地球上的氫主要以化合態(tài)形式存在，氫為地球上最豐富的元素之一。氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，約占宇宙質(zhì)量的75%。氫能既氫的化學能，是通過氫氣和氧氣反應所產(chǎn)生的能量。氫能具有清潔、高效等特點，受到各國學術界、企業(yè)界和政府的高度關注。
一、氫能的性質(zhì)和特點
隨著化石燃料逐漸減少，人們在不斷尋找儲量豐富的新的“含能體能源”。氫氣具優(yōu)良的性能，是一種理想的新“含能體能源”，越來越受到人們的關注。
一是氫氣導熱性能、發(fā)熱值高。氫氣的導熱系數(shù)高出一般氣體導熱系數(shù)的10倍左右，是良好的傳熱載體。氫的發(fā)熱值為142，351kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍，比化石燃料、化工燃料和生物燃料的發(fā)熱值都高。利用氫能高的發(fā)熱值特點，已有較長的歷史，比如在切割、焊接以及有機玻璃制品火焰拋光等方面的應用。
二是氫氣燃燒性能良好，且安全無毒。氫氣空氣混合時可燃范圍大，具有良好的燃燒性能，而且燃燒速度快。同時氫氣燃燒時主要生成水和少量氨氣，不會產(chǎn)生諸如一氧化碳、碳氫化合物等，與其他燃料相更清潔。
二、氫能的獲取方法
兩百年前，人們就開始關注氫能的應用。20世紀70年代以來，許多國家和地區(qū)廣泛開展氫能研究。20世紀60年代初，我國在液氫及燃料電池用于火箭燃料方面，做了大量工作。20世紀70年代開始加大了對氫能的應用。
氫氣作為一種重要的工業(yè)氣體，依據(jù)原料、能量來源、設備和成本情況，以及對氫氣純度和用量等方面的要求，可有以下幾種制備方式：
（一）電解法制備氫氣。將直流電通過鉑電極（或其它惰性材料）通入水中，在陰極可以得到氫氣，純度高達99.5~99.8%，氯堿工業(yè)電解飽和食鹽水制氯氣和燒堿時，也可同時得到副產(chǎn)品氫氣。該方法成本較高，但產(chǎn)品純度大，像北京電子管廠（京東方前身）等就用水電解法制氫，在工業(yè)中常用于電子、儀器工業(yè)生產(chǎn)中的還原劑、保護氣等。
（二）水煤氣轉(zhuǎn)化法。將水蒸氣通過熾熱的焦炭層制得水煤氣，然后將水煤氣跟水蒸氣混合，以氧化鐵為催化劑，使水煤氣中的CO轉(zhuǎn)化為CO2，二氧氣化碳溶于水，通過加壓水洗即得到較純凈的氫氣。這種方法制氫產(chǎn)量大，成本相對較低，設備較多，在合成氨廠多用此法。
（三）烴類裂解法。碳氫化合物經(jīng)過高溫裂解，裂解氣中含有大量氫氣，再經(jīng)過低溫冷凍系統(tǒng)，可得到90%的氫氣。比如由石油熱裂副產(chǎn)的氫氣，產(chǎn)量較大，常用于汽油加氫，這種制氫方法在世界上很多國家都采用。
（四）烴類蒸氣轉(zhuǎn)化法。碳氫化合物在高溫和催化劑的作用下與水蒸氣作用，可以得到主要含氫氣和一氧化碳的一種混合氣體，例如：用分子篩吸附法或水煤氣轉(zhuǎn)化法除去CO，可得到純凈的氫氣。天然氣、油田氣和煉廠氣（石油煉制廠的副產(chǎn)氣體）等都可用烴類裂解法和烴類蒸氣轉(zhuǎn)化法得到氫氣。
在工業(yè)生產(chǎn)中，氫氣常作為一種副產(chǎn)物存在，加以提純處理后也可作為工業(yè)生產(chǎn)的來源之一。比如：焦爐煤氣制氫。焦爐煤氣是焦爐干餾煤時產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體，其中氫氣含量高達55%-60%，充分運用焦化廠副產(chǎn)焦爐煤氣制氫可有效降低制氫成本，延伸了焦化行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，同時也符合工業(yè)綠色低碳發(fā)展要求。此外，電解食鹽水的氯堿工業(yè)中也副產(chǎn)大量較純氫氣；釀造工業(yè)中用玉米發(fā)酵丙酮、丁醇時，發(fā)酵罐的廢氣中有1/3以上的氫氣，經(jīng)多次提純后可生產(chǎn)普氫（97%以上）。
三、氫能的應用、存在問題及展望
氫能源在交通、工業(yè)、建筑等領域的應用，可豐富能源構成。在交通領域中，用氫燃料電池給汽車提供動力，能夠解決空氣污染、噪音污染和CO2排放帶來的全球氣候變暖等環(huán)境問題。在工業(yè)領域中，氫氣一直是最重要的原材料之一，并且通過氫的使用可以使精煉等行業(yè)達到基本無碳排放。到目前為止，氫的制造和使用都局限在工業(yè)領域中，主要用途是作為化工行業(yè)的原材料。在建筑領域中，運用氫能微型熱電聯(lián)產(chǎn)機組技術可以極大地提高能源利用效率，建設節(jié)能環(huán)保型建筑。
氫能作為最受關注的新“含能體能源”，目前在推廣應用中主要存在以下問題：
一是現(xiàn)階段制備氫氣沒有擺脫對化石能源的依賴，且制備過程不但需要消耗大量的能量，而且目前制氫效率較低。開發(fā)廉價的制氫技術，是各國科學家共同關心的問題，也是氫能大規(guī)模推廣應用的制約條件。
二是缺少安全可靠的貯存和運輸氫的方法。由于氫易氣化、著火、爆炸，如何將制備的氫能安全可靠的與用戶有效連接，也是氫能推廣應用的制約條件。
氫能的開發(fā)方向首先應立足前階段，將工業(yè)副產(chǎn)品中的氫加以綜合利用。比如焦爐煤氣制氫，我國焦爐煤氣資源豐富，煉焦企業(yè)廣泛分布在我國內(nèi)地31個省份的28個省，全國焦化企業(yè)有2000多家。2013年我國焦炭產(chǎn)量47635萬噸，外供焦爐煤氣產(chǎn)量約為550億立方米/年，外供焦爐煤氣中的氫量約為330億立方米/年。
其次是著眼未來，通過分散的二次能源制氫。比如用太陽能來制氫，目前太陽能熱分解水制氫、陽光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等，已處于研究階段，但還有大量的理論問題和工程技術問題要解決。 |
