新型含能体能源：氢能及储氢技术的进展

论文关键词：氢能

制氢技术

储氢技术论文摘要：氢能是21世纪解决化石能源危机和缓解环境污染问题的绿色能源。实现氢能的利用，氢的储运是目前要解决的关键问题。文章综述了氢气制备技术和储备技术的最新研究进展，并探讨了制氢与储氢技术的关键问题。最后对进一步的研究进展进行展望，提出了可供研究的课题方向。0

引言资源减少、能源短缺、环境污染日益严重。为了我国经济可持续发展的战略国策，寻找洁净的新能源和可再生能源来替代化石能源已经迫在眉睫。氢能以其热值高、无污染、来源丰富等优点，越来越受到人们的重视，被称为21世纪的理想能源。是人类能够从自然界获取的、储量非常丰富而且高效的含能体能源。作为能源，氢能具有无可比拟的潜在开发价值：氢是自然界最普遍存在的元素，它主要以化合物的形态储存于水中，而水是地球上最广泛的物质；除核燃料外，氢的发热值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高；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；氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。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。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，在能源工业中氢是极好的传热载体。所以，研究利用氢能已成为国内外学者研究的热点[1、2、3、4]。1国内外氢能发展状况2003年11月19-21日在美国首都华盛顿欧米尼·西海姆大酒店举行“国际氢能经济合作伙伴组织”[TheInternationalPartnershipForTheHydrogenEconomy(IPHE)]成立大会，共有澳大利亚、巴西、加拿大、中国、法国、德国、冰岛、印度、意大利、日本、韩国、俄罗斯、英国、美国和欧盟的政府代表团及工商业界代表数百人出席会议。IPHE是一种新的氢能国际合作关系，这种合作将支持未来的氢能和电动汽车技术，建设一个安全、有效和经济的世界范围的氢能生产、储存、运输、分配和使用设施的大系统。氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象。氢能广泛应用的关键，在于研制出成本低的制氢技术。目前，氢能利用技术开发已在世界主要发达国家和发展中国家启动，并取得不同程度的成果。美国已研制成功世界上第一辆以氢为燃料的汽车，可将60%-80%的氢能转换成动能，其能量转换率比普通内燃机高一倍。1989年，美国太平洋能源公司发明了能大量生产廉价氢燃料的新技术。可用于水分解的一种化学催化剂。用这种方法分解出来的氢成本很低，因而成为世界上最便宜的燃料[1－3，6]。欧盟(EU)也加紧对氢能的开发利用。在2002-2006年欧盟第6个框架研究计划中，对氢能和燃料电池研究的投资为2,500万-3,000万欧元，比上一个框架计划提高了1倍。北欧国家2005年成立了“北欧能源研究机构”，通过生物制氢系统分析，提高生物生产氢能力。2005年7月，德国宝马(BMW)汽车公司推出了一款新型氢燃料汽车，充分利用了氢不会造成空气污染和可产生强大动力的两大优点。该车时速最高可达226km/h，行驶极限可达400km/h。日本研究氢能比较早，目前燃料电池是日本氢能的主要发展方向。日本政府为促进氢能实用化和普及，进一步完善了汽车燃料供给制，全国各地建造了不少“加氢站”，现在已有近百辆燃料电池车已经取得牌照上路，计划到2030年将发展到1500万辆[1－6]。对我国来说，能源建设战略是国民经济发展之重点战略，我国化石能源探明可采储量中煤炭、石油、天然气分别占世界储量的11.6%，2.6%，0.9%。人均煤炭为世界平均值的1/2，石油仅为1/10左右，我国人口众多，人均资源严重不足。因此，寻找新的洁净能源对我国的可持续发展具有特别重要的意义。2

储氢技术发展状况2.1氢气的制备技术进展目前制氢的主要方法现代工业能制取的方法很多。如表1所示。表1

获取氢气的方法

(table.1

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（1）用蒸汽和天然气为原料的基本反应过程：CH4+H2O→CO+3H2

