氫能是壹種二次能源，由天然氣重整、電解水、太陽能光合作用、生物制氫等能源產生，不像煤炭、石油、天然氣可以直接從地下開采，幾乎完全依賴化石燃料。
中文名:氫能利用mbth:氫能利用優勢:安全環保應用:廣泛歷史:二戰以來利用方向:氫能利用歷史、發展現狀、氫能制備方法、特點、氫能利用安全問題、氫能利用方向、前景、氫能利用史在化學史上，人們主要把氫的發現歸功於英國化學家、物理學家卡文迪許(卡文迪許，h . 1731-1810)。但早在16世紀，著名的瑞士醫生宮描述有壹種鐵屑與酸接觸時產生的氣體。17世紀，比利時著名醫學化學學者赫耳蒙特(J.B.1579-1644)偶然接觸到這種氣體，但未能將其分離收集。盡管波義耳偶然收集了這種氣體，但他並沒有研究它。他們只知道它易燃，對它知之甚少；1700年，法國藥劑師勒梅裏(N.1645-1715)在巴黎科學院的報告中也有提及。卡文迪許是第壹個收集和研究氫的人，但是卡文迪許對氫的理解並不正確。他認為水是壹種元素，氫是含有過多燃素的水。直到1782，拉瓦錫才明確提出水不是元素而是化合物。1787年，他將這種氣體命名為“氫氣”，意為“產生水”，並確認它是壹種元素。氫作為內燃機的燃料並不是人類最近的發明。氫已經在內燃機中使用了很長時間。人類歷史上第壹臺氫內燃機的歷史可以追溯到1807年，壹個叫艾薩克·德·萊維茲的瑞士人做出了單缸氫內燃機。他在氣缸中充入氫氣，氫氣在氣缸中燃燒，最終推動活塞往復運動。這項發明於1807 65438+10月30日獲得法國專利，這是第壹項關於汽車產品的專利。但由於當時技術水平有限，氫氣的生產和使用遠比蒸汽和汽油的使用復雜，所以氫氣內燃機被蒸汽機、柴油機和汽油機“淹沒”了。第二次世界大戰期間，氫被用作A-2火箭發動機的液體推進劑。1960年首次使用液氫作為航天動力燃料，1970年美國發射的阿波羅飛船使用的起飛火箭也使用液氫作為燃料。現在氫已經成為火箭領域的常用燃料。對於現代航天飛機來說，更重要的是減輕燃料重量，增加有效載荷。氫氣的能量密度非常高，是普通汽油的3倍，這意味著使用氫氣作為燃料，航天飛機的重量可以減輕2/3，這無疑對航天飛機極為有利。此外，氫還可以用於航天器。現在科學家們正在研究壹種“固態氫”宇宙飛船。固態氫不僅用作航天器的結構材料，還用作航天器的動力燃料。在飛行過程中，飛船上所有非重要的部分都可以轉化為能量而被“消耗”，這樣飛船就可以在宇宙中飛行更長的時間。20世紀80年代末公開展示了多種燃料電池汽車，20世紀90年代末證實了用小型燃料電池替代蓄電池的可行性。21世紀，面對環境汙染等危機，氫燃料電池發展迅速，更多成型的氫燃料電池汽車開始進入市場。氫能作為壹種執拗當前人類面臨困境的新能源，其發展現狀成為各國大力研究的對象。根據美國能源部(DOE)新能源發展中心的調查，在過去的五年中，全世界工業化國家對氫能發展的投資每年增長20.5%。美國壹直重視氫能。2003年，布什投資6543.8+07億美元啟動氫燃料發展計劃，提出了氫能工業化生產技術、氫能儲存技術、氫能應用等重點發展項目。2004年2月，美國能源部公布了氫能技術研究、開發和示範行動計劃，詳細闡述了發展氫經濟的步驟和向氫經濟過渡的時間表。該計劃的出臺是推動美國氫經濟發展的又壹重大舉措，標誌著美國氫經濟發展從政策評估和制定階段進入系統實施階段。2004年5月，美國第壹個氫氣站建立，第三代家庭能源站——加州的固定氫氣產生裝置開始試用。2005年7月，世界上最早生產氫燃料電池的公司之壹戴姆勒·克萊斯勒公司成功開發出橫跨美國的“第五代新型電瓶車”，創造了燃料電池汽車上路的新紀錄。