浅谈氢能技术和应用

叶召阳

（佛山市佛铁实业有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

氢是一种清洁的能量载体，可以从任何一种能源和燃料电池中产生，而燃料电池是高效的能量转换装置。通过实现氢经济，可以为人类能源的安全利用以及保护大气环境做出贡献。

其在运输领域替代燃料是为了减少全球范围内温室气体和不可再生能源的开发，随着能源技术的进步，科学界和工业界找到了发展全球氢经济的方法，而这种方法是基于氢可以作为未来能源载体并能发挥重要作用的假设。

该文将对氢能在生产领域、储存领域以及应用领域的各个方面进行分析。

1 氢是什么

氢是一种能量载体，这意味着它可以用一种易于使用的形式储存和传递能量。作为地球上最丰富的元素之一，氢很容易与其他元素结合，在很多物质中几乎都有氢存在，如水、碳氢化合物、天然气等。氢也存在于所有动植物的生物量中。

氢还是宇宙中最常见的元素，它的分子H2在任何已知燃料的单位重量中都有最高的能量含量，但它从未在地球上单独存在过，因为它总是与其他元素结合，如氧（以分子形式水）或碳（形成碳氢化合物）。因此，氢需要人们通过加工生产，才能作为一种能源载体与电力结合使用，使之成为一种新的能源。

2 氢经济

氢经济是能源以氢为媒介（储存、运输和转化）的一种未来的经济结构设想。氢经济可以运用到各个领域，因此需要继续开发和研究。电解水是一种潜在的可持续制氢的方法，但前提是使用可再生能源发电。如今，全球电力仅一小部分来自可再生能源，如太阳能、风能和水电发电。因此，在能够实现氢经济设想以前，电力的来源必须迅速向可再生能源转变。太阳能光伏电解水制氢系统是当前研究的热点。在密歇根州的一个实验场进行的一个项目中，将40 个太阳能光伏组件直接连接到电解槽/储存/分配器系统里面，结果氢气的生产效率仅为8.5%，平均每天生产0.5 kg 高压氢。类似的研究将会不断推动太阳能—氢能系统的优化升级，从而更好地实现全球氢经济。

3 制氢方式

虽然氢是宇宙中最丰富的元素，但在地球上面氢元素很少会单独出现。纯氢是由其他含氢化合物产生的，如化石燃料、生物量或水。每种生产方法都会用到一种能源，如热能（热量）、电能（电解）或太阳能（光分解）等，研究人员正在开发各种技术，希望可以以更经济、环保的方式生产氢气。氢气生产过程中面对的最大挑战是如何降低成本，在运输方面，氢只有与传统燃料和技术相比具有成本竞争力，才能在市场经济中占据优势。制氢方法的选择取决于氢的数量和所需纯度。

3.1 天然气蒸汽重整

该过程的第一步是将天然气暴露在高温蒸汽中，以此产生氢气、一氧化碳和二氧化碳。第二步是用蒸汽将一氧化碳转化成额外的氢气和二氧化碳，而大多数氢气是由该过程产生的，制氢生产效率大概是70%～90%[1]。

3.2 电解

电能的作用是将水分解成氢气和氧气（2H2O+electricity→2H2+O2）。太阳能、风能和水力发电等可再生能源产生的能源可作为电能使用。然后将太阳能电池板产生的电能直接连接到生产氢气燃料电池上，通过电化学分解出氢。

3.3 生物质气化和热解

以生物质（木屑、稻壳、城市生活垃圾和农业废弃物等）为原料，在隔绝空气或氧气的条件下对其进行加热，使其转化为富氢燃气，根据温度可分为高温气化和低温热解。此方法最大优点是H2含量高，但缺点是制氢过程会产生焦油，造成环境污染。

3.4 光生物学过程

光合产氢微生物可以利用光能产生氢气，如果使用催化剂，制氢效率可达24%。

3.5 光电解离

在该过程中，阳光被半导体吸收，将水分解成氢和氧，可用的半导体有n-TiO2以及n-WSe2等，但目前对于这块的研究还很少。

4 储氢方式

氢单位重量蕴含的能量很高，但单位体积的能量含量又很低，因此会给储存带来了很大挑战。在大多数情况下，固定式储氢系统的要求没有车辆储氢系统严格。固定储氢系统占用的区域相对较大。然而，车辆储存系统则面临着更严峻的挑战，它们必须在车辆的尺寸和重量限制的范围内运行，并在接近室温的情况下快速加氢（一般只需几分钟）[2]。

