氢能利用与制氢储氢技术研究现状上海大学陈哲
关键字：氢能制氢储氢技术
目前世界各国都在因地制宜的发展核能、太阳能、地热能、风能、生物能、海洋能和氢能等新型能源，其中氢能以资源丰富、热值高、无污染等优点被认为是未来最有希望的能源之一。

一、氢能的利用与未来发展
氢能的利用方式主要有三种：（1）直接燃烧；（2）通过燃料电池转化为电能；（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。

目前，氢能的开发正在引发一场深刻的能源革命，并将可能成为21世纪的主要能源。

美、欧、日等发达国家都从国家可持续发展和安全战略的高度, 制定了长期的氢能源发展战略。

美国的氢能发展路线图从时间上分为4个阶段：技术、政策和市场开发阶段；向市场过渡阶段；市场和基础设施扩张阶段；走进氢经济时代。

从2000年至2040年, 每10年实现一个阶段。

而欧盟划分为三个阶段，即短期，从2000 年到2010 年；中期，从2010 年到2020年；中远期，从2020年到2050年。

第一阶段将开发小于500 kW的固定式高温燃料电池系统(MCFCPSOFC）；开发小于300kW 的固定式低温燃料电池系统( P EM) 。

第二阶段是新的氢燃料家用车比例要达到5%，其他氢燃料交通工具比例达到2%。

所有车的平均二氧化碳排放量减少2.8g/km，二氧化碳年排放量减少1500万t 。

第三阶段是新的氢燃料家用车比例要达到35%，其他氢燃料交通工具比例达到32%。

所有车的平均二氧化碳排放量减少44.8g/km，二氧化碳年排放量减少2.4亿
t 。

二、制氢技术
1、矿物燃料制氢
在传统的制氢工业中，矿物燃料制氢是采用最多的方法，并已有成熟的技术及工业装置。

其方法主要有重油部分氧化重整制氢，天然气水蒸气重整制氢和煤气化制氢。

虽然目前90% 以上的制氢都是以天然气和煤为原料。

但天然气和煤储量有
限，且制氢过程会对环境造成污染，按照科学发展观的要求，显然在未来的制氢技术中该方法不是最佳的选择。

2、电解水制氢
电解水制氢工业历史较长，目前常用的电解槽一般采用压滤式复极结构，或箱式单级结构，每对电解槽压在1.8 ～2.0V 之间，制取1m3H2 的能耗在4.0 ～4.5 kWh 。

箱式结构的优点是装置简单，易于维修，投资少，缺点是占地面积大，时空产率低；压滤式结构较为复杂，优点是紧凑、占地面积小、时空产率高，缺点是难维修、投资大。

随着科学技术的发展, 出现了固体聚合物电解质(SPE) 电解槽。

SPE槽材料易得，适合大批量生产，而且使用相同数量的阴阳极进行H2、O2的分离, 其效率比常规碱式电解槽要高，另外，SPE槽液相流量是常规碱式电解槽的1/10，使用寿命约为300天。

缺点是水电解的能耗仍然非常高。

目前，我国水电解工业仍停留在压滤式复极结构电解槽或单极箱式电解槽的水平上，与国外工业和研究的水平差距还很大。

3、甲烷催化热分解制氢
传统的甲烷裂解制造氢气过程都伴有大量的二氧化碳排放，但近年来，甲烷因热分解制氢能避免CO2的排放，而成为人们研究的热点。

甲烷分解1mol氢气需要37.8kJ的能量，排放CO2 0.05mol。

该法主要优点在于制取高纯氢气的同时，制得更有经济价值、易于储存的固体碳，从而不向大气排放二氧化碳，减轻了温室效应。

由于基本不产生CO2，被认为是连接化石燃料和可再生能源之间的过渡工艺。

但生产成本不低，如果副产物碳能够具有广阔的市场前景，该法将会成为一种很有前途的制氢方法。

三、储氢技术
1、高压气态储氢
这是目前较常用的一种储氢技术，其储氢压力一般为12～415MPa ，有的可达20MPa。

普通高压气态储氢是一种应用广泛、简便易行的储氢方式，而且成本低，充放气速度快，且在常温下就可以进行。

但其缺点是需要厚重的耐压容器，并且需要消耗较大的氢气压缩功，而且存在氢气容易泄露和容器发生爆破等不安全因素。

2、低温液态储氢
这种储氢方式是一种轻巧紧凑的方式，质量储氢率和体积储氢率分别为5%（wt）和37g/L 。

液氢储存工艺特别适宜于储存空间有限的运载场合，如航天飞机用的火箭发动机、汽车发动机和洲际飞行运输工具等。

若仅从质量和体积上考虑，液氢储存是一种极为理想的储氢方式。

但由于氢气液化要消耗很大的冷却能量，液化1 kg 氢需耗电4～10kWh ，增加了储氢和用氢的成本。

另外液氢储存容器必
须使用低温用的特殊容器，由于液氢储存的装料和绝热不完善容易导致较高的蒸发损失，因而其储存成本较贵，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。

3、金属氢化物储氢
这类材料有一种特性，即当把它们在一定温度和压力下曝置于氢气氛中时，就可吸收大量的氢气，生成金属氢化物。

而在加热条件下，金属氢化物又释放出氢气，利用这一特性就可有效地储氢。

金属氢化物中的氢以原子状态储存于合金中，重新释放出来时经历扩散、相变、化合等过程。

这些过程受热效应与速度的制约，因此金属氢化物储氢比液氢和高压氢安全，并且有很高的储存容量。

但是，金属氢化物的不足在于其质量储氢率低，抗杂质气体中毒能力差，反复吸放后性能下降。

要满足燃料电池汽车对氢源的要求(可逆氢容量大，性价比高，寿命长)，还有很长的路要走。

4、物理吸附储氢材料
吸附储氢是近年来出现的新型储氢方法。

由于其具有安全可靠和储存效率高等特点而发展迅速。

吸附储氢方式分为物理吸附和化学吸附两大类, 其中所使用的材料主要有分子筛、高比表面积活性炭和新型吸附剂等。

由于该技术具有压力适中、储存容器自重轻、形状选择余地大等优点，已引起广泛关注。

但目前其在储氢机理、结构控制和化学改性方面仍须更深入的研究和突破，而且合成成本高，碳纳米管用作商业储氢材料还有很长一段距离。

5、配位氢化物储氢
配位氢化物主要是指碱金属或碱土金属与第三主族元素与氢配位形成的氢化物，例如NaBH4 、KBH4、LiBH4 等。

配位氢化物在非水解条件下的吸放氢反应与储氢合金相比，主要差别在于配位氢化物在普通条件下没有可逆的氢化反应，因而在“可逆”储氢方面的应用受到限制。

但是若使用合适的催化剂并选择合适的催化条件，则有可能在比较温和的条件下实现反应的逆反应。

尽管反应条件有些苛刻，但这一化学“可逆”储放氢无疑为配位氢化物的高效储放氢开辟了新途径。

参考文献：
[1] 丁福臣, 易玉峰. 制氢储氢技术. 北京: 化学工业出版社,2006:1～5
[2] 顾钢.国外氢能技术路线图及对我国的启示.国际技术经济研究.2004(7):4～5。