關于氫能源的研究

氫是宇宙中最小、分布最廣的氣體。如果用作能源，它將成為我們的“永恒燃料”。而且氫分子中沒有碳原子,所以燃燒時沒有二氧化碳排出。氫能源不像石油能源有地理差異——這是導致世界近現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭的罪魁禍首,氫能源是貧民能源,地球上隨處都可以找到氫。氫能源無疑是我們人類最理想的能源之一,但近兩年來我國不少相關專家對氫能源的利用開發(fā)研究持懷疑態(tài)度。對此,本文通過從氫能源的各國發(fā)展狀況、制造、存儲、運輸、安全性等方面進行研究并提出了不同的看法和建議。1氫能源在國內外的發(fā)展1.1r氫燃料計劃美國由于國內各種政治力量和集團利益間的博弈,所以政府在氫能發(fā)展計劃上表現(xiàn)的搖擺不定。2003年,布什政府投資17億美元,啟動Freedom.CAR氫燃料開發(fā)計劃,該計劃提出了氫能工業(yè)化生產技術、氫能存儲技術、氫能應用等重點開發(fā)項目。而去年奧巴馬政府大規(guī)模消減了美國能源部中關于燃料電池和氫能的計劃開支,其2011財年預算資助僅為1.37億美金,比2010年下降21%。但美國企業(yè)界一直熱衷于氫能源的發(fā)展,在2010美國氫協(xié)會氫能會議展覽會報告上ProtonEnergySystems公司董事長TomSullivan宣布計劃到2012年將建成緬因州和邁阿密州之間的氫能高速公路。1.2施有專項計劃和補貼政策日本是一個資源匱乏的國家所以在研究氫能方面比較早,目前燃料電池是日本氫能的主要發(fā)展研究方向。日本政府為推動氫燃料電池汽車的發(fā)展,啟動實施了一系列政府專項計劃和補貼政策予以支持,如WE-NET計劃、燃料電池示范項目(JHFCProject)等。2010年日本經(jīng)濟產業(yè)省的預算大約是140000億日元(1000億英鎊)。日本的目標是到2015年,要使2000輛燃料電池汽車跑在公路上并建設15個加氫站臺;到2025年達到200萬輛燃料電池汽車和1000個加氫站。迄今,日本燃料電池的技術開發(fā)以及氫的制造、運輸、儲藏技術已基本成熟。1.3歐盟第六個框架研究計劃歐盟在2002年便對氫能源的開發(fā)和利用進行了研究。在2002-2006年歐盟第六個框架研究計劃中,對氫能和燃料電池研究的投資為2500萬～3000萬歐元。北歐五國最近又成立了“北歐能源研究機構”,通過生物制氫系統(tǒng)分析,提高生產生物氫能力。1.4我國氫能與燃料的發(fā)展現(xiàn)狀我國2001年國家“863”計劃電動汽車(不單是氫能源)重大專項開始實施,國家投入達8億多,帶動企業(yè)投入共20多個億,發(fā)展以純電池、燃料電池、混合動力三種動力的電動車,國撥經(jīng)費安排主要以燃料電池汽車的研究為主。歷經(jīng)五年,專項結束,取得了很大進展,研制出了各種類型的多臺樣車。“863”計劃先進能源技術領域2006年度計劃指南中,氫能與燃料電池技術專題年度經(jīng)費預算定為7500萬元。“863”計劃新材料技術領域2006年度計劃指南中,燃料電池材料關鍵技術的年度經(jīng)費預算為750萬元。最近據(jù)在天津舉行的中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會氫氣專業(yè)委員會2010年年會上獲悉,我國氫氣年產量已逾千萬噸規(guī)模,位居世界第一大產氫國;同時,我國金屬儲氫材料產銷量已超過日本,成為世界最大儲氫材料產銷國。