（2）上述反应均为吸热反应，反应过程中所需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧中获得，也可利用外部热源[5]。现在氢的制取大都是以天然气为原料，但是天然气和煤炭都是宝贵的燃料和化工原料，其储量有限，用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖和对自然环境的破坏。（2）电解水制氢。这种方法是基于如下的可逆反应：蜜2H牧2O牵→扭2娱H2碎+受O2洞务吸备（塌3）去寸分解愉水所闹需要殖的能索量由局外加舟电能帝提供丽。为掩了提岔高制辣氢效沸率，捧电解春通常征在高吨压下巧进行雕，采崭用的侧压力键多为秩3-桑5M此Pa社。目沈前电截解效吐率约沿为5抱0%希-7草0%荐[5偶]。枝由于拳电解觉水的贞效率挥不高揉目前强需消芦耗大宫量的沫电能膏，因薄此利填用常请规能揭源生虫产电厦能来奋大规接模的迹电解衔水制各氢显分然也苦是不够合算惭的。友僻(3漏)百热化复学制狱氢。焰这种汁方法丹是通腰过外窑加高室温使劣水起康化学圣分解掀反应密来获胖取氢哭气。溪到目畏前为妨止虽嗓有多揉种热系化学虎制氢蛇方法蹈，但混总效射率都朵不高部，仅嚷为2哀0%气-5升0%源，而坐且还启有许轧多工点艺问刊题需尝要解垄决。魄依靠脱这种辈方法难来大耗规模惨制氢舰还有商待进厘一步旧研究更。泪旨2.切1.晴2瘦辱生物想制氢朱掩回(献1)蔬翁微生铃物制捧氢。赞利用柳微生闷物在寺常温乔常压帽下进迁行酶喊催化勾反应持可制恋得氢展气。耳近年递来，胀已查稼明在诚常温授常压狮下以毅含氢坐元素悟物质讽包括布植物瓣淀粉掠、纤肤维素样、糖平等有耽机物村和水运进行赛生物族酶催呢化反均应来赚制得扇氢气疗的微智生物凭可分挠为5萝类：蹈异养山型厌校氧菌垦、固恰氮菌妥、光把合厌挎氧细闯菌、愧蓝细既胞和诚真核杰藻类绣。其形中蓝棕细胞奏和真秤核藻烂类产否氢所添利用降的氢站源是私水；娘异养宅型厌流氧菌江、固勤氮菌碗、光软合厌哀氧细掏菌所壤利用龄的氢辛源是葵有机扣物。嚼按氢矛能转驴化的者能量悔来源魂来分收，异治养型费厌氧歇菌，尼固氮阀菌依吊靠分伍解有腹机物耳产生控AT勤P来沉产氢制；而谈真核洋藻类贫、蓝津细胞绳、光遍合厌黄氧细深菌则粪能通躲光合除作用拣将太纯能转框化为喜氢能肃[6败]。艰近年判来发馒现有息30奇种化欲能异什养菌盒可以倡发酵唱糖类升、醇身类、弯有机筹酸等届产生晓氢气仗，其晨中有趁些细恢菌产绢氢气惨能力熊较强森，发循酵随1g言的葡慕萄糖湾可以尖产生塘约阳0.迁5L站的氢埋气，辛葡萄微糖总柄利用侄率达阿65蜘%以抄上；饶而天棚然产眨氢的捞光合哥细菌似据报轻道也朱有十茧几种项之多毅，其热中也口有些工细菌珠产氢惩气能目力较悠强。框峰日本繁北里挡大学蒜研究拨人员陆以各绿种生痛活垃踏圾，累如剩衫菜肉侵骨等谈经处薪理后馅作为留生产锣氢的消原料蚕，借驶助3傻种微袋生物饰[6起]，浩丁酸零梭菌跌(C罗lo铃st灵ri舒di谷um赢b戴ut透yr割ic艳um坦)、释产气房肠杆没菌(展En找te尝ro忘ba核ct友er正a歉er橡og娱en铲es凯)和种麦芽顽糖假投丝酵痛母(巾Ca冲nd岂id售a凤ma俭lt爷os产e)雪在3丘6o爽C混毛和发祥酵废桥弃有贺机物图48疑小时稳，平药均产漂氢量坟为1挨5,普14马5疮mL学。这训3种点菌有工协同潮产氢旧效应堆，即浩产气盆肠杆屿菌起跨主导兴作用转，而扯另2芒种菌刚起协菜同作蓄用，宗使代氏谢产校物不些易积办累，光为彼笨此创直造生盐存环吩境。鄙由此枝可见传，选文择混枕和菌去制氢役，利途用其拍互补睬性，绘创造律互为梁有利徒的生叉态条阅件，盛是一申条可伴取的俩微生悬物制程氢途怒径。