氢能——未来理想的新能源，本文主要内容关键词为：新能源论文,理想论文,未来论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
能源、材料和信息是当今社会发展的三大支柱。能源是指提供能量的自然资源，是制约国家经济发展的瓶颈。能源的供应水平标志着一个国家的发达程度。我国每年能源需要量为10亿t 标准煤（标准煤的发热量定为29.26MJ／kg），能源需求水平仍处于发展中国家水平。据专家预测[1]，到21世纪中叶，我国经济将达到中等发达国家水平时，每年对能源的需求量将达到40～50亿t标准煤。目前，我国的能源结构主要是煤，还有石油、天然气、核能等，这些能源都是一次不可再生且污染环境的能源，研究和开发清洁而又用之不竭的能源是未来发展的首要任务。科学家预测“氢能”将是未来21世纪最理想的新能源。
1 氢能的特点
氢能是利用氢气的燃烧反应放热提供能量，即
氢能是最理想的清洁能源之一。氢气燃烧的唯一产物是水，无环境污染问题。氢能是一种二次能源。自然界不存在纯氢，必须从含氢的物质中制得，氢作为水的组成，可以说资源丰富。而且氢能是可以利用其它能源（如热能、电能、太阳能和核能等）来制取的二次可再生能源。氢作为能源放出的能量远远大于煤、石油、天然气等能源，从表1 氢能和常规能源的热值比较[1]可以看出，1g氢气燃烧能释放出142kJ的热量，约是汽油发热量的3倍。另外，氢能是一种理想的能源载体。 氢气具有可储、可输的性质，可作为一种能源储存和运输。储能可以达到合理利用能源的目的。氢能也可进行大规模运输。
2 氢能的开发
开发和利用氢能源，必须解决氢气的生产、储存和运输等问题，目前世界各发达国家纷纷投入大量财力、物力和人力进行这方面的开发与研究。
2.1 利用化石燃料制氢
世界上氢的总产量为3600万t／a，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取。如：用水蒸气与炽热的碳反应
该循环过程需要很高的热能，也就是说在较高温度下才能进行，生成的SO[,2]和I[,2]可以循环使用，其它产物对环境无污染， 但耗能太大，所以此法也不可取，若把太阳能用到上述循环中，该工艺将是合理的。
开发制氢新技术，应主要考虑以水为原料，地球上70％的表面被水所覆盖，要将氢气作为二次常规能源，应以极为丰富的水资源作为原料，而水是非常稳定化合物，必须消耗大量的能量，才能达到水分解制氢和氢燃烧生成水的循环过程。因此利用水制氢一旦技术成熟，达到实用化后，以氢为能源结构主要支柱便成为可能。
2.3 电解水制氢
电解水制取氢，关键是耗能问题。如电解水制取1m[3] 氢气需要耗电4.0～4.5kW，一方面消耗的电能比氢能释放的能量还要高，另一方面电能本身就是高效、清洁能源，以电能换氢能，成本很高，显然消耗电能来获得氢能的方法是得不偿失。但是，通过太阳能发电或风能、海洋能、生物能、地热能电站产生的电能来制氢，可以降低氢的成本。目前，氢总量只有4％左右由电解水的方法制取。
2.4 太阳能光解水制氢
对化学家来讲，研究新的经济上合理的制氢方法是一项具有战略性的研究课题。目前，有人提出一种最经济最理想的获得的氢能源的循环体系[3]，如图1所示：
这是一种最理想的氢能源循环体系，类似于光合作用，太阳能和水是用之不竭，而且价格低廉。急需化学家研究的是寻找合适的光分解催化剂，它能在光照下促使水的分解速度加快。当然氢发电机的反应器和燃料电池也是化学家的研究领域。实现上述良性循环，将使人类永远可以各取所需地消耗电能。光分解水制取氢的研究已有一段历史。目前也找到一些好的催化剂，如钙和联吡啶形成的配合物，它所吸收的阳光正好相当于水分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和含钙的化合物也是较适用的催化剂。酶催化水解制氢也是一种途径。目前已经发现一些微生物，通过氢化酶诱发电子与水中氢离子结合起来，生成氢气。总之，光分解水制取氢方面还应进一步加强基础研究，寻找新的方法和催化剂。在这方面一旦有所突破，这将能使人类在能源问题上一劳永逸。这是一个可能获得诺贝尔化学奖的研究课题。
3 氢的储存与运输
氢的储存和运输是氢能开发利用中极为重要的技术，因此氢气的储存和输送技术的研究十分重要。氢气常用高压气体储存、低压液氢储存及正在开发的金属储氢材料的固体储存[4]。 输送方式除一般的交通工具外，还有管道运输方式。
3.1 高压气体储存和运输
大量用作化工原料的氢气是将氢气压缩到15～20MPa， 用高压容器储存。氢气大量长期储存还可以利用山洞、废矿洞、岩洞、地下洞做储氢库。用车、船运输。然而，氢气的重量只占容器重量的1％～2％，且处于高压下，因此在经济上和安全上都不可取。欧美采用管道远距离输送氢气。用管道运输的优越性在于：可以把现有的天然气和城市煤气管道输送系统改造为氢气输送系统。
3.2 低温液体储存和运输
在－252.8℃的深冷状态下将氢气液化，氢体积大大缩小， 用杜瓦瓶或真空绝热容器储存，用液氢罐车或槽车运输，液氢储罐或储槽的重量约为高压钢瓶重量的1／6～1／10，相对来说容器重量减轻。 液氢同样可以用真空绝热管道输送。但液化氢气的能耗大，条件要求比较高。
3.3 金属储氢材料储存和运输
由于高压气储运及液态氢储运方式存在着不安全、能耗高、储量小、经济性差等重大缺陷，最有前景、安全经济的氢气储运方式是用金属氢化物储氢材料。金属氢化物储氢密度比液氢还高，氢以原子态储存于合金中，当它们重新放出来时，经历扩散、相变、化合等过程，受到热效应与速度的制约，不易爆炸，安全程度高。利用金属材料储氢是目前较受重视的应用项目。