的氢。钛铁系典型代表：TiFe，美 Brookhaven 国家实验室首先发明，特点：价格低，室温下可逆储放氢，易被氧化，但活化困难，抗杂质气体中毒能力差，实际使用时需对合金进行表面改性处理；镁系典型代表：Mg2Ni，Brookhaven 国家实验室首先报道，储氢容量高，资源丰富，价格低廉，放氢温度高（250-300℃），且动力学性能较差；钛锆系：具有 Laves 相结构的金属间化合物，原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附，活性好。

四、氢能应用前景展望

氢能作为最清洁的可再生能源，近十多年来引起发达国家高度重视，中国近来也投入巨资进行相关技术开发研究。据了解，氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进。相信在不久的将来，随着新型的储氢材料的不断开发，氢能的应用会越来越广泛，人类生存的环境也会进一步得到改善。

参考文献：

[1]肖明珠.高密度储氢材料研究现状[N].沈阳师范大学学报，2010（2）.

[2]刘啸锋，马光，李银娥，姜婷，郑晶.储氢材料的研究与进展[A].第二届中国储能与动力电池及其关键材料学术研讨与技术交流会论文集[C].2007.

[3]陈秀娟，刘学龙，等.镁基储氢材料的研究现状[J].材料开发与应用，2004（06）.