廊但是锦，对典产氢哥细胞域，不廊论是雄游离暗细胞烂或是框固定组化细状胞，类发酵掌生产换氢所岔需的乘复杂崖的生港态条箭件因男素不轿可忽君视。晴鹊（2阿）为光合惯细菌仅利用醉有机得废水感和活筋性污近泥制锅氢。赖20尸00迈年1盗月，冈我国远以厌感氧活汁性污架泥和抛有机盟质废钻水为颈生产捕原料涨的有虎机废堤水发号酵法透生物祝制氢尸技术仰在哈震尔滨尤工业坡大学模通过黎中试耳研究嫂验证铸，该迁项研谊究在浙国内她外首滚创并滔实现坦了中据试规扣模连智续非哲固定芝化菌轿种长梁期持催续生胶物制慰氢技铜术，众并实喝现了迷中试王规模罚连续模流长千期持塔续产暮氢[柿8]屈。是伟生物刃制氢挎领域杠的一岂项重毅大突骑破，否其成猫果国弃际领馋先。年该技社术突半破了饥生物厘制氢无技术膊必须零采用钥纯菌惊种和左固定磨技术蚕的局旦限，瞎开创老了利细用非微固定馒化菌并种生脚产氢盼气的避新途块径。璃试验牛表明岂，在差一个债容积佩为命50币m菜3盗的容罩器中响，含劣糖或榨植物铺纤维演的废横水发剖酵后裹，每油天能所产生魄28界0斧m3娱左右株的氢死气，倡纯度裁达9餐9%绝以上止，产董氢能吨力大女大加谷强，箱氢气罪产率独比国询外同伏类的荒实验嫁研究反水平歪高1脏0倍啦，生振产成脉本约晨为目休前采怀用的剑电解绳水法竖制氢鼻成本妖的1奴/2炎。这芝一开喷创性觉成果复利用眠淀粉辜厂，雨食品奴厂等编含高骨碳水武化合部物的必工厂裹废水毒发酵众制氢缘，具摇有广椅阔的复应用且前景崇和较遮好的任环境谷效益捆、经矿济效佩益和腥社会乐效益律。捐汽在国辜外，办采用窝活力堪强的会产气符夹膜搂杆菌筹，在竟容积隶为密10地L狮的发落酵器着中，康经8弯h发胳酵作捞用后睛，产释氢气京约液45福L而，最搬大产潮氢气铜速度旨为1于8森-2进3哄L膀/h叉；泰坊国的钓Wa浇ta搜n-危ab堡ed爆在曼尸谷分惰离的燥Rh扩od孟ob已ac陈te悬r堡Sp秩ha盲er分oi攻de蛙s辛B6形以乳词酸为滴底物微，夏1g锡干菌惨体产伯氢能渐力6串2.旗5m喷L仅/h城，转范化率县达6毅8.酷8升%那。犬[7加－9驶]。换吃（3友）生棕物质批制氢虹。生叙物质茅包括始高等拔植物枣，农劫作物烤及秸脊秆，巾藻类浅及水井生植倍物等锡。利暑用生涉物质呆制氢险是指竖用某盗种化把学或碰物理宫方式壶把生扶物质惜转化支成氢奴气的痛过程圈。降台低生茂物制冤氢成匠本的察有效麻方法因是应观用廉戚价的遗原料质，常译用的洋有富秧含有接机物刊的有物机废掘水，别城市滴垃圾沟等。身利用呼生物胡质制斩氢同话样能歼够大咱大降脑低生子产成此本，啊而且撒能够旨改善俯自然白界的叼物质糟循环振，很分好地础保护浊生态牌环境尊[9安]。妄细通过扬陆地痰和海急洋中勒的光滤合作细用每印年地筛球上呈所产郑生物氧量中全约含知3×枪10等21纹J薯的能点量，浅是全驳世界何人类恳每年改消耗峰量的它10负倍。脂就纤蚂维素狱类生富物质闷而言题，我怀国粘农村催可供萝利用劝的农库作物贝秸秆赖达5左亿至忙6亿邀吨。财相当裹于2皇亿多毛吨标汇准煤成。林聋产加衫工废顽料约惰为3削00杂多万亡吨。桥此外哲还有潜1万端吨左识右的杀甘蔗士渣。均这些浮生物宣质资调源中浅，有挠16横%-夕38周%是内作为县垃圾葵处理组的，授其余毁部分次的利平用也讯多处稳于低兼级水饶平，办如造滴成环段境污蝶染的虫随意抬焚烧站、采右用热调效率丙仅约议为1搏%的倘直接窄燃烧划方法民等。版昼开发蛾生物惭质制鸡氢技蚕术将柿是解绳决上貌述问努题的橡一条拌很好夜途径概，生冒物质悄制氢忙包括挨两种闲方法矮：兴催=宏1夹\轻*醋GB日3袭①棵生物名转化群制氢勿法：辉以秸誓秆为校例，罪秸秆恋主要怕由纤棕维素避，半甘纤维提素和劈木质备素通拨过复中杂的察方式却连接丹形成税，这案3种终物质劝的基叔本成督分都探是小斜分子般糖类蔽。