开创能源发展的新纪元——氢能时代的到来

当我们踏入21世纪的今天，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。世界各国政府和大财团公司都不惜重金投入开发新能源，而氢能作为一种清洁、高效、无污染的可再生能源，被视为21世纪最具发展潜力的能源，无疑是我们的最佳选择。有关权威机构预测，到2010年前，世界每天生产的氢能源当量将达到320万桶石油；2020年前将达到950万桶石油，氢将在2050年前取代石油而成为主要能源，人类将进入完全的氢经济社会。

氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点：

（l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。

（2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。

(3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

（4）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，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

（5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。

（6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。

（7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。

（8）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。

由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：（1）廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。（2）安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。

氢能在二十一世纪的世界能源舞台上必将成为一种举足轻重的二次能源。氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。在自然界中，氢已和氧结合成水，必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电来分解水制氢，那显然是划不来的。现在看来，高效率的制氢的基本途径，是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决，然而世界各国都十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并且业已取得了多方面的进展。因此在以后，以太阳能制得的氢能，将成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料。

        单质氢的制备取决于制备技术，但制备技术的发展除去技术本身的问题外，很大程度上还取决于生产过程的成本，包括原料费用、设备费用、操作与管理费用等，以及产品及副产品的价值。此外，还取决于资源的丰富程度，以及对环境保护的重视程度等。传统的制氢技术包括烃类水蒸气重整制氢法、重油（或渣油）部分氧化重整制氢法和电解水法。目前，以生物制氢为代表的新制备方法也日益受到各国的关注，预计到21世纪中期将会实现工业化生产，利用工农业副产品制氢的技术也在发展。此外，利用其它方式分解水制备氢的技术也受到了广泛的重视，如热化学循环制氢、太阳能、地热能、核能等。图2概括显示了以上所述的主要的制氢方法。

        在上图所列的制氢技术中，目前世界各国的制氢技术仍以石油、天然气的蒸汽重整和煤的部分氧化法为主。其中蒸汽重整法是目前最为经济的方法，被用于集中式大规模制氢，在美国和欧洲，石油和天然气的重整制氢占到90%以上。这种制氢技术的研究重点是提高催化剂的寿命和热的优化利用。这类以化石燃料为基础的制氢方法还包括重油部分氧化制氢、水蒸汽??铁法制氢、甲烷催化裂解制氢等方法。

        水电解制氢是很成熟的一种传统制氢方法，具有产品纯度高和操作简便的特点，其生产历史已有80多年了，目前利用电解水制氢的产量约占总产量的1%~4%。虽然近年来对电解制氢技术进行了许多改进，但工业化的电解水制氢成本仍然很高，很难与以化石燃料为原料的制氢方法相竞争。在电解水制氢的生产费用构成中，原材料费用占82%，设备投资费用占14%，操作与管理费用占4%。显然，电费占整个电解水制氢生产费用的82%，因此通常意义上不具竞争力。但是随着人们对水力、风能、地热能、潮汐、太阳能等资源的开发水平的提高，利用这些资源丰富地区富余电力进行电解水制氢可以获得较为廉价的氢气，还可以实现资源的再生利用，对环境与经济都具有一定的现实意义。实际上，人们所指真正绿色的氢经济，也是针对这类制氢技术而言的。

        发展使用核能的热化学循环分解水制氢和使用太阳光能的光催化、光电化学分解水制氢等新型的水分解制氢技术也是未来制氢技术的发展方向。目前日本原子能研究所、美国橡树桥国家实验室、美国通用原子能公司、法国CEA等都在进行核能热化学循环分解水制氢法的研究。太阳能光催化和光电化学分解水制氢技术被认为是最有前途的制氢方法。这种方法可以实现模块化的设计思想，可以与燃料电池很好的组合使用。这两种方法的原理是一样的，区别在于光催化法没有明显的阳极和阴极，生成的氢气和氧气混合在一起。