许多人认为车辆储氢是氢燃料电池车广泛商业化的最大技术挑战，目前的方法包括压缩氢气罐、液氢罐和材料储氢。政府、工业界和学术界的研究人员正致力于对整个储存系统的储罐、储存介质、阀门、调节器、管道、冷却能力和其他部件平衡进行研究。研究的重点是降低成本，提高现有氢储存系统中储罐质量、体积，并开发新的技术，使其能够与汽油燃料储存系统具有相似的性能和成本。

4.1 压缩气体储罐

目前，新材料已经可以制造出能够在极高压力下储存氢气的储存罐，虽然储罐和压缩的成本很高，但该技术是可行的。

4.2 液氢

将氢气冷凝成密度更大的液态，这样就可以储存和运输更多的氢气。然而，将氢气转换成液态氢的成本很高，而且需要输入大量的能量。

4.3 气固吸附

活性炭对氢分子的吸附密度可以接近液态氢的储存密度，因此可以大量的储存氢气。

4.4 微球

非常小的玻璃球可以在高压下储存氢。在高温下充气，气体可以通过玻璃壁，而在低温下，玻璃是不受氢的影响的，氢气被锁在里面。因此，科学家正在开发定制的玻璃球。

4.5 化学氢化物

各种纯金属或合金金属可与氢结合，产生稳定的金属氢化物。氢化物在加热时分解，释放出氢气。氢可以以氢化物的形式储存，比简单的压缩储存要高得多。使用这种安全有效的储存系统时，要保证在适当的温度范围内金属具有足够的吸附能力。

5 氢的应用

氢可以在燃料电池、涡轮和发动机内部发生燃烧反应并转化为可用能源。目前正在开发的燃料电池不仅可以提供一种新的发电方式，而且大大提高了能源的转换效率，特别是在运输应用中。

5.1 燃料电池

燃料电池将氢能直接转换为电和热，在燃料电池内氢气与空气中的氧气结合，产生电能、纯净水和有用的热量。例如磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell）和高温燃料电池（High Temperature Fuel Cell）。

5.2 基于氢的交通运输

汽油混合动力电动汽车的技术发展，推动了燃料电池汽车的发展。这种使用氢能的燃料电池车优点是能够储存更高效的能量，燃烧效率是汽油的2 倍，不依赖任何化石燃料并且唯一的产物是水。对于这种基于氢能交通运输工具的使用，需要可在降低成本和延长燃料电池组寿命2 个方面进行研究。

5.3 平衡风力发电

为了平衡电力生产与负荷要求，可以采用一种新的风力发电设计方法，最大化地进行储氢工作。研究人员对某地的风荷载数据进行研究后发现，1 台半径为48.4 m 的风力发电机配套一个容量为2 000 m3的压缩氢储能回收系统，可以满足当地的用电要求。因此，未来在设计时，可把风力发电机与储氢储能回收系统一同设计，以此满足用电需求。

5.4 太阳能氢系统

有一些方法可以完全借助光伏系统来产生氢气和电力，例如光伏—氢系统、太阳直接照射—氢系统、光电化学—氢系统。这些系统将太阳能产生的氢气直接在终端上使用，如果在加氢站上布置一定数量的光伏组件及其相应的配套设备，就能使加氢站具备制氢能力，以此实现自给自足。

5.5 核反应堆氢系统

当氢是通过“水分解”产生的而不是碳氢化合物通过加工产生的时候，用氢替代化石燃料可以为减少温室气体（GHG）的排放提供了一个重要的机会。利用核能产生的能量进行“水分解”是大规模“无碳”制氢的首选方法。世界各地的研究人员正在寻求2 种新的“水分解”方式，即热化学循环和高温电解（HTE），它们都需要利用新一代的高温反应堆的热能来实现。当这2 种方法与高温核反应堆相结合时，其效率可在50%～60%，而传统电解法的效率低于30%[3]。这是目前唯一一种不产生二氧化碳的制氢方法。加拿大原子能有限公司（AECL）于21 世纪初开始研究开发下一代概念堆型，包括超临界水冷反应堆（SCWR），以此实现大规模制氢。

6 结论

氢作为一种能源载体，在商业化使用过程，将面临各种技术挑战。氢在提供清洁、安全、可靠和丰富能源方面有着巨大的发展前景，这也促使人们不断研究如何将氢作为替代燃料。该文对氢能的制造方式、储存方式以及应用方式进行了简单分析。相信在不久的将来，氢能将会替代传统能源，而人类的生存环境也会得到进一步改善。