氫氣產量和儲氫材料產銷量兩項世界第一,這無疑為我國開發(fā)利用新能源、加快邁入氫能經(jīng)濟時代創(chuàng)造了有利條件。其他國家如挪威、冰島、巴西韓國等國家對氫能源的發(fā)展都給以極大的關注和熱情。綜合以上世界氫能源發(fā)展狀況如圖1所示可知日本在這方面是走在最前頭。2副產氫氣的回收利用氫能源的獲取按來源分目前主要有如圖2所示的各種方法,其中煤氣化制氫是一種具有我國特點的制氫方法,而國外制造氫氣的主要原料為天然氣(CH4);水電解制得的氫氣純度高,操作簡便但需耗電,目前我國水電解主要用石棉布電介質和強堿性水溶液,能耗大、環(huán)保差。但近年我國已經(jīng)成功開發(fā)采用固體高分子離子交換膜代替石棉布作為電解質,直接電解純水的新技術;副產氫氣主要是電解食鹽水制燒堿、合成氨制化肥、煤煉焦炭等多種行業(yè)產生的大量氫氣副產品。若把2005年生產焦炭時所伴生的焦爐煤氣全部變壓吸附提氫,則氫氣產量高達402.5億m3,可替代車用汽油2421.9萬噸。太陽一年中到達地球表面的能量達5.5×1026J,為現(xiàn)在全人類一年所消費能源總和的一萬倍。因此如果我們能夠克服太陽能的低密度及不穩(wěn)定性,將這部分“廉價”的取之不盡的能量利用起來,將永遠解決人類能源問題。如圖3所示太陽能制氫方法多種多樣,且無技術困難,關鍵是需要大幅度提高系統(tǒng)效率和降低成本。知道制氫的本質是“提取”水中的氫,因此,提取氫的方法也便多種多樣,我國研究者致力于氫的制取方法研究主要有以下六種并取得了很大成績:(1)水煤氣-鐵法制造氫氣;(2)熱化學法分解制氫;(3)甲烷(催化)裂解制造氫氣;(4)生物質制氫;(5)等離子體制氫;(6)其它含氫物質制氫,如從硫化氫中制取氫氣,氨裂解制氫等。3氫儲存方法3.1高壓鋼瓶儲存氣態(tài)高壓儲氫是最普通和最直接的儲氫方式。目前我國使用水容積為40L的鋼瓶在15MPa高壓儲存氫氣。這樣的鋼瓶只能儲存6m3標準氫氣,還不到高壓鋼瓶重量的1%。很明顯它的缺點是儲氫量小,運輸成本過高。3.2溫度對氫脆的影響通過氫氣絕熱膨脹而生成的液氫也可以作為氫的儲存方式。液氫沸點僅20.38K,氣化潛熱小,僅0.91kJ·mol/L,因此液氫的溫度與外界的溫度存在巨大的溫差,稍有熱量從外界滲入容器,即可快速沸騰而導致?lián)p失。液氫的理論體積密度也只有70kg/m3,考慮到容器和附件的體積,液氫系統(tǒng)的儲氫密度還不到40kg/m3。液氫方式儲運的優(yōu)點是質量儲氫密度高(按目前的技術可以大于5%),但同樣存在成本問題和液氫蒸發(fā)損失的問題。3.3儲氫合金的分類研究發(fā)現(xiàn),某些金屬具有很強的捕捉氫的能力,在一定的溫度和壓力條件下,這些金屬能夠大量“吸收”氫氣,反應生成金屬氫化物,同時放出熱量。其后,將這些金屬氫化物加熱,它們又會分解,將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬,稱作為儲氫合金。常用的儲氫合金有:稀土系(AB5型)、鈦系(AB型)、鋯系(AB2型)、鎂系(A2B型)四大系列。上面三種儲氫方法是目前實際應用的主流,特別是高壓儲氫方法應用最為廣泛。但是,都離美國能源部的最低儲氫要求還有一段距離。