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化学新能源
摘要:能源是人类生存和发展的重要物质基础,是人类从事各种经济活动的原动
力,也是人类社会经济发展水平的重要标志。随着常规能源资源的日益枯竭以及
大量利用化石能源带来的一系列环境问题,人类必须寻找可持续的能源道路,而
开发利用新能源无疑是出路之一。新能源的理论研究、技术开发以及新能源材料
的探索、新能源经济的研究等,是当前能源领域众多研究热点中的亮点,新能源
包括太阳能、氢能、核能、生物质能、化学电源、海洋能、风能和地热能等。
关键词:氢能源;氢能制备;氢能利用及研究现状
1前言
从人类利用能源的历史中可以清楚地看到,每一种能源的发展和利用都把人
类利用自然的能力提高到一个新的水平,能源科学技术的每一次重大突破也都带
来了世界性的产业革命和经济飞跃,从而极大地推动了社会的进步。随着社会经
济的发展,人们对能源的需求越来越高。在能源开发及利用的研究中,人们发现
有的能源与一般的矿物能源不同,如氢能。本文将重点阐述氢能的制备及其利用。
2氢能
氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能力密度高、清洁的绿色能源及能源载
体,被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的主要桥梁,氢能具有无可比拟的
潜在开发价值,而且氢元素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;氢无毒,与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。所以,研究利用氢能已成
为国内外学者研究的热点。
2.1氢能制备方法
2.1.1矿物燃料制氢
在传统的制氢工业中,矿物燃料制氢是采用最多的方法,并已有成熟的技术
及工业装置。其方法主要有重油部分氧化重整制氢,天然气水蒸气重整和煤气化
制氢。用蒸汽和天然气作原料的制氢化学反应为:CH+2HO=CO+4H。用蒸汽
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和煤作原料来制取氢气的基本反应过程为:C+2HO=CO+2H。虽然目前90%以
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上的制氢都是以天然气和煤为原料。但天然气和煤储量有限,且制氢过程回对环
境造成污染,按照科学发展观的要求,在未来的制氢技术中该方法显然不是最佳
的选择。
2.1.2电解水制氢
电解水制氢工业历史较长,这种方法是基于如下的氢氧可逆反应:
2HO=2H+O,目前常用的电解槽一般采用压滤式复极结构,或箱式单级结构。
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箱式结构的优点是装备简单,易于维修,投资少,缺点是占地面积大,时空产率
低;压滤式结构较为复杂,优点是紧凑、占地面积小、时空产率高,缺点是难维
修,投资大。随着科学技术的发展,出现了固体聚合物电解质(SPE)电解槽。
SPE槽材料易得,适合大批量生产,而且使用相同数量的阴阳极进行H、O的
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分离,其效率比常规碱式电解槽要高,另外,SPE槽液相流量是常规碱式电解槽
的1/10,使用寿命约为300天。缺点是水电解的能耗仍然非常高。目前,我国水
电解工业仍停留在压滤式复极结构电解槽或单级箱式电解槽的水平上,与国外工
业和研究的水平差距还很大。
2.1.3甲烷催化热分解制氢
传统的甲烷裂解制造氢气过程都伴有大量的二氧化碳排放,但近年来,甲烷
因热分解制氢能避免CO的排放,而成为人们研究的热点。甲烷分解1mol氢气
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需要37.8KJ的能量,排放CO0.05mol。该法主要优点在于制取高纯氢气的同时,
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制得更有经济价值、易于出场的固体碳,从而不向大气排放二氧化碳,减轻了温
室效应。由于基本不产生CO,该工艺被认为是连接化石燃料和可再生能源之间
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的过渡工艺。但生产成本不低,如果副产物碳能具有广阔的市场前景,该法将会
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