2.1 氢能的特点及利用

2.1.1 氢能的特点

氢是未来最理想的二次能源，位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温或超高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下8个特点：

（1）氢在所有元素中，质量最轻。在标准状态下，氢的密度为0.0889 g/L，在-253.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液态氢可变为金属氢。

（2）氢在所有的气体中，导热性最好。氢比大多数气体的导热系数高出10倍左右，因此氢在能源工业中是极好的传热载体。

（3）氢是自然界中存在的最普遍的元素。虽然自然氢的存在极少，但氢以化合物的形式储存于地球上最广泛的物质水中。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还高9000倍。

（4）氢的发热值虽然比核燃料低，但它却是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，约为1.4×105kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

（5）氢的燃烧性好，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。

（6）氢燃烧后的产物是水，无环境污染问题，而且燃烧生成的水还可以继续制氢，可反复循环使用。

（7）氢能利用的形式多。氢能利用既可包括氢与氧燃烧所放出的热能，又可包括氢与氧发生电化学反应直接获得的电能。

（8）氢的储存方式很多，可采用气体、液体、固体或化合物的形式将氢储存和运输，因此可适应环境的不同要求。

氢能系统是一个有机的系统工程，它包括氢源开发、制氢技术、储氢技术、输氢技术以及氢的利用技术5个方面，其中氢的制取、储存（含运输）及应用构成氢能开发利用的三要素。要想有效地利用氢能源，除了需要经济、环保地把氢气生产出来外，面临的另一个问题是氢气的安全储存、运输及释放。由于氢气具有易气化、易扩散、易燃、易爆和密度非常小等特点，所以解决氢气的储存和运输就成为开发利用氢能的关键。

2.1.2 氢能的利用

氢能的利用主要包括两个方面：一是制氢工艺，二是储氢方法。研究廉价而又高效的制氢技术和安全高效的储氢技术，开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急。

1．制氢工艺

目前制氢最有希望的方向是利用太阳能分解海水，即光解法制氢。

2．储氢方法

根据物理化学原理，目前所采用的储氢方法可分为物理法和化学法。所谓物理法储氢，是指储氢物质和氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。而化学法储氢则是储氢物质和氢分子之间发生化学反应，生成新的化合物，具有吸收或释放氢的特性。物理法储氢技术包括高压压缩储氢、深冷液化储氢、活性炭吸附储氢、碳纳米管吸附储氢等；化学法储氢技术包括金属氢化物储氢、无机化合物储氢、有机液体氢化物储氢等。

1）物理法储氢技术

（1）高压压缩储氢。

气体氢主要用高压钢瓶，储氢量小，储氢密度低，使用不方便。

（2）深冷液化储氢。

在常压和20 K温度下，气态氢可液化为液态氢。液态氢的密度是气态氢的845倍，体积能量密度高，储存容器体积小。

液化储氢面临以下两个主要难题：

①氢气的深冷液化能耗高。

②液态氢的储存和保养问题：由于液态氢储器内的温度与环境温度的温差大（253℃±25℃），对液态氢的保冷、防止挥发、储器材料和结构设计以及加工工艺等提出了苛刻的要求。

（3）活性炭吸附储氢。

活性炭具有较高的比表面积，而且炭粒中还有更细小的孔——毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力，利用低温加压可吸附储氢。例如，在-120℃,5.5 MPa下，活性炭储氢量高达9.5%（质量分数）。

特点：活性炭吸附储氢器体积比金属氢化物储氢器稍大，原料易得，吸附储氢和脱氢操作比较简单，投资费用较低。

（4）碳纳米管吸附储氢。

碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，成为最有潜力的储氢材料，且是当前研究的热点。碳纳米管储氢的优越性将使碳纳米管燃料电池成为最具发展潜力的新型汽车动力源。

氢在碳纳米材料中的吸附机理是介于传统范德华力和化学键之间。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构，材料尺寸非常细小，具有较大的理论比表面积，因此碳纳米材料被认为是一种很有前途的吸附储氢材料。研究发现，涂抹了锂和钾的碳纳米材料在常温、常压下就能有比较好的吸附效果。Chen P发现在常压、温度为27℃时，氢的吸附储存质量百分比为14%，在-73℃～127℃时则可以达到20%。但是世界范围内所测其储氢量相差太大（0.01%～67%），如何准确测定以及探究其储氢机理则有待于进一步研究。

2）化学法储氢技术

（1）金属氢化物储氢。

某些过渡金属、合金、金属间化合物，由于其特殊的晶格结构等原因，在一定条件下，氢原子比较容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙中，形成金属氢化物，可储存比其体系大1000～1300倍的氢。当金属氢化物受热时，又可释放出氢气。

优点：可储存相当于合金自身体积上千倍的氢气，吸氢密度超过液态氢和固态氢密度，轻便安全。

（2）无机化合物储氢。

某些无机化合物能与氢气发生化学反应可以储氢，然后在一定条件下又可分解放出氢。例如，碳酸氢盐和甲酸盐之间相互转化的储氢技术，其化学式如下：

特点：原料易得，储存方便，安全性好。但储氢量比较小，价格昂贵。

（3）有机液体氢化物储氢。

借助储氢载体（如苯和甲苯等）与H2的可逆反应实现储氢。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。因此，自1975年Sultan和Shaw首次提出利用有机液体氢化物作为储氢载体的储氢技术以来，这种储氢技术便受到瑞土、意大利、英国、加拿大等国家的重视。日本等国正考虑应用该种储氢技术作为海运储氢的有效方法。但是该技术也存在明显的不足，如催化加氢和催化脱氢装置投资费用较大，储氢技术操作比起其他方法要复杂得多等。

图2.1为不同储氢方式的体积比较。可以看到，相同质量的材料，氢化物所占体积比液态和气态储氢体积小得多。