所以,科學家正在積極探索新的儲氫方法,例如無機物儲氫、玻璃微球儲氫、儲氫合金與高壓復合技術、地下巖洞儲氫以及高壓及液氫復合技術等等。相信不久將來將有突破。4氫運輸4.1裝復式或牽引客車的輸送氫氣的密度特別小,為了提高輸送能力,一般將氫氣加壓,使體積大大縮小,然后裝在高壓容器中,用船舶或牽引卡車進行較長距離的輸送。在技術上,這種運輸方法已經(jīng)相當成熟。4.2氫裝專用低溫當液氫生產廠離用戶距離較遠時,可以把液氫裝在專用低溫絕熱槽罐內,放在機車、卡車、船舶或者飛機上運輸。這是一種既能滿足較大輸氫量又比較經(jīng)濟、快速的運氫方式。4.3儲氫合金容器用金屬儲氫材料儲存與輸送氫比較簡單,即用儲氫合金儲存氫氣,然后運輸裝有儲氫合金的容器。固氫輸送有如下優(yōu)點:(1)體積儲氫密度高;(2)容器工作條件溫和,不需要隔熱容器和高壓容器;(3)系統(tǒng)安全性好,避免爆炸危險。最大的缺點是運輸效率太低(不到1%)。4.4法水處理工藝流程專家們已經(jīng)設計并試驗了沒有氫氣的氫輸送系統(tǒng)即首先將氫轉化為某種液體形式,如甲醇、氨、環(huán)己烷等,然后將這些液體送到用戶,就地制氫,從而實現(xiàn)氫的高效輸送。但此項技術目前還沒有得到技術及經(jīng)濟上的詳細論證。5氫的特性,風速,以消極開展以減少試驗危險(1)氫氣無毒,不像有的燃料毒性很大,如甲醇。(2)氫氣在開放的大氣中,很容易快速逃逸,而不像汽油蒸汽揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散(這使得事故發(fā)生時它的影響范圍要小得多)。由圖4的實驗結果可知氫氣汽車比汽油汽車在燃燒中發(fā)生爆炸時間要短很多。(3)氫氣燃燒不冒煙,生成水,不會污染環(huán)境。但氫能源的利用也有其不利因素:(1)氫是易燃氣體、著火點能量很小,根據(jù)文獻的報導,在空氣中氫的最小著火能量僅為0.019mJ,在氧氣中的最小著火能量更小,僅為0.007mJ。(2)氫的另一個危險性是它和空氣混合后的燃燒濃度極限的范圍很寬,按體積比計算其范圍為4%～75%,因此不能因為氫的擴散能力很大而對氫的爆炸危險放松警惕。針對氫燃燒的不利因素,法國、俄國、日本、德國、烏克蘭等國都對氫的安全作了卓有成效的研究。氫的安全研究主要包括氫的行為研究及后果研究。氫行為方面研究,主要包括氫的泄露、擴散、自燃、點火、爆燃和瞬變效果。氫后果方面研究,主要包括射流火焰、爆炸、火球和閃火等方面的研究。物理影響主要包括由火災或爆炸引起的超壓、熱輻射和碎片效應。6催化劑、電解槽的高效低價值化目前對氫能源的開發(fā)利用主要存在三方面的質疑:一是氫能源是二次利用能源,造價成本高,基礎設施建設更是個天文數(shù)字。但作者相信隨著科技的進步,制造、運輸、存儲氫的成本都將大大下降,而基礎設施的成本對于任何新燃料的更替都是一樣,當年汽油站的建設成本可謂也是天文數(shù)字;二是燃料電池車上所用鉑資源的問題,我國鉑的年產量僅約為4噸,進口約40噸,而每50萬輛燃料電池電動小轎車至少需要用10噸白金,所以我國所能提供的鉑資源遠達不到支撐燃料電池電動產業(yè)化的能力?？上驳氖?麻省理工大學在今年5月份宣布已研究出一種成本較便宜的鎳硼酸鹽催化劑,此催化劑可以代替壽命短、成本昂貴和制造過程有毒的鉑催化劑,在電解槽中被用來催化電解水(湖水、河水、雨水等)制取氫氣。研究者稱,此催化劑的效率是鉑催化劑效率