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氢能的开发与利用

2008-05-18 15:19:32|  分类： 论文 阅读246 评论0   字号：大中小 订阅

一、       研究的目的、意义和内容

能源和资源是人类赖以生存和发展的源泉。随着社会经济的发展，已有的能源和资源正在以越来越快的速度消耗，面对着化石燃料能源枯竭的严重挑战，近年来世界各国纷纷把科技力量和资金转向新能源的开发。而在新的能源领域中，氢能作为一种无污染的清洁能源及能源载体，近年来其开发与利用技术得到工业化国家的高度重视。在传统的煤炭、石油和天然气等化石燃料给人类带来环境污染、温室效应等诸多问题的当今，许多国家，尤其是许多发达国家已将“洁净”的氢能作为自己的未来能源而加紧研究。环境生态保护、节能和人类的可持续发展迫切要求清洁能源的开发利用，氢能研究开发进展给我们带来了希望，为进一步开发氢能，推动氢能利用的发展，“氢能技术”已被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划（能源领域）》。

氢能是一种理想的新的含能体能源，但是要利用氢能必须制备氢能和储运氢能，氢的规模制备是氢能应用的基础，氢的规模储运是氢能应用的关键，氢燃料电池汽车是氢能应用的主要途径和最佳表现形式，三方面只有有机结合才能使氢能迅速走向实用化，目前国内外主要从事氢能的规模制备和氢能的规模储运的开发研究，并取得了一定的进展。本课题对氢能的开发及其利用进行全面的信息搜集和分析。

二、检索策略与检索结果

1、选择检索系统：根据信息需求，选择以下检索系统：

中国期刊全文数据库；维普——中文科技期刊数据库；SpringerLink 全文数据库；

World Scientific Journal数据库

2、根据研究课题的研究内容和目的，系统的要求，确定检索词如下：

（1）中文检索词：1、氢能  2、开发  3、利用

（2）外文检索词：1、hydrogen energy  2、production  3、exploitation

3、检索提问式：

（1）中文检索提问式：

检索式1：1+2+3

检索式2：1*2+1*3

检索式3：1*2*3

（2）外文检索提问式：

检索式1：1+2+3

4、检索结果：（详见附录）

（1）中国期刊全文数据库

使用检索式1命中，1179313条；使用检索式2，命中264条；使用检索式3，命中59条。

（2） 维普—中文科技期刊数据库

使用检索式1命中，1034150条；使用检索式2，命中339条；使用检索式3，命中88条。

（3）SpringerLink全文数据库

使用检索式1，命中2条。

（4）World Scientific Journal数据库

使用检索式1，命中175 条 。

三、氢能的开发与利用的研究信息研究概况综述：

1 氢能的特点

氢能除了资源丰富、热值高、燃烧性能好等特点外，还有以下主要特点：

(1)氢能环保性能好。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。

(2)具有较高的经济效益。氢目前最主要来源是提炼石油副产品、煤的气化和水的分解，今后通过利用太阳能、核能等廉价能源大量制氢，氢的成本会进一步降低，能使制氢能的价格与化石燃料的价格相匹配。

(3)用途广泛。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。既可直接作为燃料，又可作为化学原料和其它合成燃料的原料。

2 氢的制取及其开发

2．1 从化石燃料中制氢

这是过去及目前采用最多的方法。它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作原料来制取氢气的基本反应过程为：C+H20--~CO+H2 (1)

用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢化学反应为：CH4+H2 +3H2+CO (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。自从天然气大规模开采后，现在氢的制取有96％都是以天然气为原料。天然气和煤都是宝贵的燃料和化工原料，用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖。

2．2 电解水制氢

这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：H2+1／202一n20+△Q (3)分解水所需要的能量△p是由外加电能提供的。为了提高制氢效率，电解通常在高压下进行，采用的压力多为3．0～5．0 MPa。目前电解效率约为50％ ～70％。由于电解水的效率不高且需消耗大量的电能，因此利用常规能源生产的电能来大规模电解水制氢显然是不合算的。

2．3 热化学制氢

这种方法是通过外加高温高热使水起化学分解反应来获取氢气。到目前为止虽有多种热化学制氢方法，但总效率都不高，仅为20％ ～50％，而且还有许多工艺问题需要解决。随着新能源的崛起，以水作为原料利用核能和太阳能来大规模制

氢已成为世界各国共同努力的目标。其中太阳能制氢最具吸引力，也最有现实意义。目前正在探索的太阳能制氢技术有以下几种：

(1)太阳热分解水制氢

热分解水制氢有两种方法，即直接热分解和热化学分解。前者需要把水或蒸汽加热到3000 K以上，水中的氢和氧才能够分解，虽然其分解效率高，不需催化剂，但太阳能聚焦费用太昂贵。后者是在水中加入催化剂，使水中氢和氧的分解温度降低到9O0二1200 K，催化剂可再生后循环使用，目前这种方法的制氢效率已达50％。