該車以氫為動力，總裏程5245km，最高時速65438+。對中國來說，能源建設戰略是國民經濟發展的關鍵戰略。中國化石能源探明可采儲量中，煤炭量為1145億t，石油量為38億t，天然氣儲量為1.37萬億m3，分別占11.6%，2.6%。中國人口多，人均資源不足。煤炭人均探明可采儲量僅為世界平均水平的1/2，石油僅為1/10左右，人均能源擁有量明顯落後。與此同時，近年來，交通能源在中國的比重越來越大。與此同時，汽車尾氣汙染已經成為空氣汙染，尤其是城市空氣汙染的最主要因素。因此，尋找新的清潔能源對中國的可持續發展具有重要意義。“九五”和“十五”期間，科技部將燃料電池汽車及相關技術的研發列入國家科技計劃。2002年6月，中科院啟動了科技創新戰略行動計劃重大項目——高功率質子交換膜燃料電池發動機及氫能技術，由中科院大連化學物理研究所主持。基於科技部國家高技術發展計劃(“863”)，研發具有自主知識產權的75KW和150KW燃料電池發動機及成套氫能技術，助力中國早日進入氫能時代。目前，我國已成功開發除燃料電池以外的轎車和客車，累計實驗運行超過2000km，這標誌著我國已具備開發氫動力燃料電池發動機的能力。當2008年奧運會和2010世博會舉行時，燃料電池汽車已經小批量地在街道上行駛了。氫能1的制備方法。化石燃料制氫在傳統的制氫工業中，化石燃料制氫是應用最廣泛的方法，有成熟的技術和工業裝置。主要方法有重油部分氧化重整制氫、天然氣蒸汽重整制氫和煤氣化制氫。水蒸氣和天然氣制氫的化學反應為:CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2。水蒸氣和煤制氫的基本反應過程為:C+2H 2 O=CO 2 +2H 2。雖然目前90%以上的制氫是基於天然氣和煤。但是天然氣和煤的儲量有限，制氫的過程會汙染環境。根據科學發展觀的要求，這種方法顯然不是未來制氫技術的最佳選擇。2.通過電解水生產氫氣具有悠久的工業歷史。這種方法是基於以下氫和氧的可逆反應:2H 2 O=2H 2 +O 2。目前常用的電解槽壹般采用壓濾雙極結構或箱式單級結構。每對電解槽的壓力在1.8 ~ 2.0V之間，生產1m3H2的能耗在4.0 ~ 4.5 kWh之間。箱式結構的優點是設備簡單，維護方便，投資少，缺點是占地面積大，時空產率低。壓濾機結構比較復雜，優點是緊湊，占地面積小，時空產率高，缺點是維護困難，投資大。隨著科學技術的發展，出現了固體聚合物電解質(SPE)電解槽。固相萃取池材料易得，適合大規模生產。此外，使用相同數量的陽極和陰極分離H 2和O 2的效率高於常規堿性電解槽。此外，SPE電解槽的液體流量是常規堿性電解槽的1/10，使用壽命約為300天。缺點是電解水的能耗還是很高。目前，我國水電解工業還停留在壓濾復極電解槽或單級箱式電解槽的水平，與國外工業和研究水平還有很大差距。3.甲烷催化熱分解制氫傳統的甲烷熱解制氫工藝伴隨著大量二氧化碳的排放。然而，近年來，甲烷熱分解制氫成為研究的熱點。甲烷分解1mol氫氣需要37.8KJ的能量，排放0.05 mol的CO 2。這種方法的主要優點是在生產高純度氫氣的同時，可以生產出更有經濟價值、更易出現的固體碳，從而不向大氣中排放二氧化碳，減少溫室效應。因為它基本不產生CO 2，所以被認為是化石燃料和可再生能源之間的過渡過程。但生產成本並不低，如果副產碳有廣闊的市場前景，這種方法將成為壹種很有前途的制氫方法。4.利用生物制氫技術進行生物制氫可以節約不可再生能源，減少黃精的汙染，有可能成為未來能源制備技術的主要發展方向之壹。