        使用可再生的生物质制氢有着比较高的能源转换效率，同时也符合可持续发展战略，已在世界上引起了广泛的关注。德国、以色列、日本、葡萄牙、俄罗斯、瑞典、英国、美国等国家都投入了大量的人力物力对该项技术进行研究开发。近几年，美国每年用于生物制氢技术研究的费用平均为几百万美元，而日本每年在该研究领域的投资则是美国的5倍左右，而且，日本和美国等一些国家为此还成立了专门机构，并建立了生物制氢发展规划，以期通过对生物制氢技术的基础和应用的研究，在21世纪中叶使该技术实现商业化生产。目前生物质制氢法主要有两类：生物质气化制氢和微生物制氢。前者即将生物质原料如薪柴、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料。微生物制氢技术是利用微生物在常温下进行酶催化反应制氢。这类制氢技术主要有化能营养微生物产氢和光合生物产氢两种。化能营养微生物的是各种发酵类型的一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌。发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等。目前已有利用碳水化合物发酵制氢的专利，并利用所产生的氢气作为发电的能源。光合微生物如微型藻类和光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系，称光合产氢。

        氢的制备是整个氢能经济的首要环节，要满足氢经济所需要的足够的氢，还需要从经济的角度对制氢方法进行研究与改善。要进一步降低氢的生产成本，应将研究重点同时放在对现有蒸汽甲烷重整、多燃料气化和电解等传统方法商业流程的改善上，以及生物质分解、核热化学分解、光电化学分解等新技术的研发上。

　　生物质资源丰富，是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。在生理代谢过程中产生分子氢，可分为两个主要类群：

　　l、包括藻类和光合细菌在内的光合生物；

　　Rhodbacter8604，R.monas2613，R.capsulatusZ1，R.sphaeroides等光合生物的研究已经开展并取得了一定的成果。

　　2、诸如兼性厌氧和专性厌氧的发酵产氢细菌。

　　目前以葡萄糖，污水，纤维素为底物并不断改进操作条件和工艺流程的研究较多。中国在此方面研究也取得了一些进展，任南形琪等1990年就开始开展生物制氢技术的研究，并于  1994年提出了以厌氧活性污泥为氢气原料的有机废水发酵法制氢技术，利用碳水化合物为原料的发酵法生物制氢技术。该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限，开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径，并首次实现了中试规模连续流长期生产持续产氢。在此基础上，他们又先后发现了产氢能力很高的乙醇发酵类型发明了连续流生物制氢技术反应器，初步建立了生物产氢发酵理论，提出了最佳工程控制对策。该项技术和理论成果在中试研究中得到了充分的验证：中试产氢能力达5.7m3H2/m3.d，制氢规模可达500－1000m3/m3，且生产成本明显低于目前广泛采用的水电解法制氢成本。

　　生物制氢过程可以分为5类：（1）利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法；（2）有机化合物的光

合细菌（PSB）光分解法；（3）有机化合物的发酵制氢；（4）光合细菌和发酵细菌的耦合法制氢；（5）酶催化法制氢。

　　目前发酵细菌的产氢速率较高，而且对条件要求较低，具有直接应用前景。但PSB光合产氢的速

率比藻类快，能量利用率比发酵细菌高，且能将产氢与光能利用、有机物的去除有机地耦合在一起，因而相关研究也最多，也是最具有潜在应用前景的方法之一。在生物制氢的全过程中，氢气的纯化与储存也是一个很关键的问题。生物法制得的氢气含量通常为60％－90％（体积分数），气体中可能混有CO2、O2和水蒸气等。可以采用传统的化工方法来除去，如  50％（质量分数）的  KOH溶液、苯三酚的碱溶液和干燥器或冷却器。在氢气的几种储存方法（压缩、液化、金属氢化物和吸附）中，纳米材料吸附储氢是目前被认为最有前景的。 (责任编辑：泉水)

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