(2)太阳能电解水制氢

这种方法是首先将太阳能转换成电能，然后再利用电能来电解水制氢。

(3)太阳能光化学分解水制氢

将水直接分解成氧和氢是很困难的，但把水先分解为氢离子和氢氧离子，再生成氢和氧就容易得多。基于这个原理，先进行光化学反应，再进行热化学反应，最后再进行电化学反应即可在较低温度下获得氢和氧。在上述三个步骤中可分别利用太阳能的光化学作用、光热作用和光电作用。这种方法为大规模利用太阳能制氢提供了实现的基础，其关键是寻求光解效率高、性能稳定、价格低廉的光敏催化剂。

(4)太阳能光电化学分解水制氢

这种方法是利用特殊的化学电池，这种电池的电极在太阳光的照射下能够维持恒定的电流，并将水离解而获取氢气。这种方法的关键是如何一34一ENERGY ENGINEERING 20o3②选取合适的电极材料。

(5)模拟植物光合作用分解水制氢

植物光合作用是在叶绿素上进行的。自从在叶绿素上发现光合作用过程的半导体电化学机理后，科学家就企图利用所谓“半导体隔片光电化学电池”来实现可见光直接电解水制氢的目标。不过由于人们对植物光合作用分解水制氢的机理还不够了解，要实现这一目标还有一系列理论和技术问题需要解决。

(6)光合微生物制氢

人们早就发现江河湖海中的某些藻类也有利用水制氢的能力，如小球藻、固氮蓝藻等就能以太阳光作动力，用水作原料，源源不断地放出氢气来。因此深入了解这些微生物制氢的机制将为大规模的太阳能生物制氢提供良好的前景。除了利用太阳能和核能制氢外，从生物质中制氢也正在大力研究之中。目前采用的方法是，利用生物质和有机废料中的碳素材料与溴及水在250℃下作用，形成氢溴酸和二氧化碳溶液，然后再将氢溴酸水溶液电解成氢及溴，溴再循环使用。

生物制氢能还有以下几种方法：①异养细菌发酵制氢②厌氧梭菌发酵制氢③混合微生物发酵制氢④活性污泥发酵制氢⑤光和细菌利用有机废水生产氢⑥微型藻是制氢的重要途径⑦甲醇用来生产氢气

(7)核能制氢。

日本计划采用核能制氢发电，供50万人口的中等城市使用L6

3  氢能的储运

目前，氢的储存方法主要有以下几种：常压储氢，高压储氢，液氢储氢，金属氢化物储氢及吸附储氢等。液氢储氢是一种较好的储氢方法，此法储氢密度高。但是，制备l升液氢约需消耗电能3kW．h，在储存过程中液氢还有自然挥发，因此能耗较高。金属氢化物的出现为氢的储存、运输及利用开辟一条新的途径。近年来，清华大学、中科院金属所、防化研究院及西北核技术研究所等单位开始对新型储氢技术一纳米碳材料的储氢进行了多项基础性研究。其中，清华大学、中科院金属所和防化研究院都在室温下得到了储氢重量比在12MPa时为8％左右的纳米碳材料。

4 氢能的利用

早在二战期间，氢即用作A一2火箭发动机的液体推进剂。1960年液氢首次用作航天动力燃料，1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。对现代航天飞机而言，减轻燃料自重，增加有效载荷变得更为重要。氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2／3，这对航天飞机是极为有利的。今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂，以纯氧作为氧化剂，液氢就装在外部推进剂桶内，每次发射需用1450 m3，重约100 t。现在人们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年，目前已进入样机和试飞阶段。

在交通运输方面，美、德、法、日等汽车大国早已推出以氢作燃料的示范汽车，并进行了几十万公里的道路运行试验。其中美、德、法等国是采用氢化金属贮氢，而日本则采用液氢。试验证明，以氢作燃料的汽车在经济性、适应性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在贮氢密度小和成本高两大障碍。前者使汽车连续行驶的路程受限制，后者主要是由于液氢供应系统费用过高造成的。美国和加拿大已联手合作拟在铁路机车上采用液氢作燃料。在进一步取得研究成果后，从加拿大西部到东部的大陆铁路上将奔驰着燃用液氢和液氧的机车。

氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石，制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气一蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢、氢能储运及燃料电池技术的发展，氢能将成为其他新能源和可再生能源的最佳载体替代化石能源。

