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氫的制取及氫能的利用

 退休工程師 2011-09-02
氫的制取及氫能的利用
(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系,湖南株州412004)
周靜
[ 摘要] 綜述了利用可再生資源制氫的主要技術(shù), 包括電解水制氫, 太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫和利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫等,以
及氫能在氫燃料電池中的應(yīng)用。
[ 關(guān)鍵詞] 氫能;電解水;光伏電池;太陽能熱化學(xué)循環(huán);生物質(zhì);氫燃料電池
[ 中圖分類號(hào)] TK 91 [ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [ 文章編號(hào)] 1003-5095(2009)04-0027-02
氫的制取及氫能的利用

技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長(zhǎng),使得人們對(duì)
能源的需求越來越大,。目前以石油,、煤為代表的化石
燃料仍然是能源的主要來源。一方面,化石燃料的使
用帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染, 大量的CO2,、SO2,、NOx 氣體
以及其他污染物,導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的產(chǎn)生和酸雨的形
成。另一方面,由于化石燃料的不可再生性和有限的
儲(chǔ)量,,日益增長(zhǎng)的能源需求帶來了嚴(yán)重的能源危機(jī),。
據(jù)估計(jì),按照目前的消耗量,,石油僅僅能維持不到50
年, 而煤也只能維持200 年,,Kazim 和Veziroglu
2001 年指出,作為主要石油輸出國(guó)的阿拉伯聯(lián)合酋
長(zhǎng)國(guó),,將在2015 年無法滿足石油的需求,。Abdallah
等在1999 年宣布,埃及的化石燃料資源,,在未來的
20 年內(nèi)就會(huì)耗盡,。而作為能源需求大國(guó)的中國(guó),,目前
已經(jīng)有超過31%的石油需要進(jìn)口,而到2010 年,,這一
數(shù)字將會(huì)增長(zhǎng)到45%~55%,。基于以上所述環(huán)境污染
和能源短缺的雙重危機(jī),,發(fā)展清潔的,、可再生的新能
源的要求越來越迫切。太陽能,、風(fēng)能,、生物質(zhì)、地?zé)?br>能,、潮汐能具有豐富,、清潔、可再生的優(yōu)點(diǎn),近年來受
到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注,。尤其以太陽能,、風(fēng)能以及
生物質(zhì)能,更被視為未來能源的主力軍,。根據(jù)簡(jiǎn)單估
算,,太陽能的利用率為20%時(shí),利用陸地面積的0.1%
就足以提供滿足當(dāng)前全球的能量需求,。而中國(guó)僅僅依
靠風(fēng)力發(fā)電, 就足以使目前的發(fā)電量翻一番,。然而,
這些可再生資源具有間歇性,、地域特性,,并且不易儲(chǔ)
存和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),氫以其清潔無污染,、高效,、可儲(chǔ)存和
運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),被視為最理想的能源載體。
1 氫的制取
1. 1 電解水制氫
電解水制氫是目前最為廣泛使用的將可再生資
源轉(zhuǎn)換為氫的技術(shù),當(dāng)兩個(gè)電極(陰極和陽極)分別通
上直流電,并且浸入水中時(shí),在催化劑和直流電的作
用下,水分子在陽極失去電子,,被分解為氧氣和氫離
子,氫離子通過電解質(zhì)和隔膜到達(dá)陰極,與電子結(jié)合
生成氫氣.這個(gè)過程就是電解水,其裝置即電解槽,。目
前市場(chǎng)上的電解槽可以分為3 種: 堿性電解槽
(Alkaline Electrolyzer)、質(zhì)子交換膜電解槽
(Proton Exchange MembraneElectrolyzer)和固體
氧化物電解槽(Solid Oxide Electrolyzer),。目前
國(guó)內(nèi)外廣泛研究的電解水制氫反應(yīng)有電解海水制氫,,
利用可再生資源電解水制氫。
1. 2 太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫
太陽能熱化學(xué)循環(huán)是另一種利用太陽能制取氫
燃料的可行技術(shù),。首先,由太陽能聚光集熱器收集和
匯聚太陽光以產(chǎn)生高溫。然后由這些高溫推動(dòng)產(chǎn)氫的
化學(xué)反應(yīng)以制取氫氣,。目前,國(guó)內(nèi)外廣泛研究的熱化
學(xué)制氫反應(yīng)有水的熱分解(thermolysis),、H2S 的熱分
解和熱化學(xué)循環(huán)水分解,。
1. 3 利用生物質(zhì)制氫
生物質(zhì)作為能源,其含氮量和含硫量都比較低,
灰分份額也很小,并且由于其生長(zhǎng)過程吸收CO2,使得
整個(gè)循環(huán)的CO2 排放量幾乎為零,。目前對(duì)于生物質(zhì)的
利用,尤其在發(fā)展中國(guó)家,,比如中國(guó)、印度,、巴西,還主
要停留在對(duì)生物質(zhì)的簡(jiǎn)單燃燒的低效率利用上,。除燃
燒外,對(duì)生物質(zhì)的利用還有熱裂解和氣化,以及微生
物的光解與發(fā)酵。利用生物質(zhì)熱裂解和氣化產(chǎn)氫具有
成本低廉,,效率較高的特點(diǎn),,是有效可行的制氫方式,
目前國(guó)內(nèi)外廣泛研究的利用生物質(zhì)制氫反應(yīng)有生物
質(zhì)熱裂解制氫,、生物質(zhì)氣化制氫和生物質(zhì)超臨界水氣
化制氫,。
1. 4 其他制氫技術(shù)
除熱化學(xué)方法外, 生物質(zhì)還可以通過發(fā)酵的方
式轉(zhuǎn)化為氫氣和其他產(chǎn)物。此外,微藻等水生生物質(zhì)
能夠利用氫酶(Hydrogenase)和氮酶(Nitrogenase)