但所由于漆天然饿纤维市素的绪结晶客结构杨十分磨复杂辱，难冻以降岛解，看因而磨很难闸被微恢生物队所利巴用。逝发酵己方式绿采用命压力直脉动薄固态茄发酵签法，端能够革充分间利用煮原料追且大想大降丢低废扩水排饱放量汗，在帝环境朴保护就方面袄具有油极大白的优定势，卵为生收物质贪制氢副技术党开辟锦了新奇途径托。啄匀=第2依\家*蓄GB愚3烟②就生物城质气耐化法刚：将苏生物惠质通按过热同化学摩转化易方式叶转化夸为高茧品位贪的气密体燃尖气或登合成伴气，派产品浪气主踢要是外H2集、剑CO咐、少荷量C田O2饥、水宅和烃匪。相繁对来军说，叔生物区质气钩化技前术已么比较怠完善蝶，但立存在谣着制鞭取成俘本高较，气瞒体净艳化难范，副雄产物则多污辟染环骡境等烧缺点乌，还块有待绣工艺现的进糊一步贵改进蛇。则约从国挑内外拉生物塌制氢爸技术驶的研产究现却状看端，虽诉然利返用生妙物产惨氢目桶前尚捆处于锹研究圾探索杏或小诱规模患试产挣阶段塔，离策大规帅模工饲业化馒生产牛尚有风不小虾距离闷。但跟是，妹有关节这方括面的医研究白进展酱，展法现了够利用压生物刻生产河清洁爆燃料单氢气泥的广废阔前陪景。斯在探匹索利惭用生悄物生石产氢盘气的祥道路顿上，赵需要洋不断孝寻找但产氢出气能耕力高荷的各逢种微馒生物爽，深桑入研常究生陕物产盼氢的哭原理陪和条植件，努完成肠天然迫菌种仆的人戒工训到化，诉在此浩基础仍上，晌设计胶出相尼应的走大规挽模生头产装搁置系雾统，累推进械生物盏制氢忙工业冈化革单命的惹到来挥[7级－9寇]。匠湖2.栏2扇算氢气畅的储埋备技舅术进隙展怎2.彻2.啦1跃瘦金属迟及其川氧化镇物系烈列储海氢材惜料午吼储氢奴技术启是氢给能利刮用走寄向实恨用化诵、规圆模化雹的关岗键。斩金属获储氢任材料替通常菜由一恨种吸迹氢元潜素或弃与氢段有很桥强亲勒和力稻的元严素和逗另一英种吸大氢量添小或族根本凝不吸肠氢的凭元素异共同社组成虑。荒愧镁系睛合金柏有很江高的视储氢天密度拴，但掏放氢茅温度茫高，坦吸放瓦氢速龄度慢沃，因婶此研冈究镁宏系合杆金在警储氢忍过程迫中的事关键揭问题燃，可拆能是贱解决黎氢能垒规模者储运旬的重爷要途岂径。蚁因此锤对金翼属M救g表窝面催骡化改絮性引俯起了析研究弱者的辆兴趣没。近速年来即，有基人利轧用射竖频喷昌溅方巾法制肺备了搂Pd稻包覆林的纳普米结振构的层多层协Mg余薄膜部，并朝对储昂氢性内质进粒行了嫌研究英。结绕果显帖示，克在1狗00灵oC借,趁0.希1M崇P创a氢枕气压辛力条荣件下寇，氢啊的吸枕附量理约为戒5w嘉t%引，程薄膜赴在1尚00鼻oC极真空助的条面件下股释放唤出全念部的睡氢。爱20雾06寄年，挠Au理[1毯4]水报道贡了四诊氢呋曾喃处搜理的联镁的羊氢化贷-脱洞氢性侦质，馅并且牙考察贪了样清品的叠电力乖能态联、晶叼格结干构和仇微观长形貌姓。研饼究表聚明四晒氢呋气喃处钥理的具镁在滋10筛0o就C,咳衰3.盘5M录P矛a条冷件下渴吸附数了6挺.3庙w糊t%宾的氢蛋，同征时四蹈氢吠剖喃的睬处理花改善砌了镁堆吸附荷-脱锻附氢武的动浊力学柳，在范62恐3袖K具祥有较抛理想莲的反面应速那率[压5,永11刃,1支2]透。侵Fe煌3O阁4与夸Fe扑的可漂逆氧边化还席原是愧储氢敏和放曾氢的挣反应凡模板睁。氢漆以金销属铁涉的形债式储拿存起友来，补然后鸣与H庭2O贿反应赞释放买，具发体过截程如冈方程渴式所坝示[射15骂]喉Fe庙3O怪4昏+餐4H瘦2铲→户3课Fe杂+絮4三H2相O

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