氢能系统由氢的生产、储运和利用三部分组成。用太阳能或其它可再生能源制氢，用储氢材料储氢，用氢燃料电池发电，将构成近“零排放”可持续利用的氢能系统，可广泛作为分布式电源。近十年来，质子交换膜燃料电池技术(PEMFC)取得了突破，可用于驱动交通工具，使氢能替代液体、气体燃料成为可能。

5总结

环境生态保护、节能和人类的可持续发展迫切要求清洁能源的开发利用，氢能研究开发进展给我们带来了希望，以氢能燃料电池作为车用动力源开发的燃料电池汽车表现出广阔的发展前景和强劲的发展势头。

我国要实现经济持续增长，必须寻求一个可持续发展的能源道路，在满足终端能源服务需求的同时，节约能源、提高能源利用效率，优化能源结构。由于我国在氢能方面投人资金数量过少，与实际需求相差甚远，虽在单项技术的研究方面有所成就，甚至有的达到了世界先进水平，并且在储氢合金材料方面已实现批量生产，但氢能系统技术的总体水平，尚与发达国家有一定差距。因此，必须结合中国实际情况，开发利用可再生能源，充分利用氢能，研究和开发燃料电池发电，更多地替代高含碳的矿物燃料。

附录：氢能的开发及利用的文摘部分

1、 【篇名】氢能的开发现状及应用前景

【作者】王卫兵

【关键词】氢能制备、氢能储运、氢能利用、燃料电池

【摘要】氢能作为一种洁净的可再生能源，具有可储可输的特点，对整个世界经济的可持续发展具有重要的战略意义。主要述评了氢能制备、氢能储运、氢能利用在国际和国内的最新研究动态，并对氢能未来开发利用前景进行了展望。

2、 【篇名】氢能开发和利用的研究

【作者】黄亚继、 张旭

【关键词】氢能; 制氢; 开发; 利用; 贮存;

【摘要】简述了氢能特点 ，介绍了氢的制取方法及贮运 ，论述了氢能在我国的开发和利用及发展方

向。（The article investigated character and classifies of hydrogen energy from China energy structure, introduced the production and stocknile of hydrogen, analyzed the exploitation of hydrogen energy, and forecasts the applications of the technique in China.）

3、 【篇名】发展氢能的微生物途径及其它

【作者】罗明典

【摘要】发展洁净能源或替代新能源是未来能源建设的世界潮流，其中氢能是最佳的选择。多途径开发氢能，其中利用微生物有效开发氢能是重要途径之一。人们熟知，氢是"水之源"，2个氢原子结合成氢分子，氢气在氧气中易燃烧释放热量，并生成水。由于氢、氧结合不会产生CO2、SO2、烟尘等污染物，所以氢被看作是未来理想的洁净能源，有"未来石油"之称;也可用于燃料电池的研制，氢能和燃料电池技术将会彻底改变全球能源系统的发展方向，氢在自然界中算是最丰富的元素之一，它存在于淡水、海水之中，也存在于碳氢化合物和一切生物质中。因此，对氢能的研究开发引起国内外的高度重视，并将其作为洁净能源研发的一种重要战略措施。氢能作为气态能源之一，不仅洁净，而且高效，不污染环境，将是本世

4、 【篇名】燃料电池：“氢能时代”的曙光

【作者】俞铮

【摘要】新世纪为何选择氢能 进入新世纪，人类面临着前所未有的能源危机。国际能源机构一份统计资料显示，按目前世界人口和经济的增长速度，到2025年全球能源需求将增加近一倍。国际能源机构提议，为避免出现严重的能源危机，各国应加强对可再生能源的开发和利用。环境问题，同样也被国际社会看作人类面临的重大挑战。国际能源机构负责人约瑟夫·科赫说，预计20年内石油、天然气和煤炭使用量仍将占世界能源消费量的90％，那时大气中的二氧化碳排放量将比现在增加70％左右，气候的“温室效应”将更为严重。

5、【篇名】氢能——新型车用燃料的替代产品

【作者】王静、侯侠、牛治刚

【关键词】能源、氢能、车用燃料、燃料电池

【摘要】结合能源利用的现状和环境污染的状况，分析了研究与发展石油替代产品——氢能的必要性，并对新型车用燃料的开发利用与前景作了简要的论述。

6、 【篇名】21世纪的新能源及其开发和利用

【作者】韩志萍、霍文兰

【关键词】新能源、开发、利用、前景

【摘要】2 1世纪最有发展前途的新能源，包括氢能、太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等 ，了解其在世界范围内的开发和利用的现状和前景，对我国的能源开发与建设是很有借鉴意义的。

7、 【篇名】生物质产氢的研究现状与发展

【作者】李建昌、张无敌、宋洪川、谢建

【关键词】生物质、氢、光合产氢、发酵产氢、评述

【摘要】综述了生物质光合产氢和发酵产氢的研究现状，分析了利用生物质产氢技术目前所面临的问题，评述了把生物质产氢与新能源开发、环境保护相结合的应用可能性和前景展望。