將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能———?dú)?。這些生物制氫技術(shù)具
有良好的環(huán)境性和安全性, 但還處于早期的研究階
段,制氫機(jī)理還未透徹理解,尚需大量的研究工作,。太
陽能半導(dǎo)體光催化反應(yīng)制氫也是目前廣泛研究的制
氫技術(shù),TiO2 及過渡金屬氧化物,層狀金屬化合物如
K4Nb6O17,、K2La2Ti3O10,、Sr2Ta2O7 等,以及能利用可見光
的催化材料如CdS,、Cu-ZnS 等都經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)能夠在一
定光照條件下催化分解水從而產(chǎn)生氫氣,。但由于很多
半導(dǎo)體在光催化制氫的同時(shí)也會(huì)發(fā)生光溶作用, 并
且目前的光催化制氫效率太低,距離大規(guī)模制氫還有
很長(zhǎng)的路要走。盡管如此,光催化制氫研究仍然為我
們展開了一片良好的前景,。
2 氫能的利用———?dú)淙剂想姵?br>過去,,人們總以為氫氣是一種化學(xué)元素,很少把
它作為能源來看待,。自從出現(xiàn)了火箭和氫彈之后,,氫
氣又變成了航天和核武器的重要材料,現(xiàn)在又將其制
成氫燃料電池,,為人們提供電能,。
氫燃料電池與普通電池的區(qū)別, 主要在于干電
池、蓄電池是一種儲(chǔ)能裝置,,能把電能貯存起來,,需要
時(shí)再釋放出來;而氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種發(fā)電裝
置,,像發(fā)電廠一樣,,是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電
化學(xué)發(fā)電裝置。另外,,氫燃料電池的電極用特制多孔
性材料制成,,這是氫燃料電池的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),,它不
僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面,還要對(duì)電池
的化學(xué)反應(yīng)起催化作用,。
20 世紀(jì)60 年代,,氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用
于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船
就安裝了這種體積小,、容量大的裝置,。進(jìn)入70 年代以
后,隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù),,很快,,
氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。
大型電站,,無論是水電,、火電或核電,都是把發(fā)出
的電送往電網(wǎng),,由電網(wǎng)輸送給用戶,。但由于各用電戶
的負(fù)荷不同,電網(wǎng)有時(shí)呈現(xiàn)為高峰,,有時(shí)則呈現(xiàn)為低
峰,,這就會(huì)導(dǎo)致停電或電壓不穩(wěn)。另外,,傳統(tǒng)的火力發(fā)
電站的燃燒能量大約有70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)
電機(jī)這些龐大的設(shè)備上,,燃燒時(shí)還會(huì)消耗大量的能源
和排放大量的有害物質(zhì)。而使用氫燃料電池發(fā)電,,是
將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,,不需要進(jìn)行燃燒,
能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%~80%,,而且污染少,、噪音小,裝
置可大可小,,非常靈活,。
氫的化學(xué)特性活躍,它可同許多金屬或合金化
合,。某些金屬或合金吸收氫之后,,形成一種金屬氫化
物,其中有些金屬氫化物的氫含量很高,,甚至高于液
氫的密度,,而且該金屬氫化物在一定溫度條件下會(huì)分
解,并把所吸收的氫釋放出來,這就構(gòu)成了一種良好
的貯氫材料,。
隨著制氫技術(shù)的發(fā)展,,氫燃料電池離我們的生活
越來越近。到那時(shí),,氫氣將像煤氣一樣通過管道被送
入千家萬戶,每個(gè)用戶則采用金屬氫化物的貯罐將氫
氣貯存起來,,然后連接氫燃料電池,,再接通各種用電
設(shè)備。它將為人們創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境,,減輕繁重的
生活事務(wù),。
·28· 河北化工第4期
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第6 頁)
Second Choice of Carbon Hydrogenation Catalysts
WANG Hong-mei,WANG Zhi
(The Northwest Research Institute of Chemical Industry, Lintong 710600,China)
Abstract: This paper analyzes the domestic and international carbon fraction second choice from acetylene hydrogenation
process of the status quo, from the carrier, catalyst and catalyst deactivation of these three areas, introduced two
carbon fraction of the selective hydrogenation study progress to improve selectivity and reduce investment , saving energy
and reducing consumption of ethylene is the general trend of industrial development.
Key words:selective hydrogenation; the carrier catalyst; a catalyst deactivation

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