8、 【篇名】生物氢能机制模拟

【作者】郭永强、张萍、张文强

【关键词】生物氢能、光解水、生物燃料电池

【摘要】阐述了生物的氢能机制和对其进行模拟对于氢能开发利用的重要意义，从模拟光合作用分解水制氢和生物燃料电池两方面综述了生物氢能机制模拟的研究进展，对于今后的研究方向和重点进行了讨论。

9、 【篇名】为“后石油时代”未雨绸缪

【作者】孙永祥

【关键词】能源安全、后石油时代、战略规划、替代能源、可再生能源

【摘要】21世纪以来，世界能源安全面临日益严峻的挑战。世界许多国家在充分研究全球油气资源和社会经济发展趋势的基础上，已开始研究如何应对“后石油时代”人类生存的全球性问题，并由政府牵头制定相应的对策和计划。其中包括:开发利用氢能、生物燃料、太阳能和风能等可再生能源，以及核能、二甲醚等其他替代能源。综观世界各国对“后石油时代”问题的研究和准备，中国尚有差距，应迎头赶上。为此建议:1）弄清我国能源资源的真实家底儿，实事求是地制定能源的长期战略规划;2）从长计议国际间的能源合作，统筹协调解决涉及公司利益与国家利益或各类能源项目的问题;（3）尽快构建“后石油时代”研究体系，由政府组织相关部门和专家，根据中国的实际情况确立大政方针，制定计划和步骤，扎扎实实地开展研究。

10、【篇名】生物制氢——能源、资源、环境与经济可持续发展策略
【作者】傅秀梅

【机构】中国生物工程杂志－2007/02

11、【篇名】突破氢能关键技术 推动燃料电池创新
【作者】赵沧燕

【机构】天津科技－2007/02

12、【篇名】氢能源——未来的绿色能源
【作者】刘江华

【机构】现代化工＝2006/S2

13、【篇名】解决能源问题的新途径——光解水制氢的研究
【作者】袁丽秋

【机构】化学教育－2006/05

14、【篇名】努力实现“十一五”能源科技发展宏伟蓝图
【作者】马颂德

【机构】中国科技产业－2006/02

15、【篇名】氢能利用与核能制氢研究开发综述
【作者】顾忠茂

【机构】原子能科学技术－2006/01

16、【篇名】面向氢能源、燃料电池和二氧化碳减排的制氢途径的选择（英文）
【作者】宋春山

【机构】燃料化学学报－2005/06

17、【篇名】实施能源结构变革 保证温室气体减排
【作者】宋宗水

【机构】中国农业资源与区划－2005/03

18、【篇名】2004年世界能源发展总态势
【作者】顾钢

【机构】国际石油经济－2005/02

19、【篇名】世界能源革命的前沿和趋势
【作者】张新华

【机构】社会观察－2004/09

20、【篇名】利用焦化干气制氢的可行性研究
【作者】刘军

【机构】工业催化－2004/07

21、【篇名】太阳能制氢技术
【作者】倪萌

【机构】可再生能源－2004/03

22、【篇名】科学技术界要关注高新能源的发展态势
【作者】刘广志

【机构】探矿工程（岩土钻掘工程）－2004/01

23、【篇名】纳米碳管吸附储氢
【作者】杨洪润、刘吉平
【机构】炭素－2004/01

24、【英文篇名】 Applications of fusion energy: A comparative analysis of their potentials

【作者】：Herbert Kouts

【Subject Collection】：工程学

25、【英文篇名】 Promoting R & D in Photobiological Hydrogen Production Utilizing Mariculture-Raised Cyanobacteria

【作者】：Hidehiro Sakurai, Hajime Masukawa

【Subject Collection】：地球和环境科学

26、Electrochenmical Storage of Hydrogen in Carbon Nanostructures

M. S. YU; S. Y. CHENG; Y. C. LIN; W. C. HO

International Journal of Nanoscience (IJN) Volume: 2 No: 4/5 Year: 2003 pp. 307-317

27、The Effect of H on the Electronic Structure of an Fe(110)–Pd(100) Interface

PAULA V. JASEN; ESTELA A. GONZALEZ; OSCAR A. NAGEL; ALFREDO JUAN

Surface Review and Letters (SRL) Volume: 10 No: 6 Year: 2003 pp. 879-888

28、Photocatalytic Conversion of Methane into Methanol over the MoO3(010) Surface Using a Simulation Method

A. Z. MOSHFEGH; M. DASHTI

Surface Review and Letters (SRL) Volume: 11 No: 1 Year: 2004 pp. 33-39