生物制氫是在常溫常壓下，利用微生物酶與含氫物質(包括植物澱粉、纖維素、糖等有機物和水)發生生化反應產生氫氣。到目前為止，研究報道的產氫生物可分為兩類:光合生物(厭氧光合細菌、藍藻和綠藻)和非光合生物(嚴格厭氧菌、兼性厭氧菌和好氧菌)。光合生物藍藻和綠藻可以利用體內巧妙的光合結構將太陽能轉化為氫能，因此其產氫研究遠比非光合生物深入。兩者都能光解水制氫，是壹種理想的制氫方式。而藍藻和綠藻同時釋放氫氣，除了產氫效率低之外，如何解決暴露在氧氣中氫化酶的失活是該技術要解決的關鍵問題。與藍藻、綠藻相比，厭氧光合細菌在厭氧光合放氫過程中不產氧，因此過程簡單。目前，鑒於光合放氫過程的復雜性和精密性，研究內容仍主要集中在高活性產氫菌株的篩選或選育，選育和控制環境條件提高產氫量，其研究水平和規模基本處於實驗室水平。非光合生物可以降解大分子有機物產氫，這使得它們在利用可再生能源物質(纖維素及其降解產物和澱粉等)產氫的研究中，比光合生物顯示出優勢。).這類微生物作為氫源的研究始於20世紀60年代，到90年代末，中國科學家任南琪等人以厭氧活性汙泥和有機廢水為原料，開發出了“有機廢水發酵生物制氫技術”。該技術突破了生物制氫技術必須采用純菌和固定化技術的限制，開創了利用非固定化細菌制氫的新途徑。中試結果表明，生物制氫反應器的最大持續產氫能力達到5.7m3/(m3。特點(1)氫是自然界中最常見的元素。據估計，它占宇宙質量的75%。除了空氣中的氫，主要以化合物的形式儲存在水中，水是地球上分布最廣的物質。(2)在所有氣體中，氫氣的導熱性能最好，比大多數氣體的導熱性能高10倍，所以氫氣在能源工業中是壹種優良的傳熱載體。除了核燃料，氫氣的熱值是所有化石燃料、化學燃料和生物燃料中最高的，達到142.35 LKJ/千克。每千克氫氣燃燒後的熱量約為汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。(5)在所有元素中，氫是最輕的。在標準狀態下，其密度為0.0899克/升；氫氣可以以氣態、液態或固態金屬氫化物的形式出現，可以滿足儲存、運輸和各種應用環境的不同要求。(6)氫氣本身無毒，與其他燃料相比燃燒時最清潔。除水和少量的氮化氫外，不會產生對環境有害的汙染物，如壹氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化合物和塵粒等，少量的氮化氫經適當處理後也不會汙染環境。而且燃燒產生的水可以繼續制氫，重復使用氫氣可以安全使用。大量實踐表明，氫氣有安全使用記錄。在1967和1977之間，美國發生了145起氫氣事故，這些事故都發生在石油煉制、氯堿工業或核電站，並沒有真正涉及能源利用。國內外使用氫氣的經驗表明，氫氣的常見事故可以概括為:未被發現的泄漏；閥門故障或泄漏；安全閥失效；疏散系統故障；管道或容器破裂；材料損壞；置換不良，空氣或氧氣等雜質殘留在系統中；氫氣排放率過高；管線接頭或波紋管損壞；氫氣輸送過程中發生碰撞或翻車事故。這些事故需要補充兩個條件才能引發火災。壹個是火源，壹個是氫氣和空氣或氧氣的混合物，在那個時間和地點應該處於著火或劇烈震動的極限。沒有這兩個條件，就不可能造成事故。事實上，通過嚴格的管理和認真執行操作程序，大多數事故是可以避免的。氫能的利用方式主要有三種:①直接燃燒；(2)通過燃燒電池轉化為電能；③核聚變。其中，最安全有效的方法是通過燃料電池將氫能轉化為電能。目前，氫能的發展正在引發壹場深刻的能源革命，它有可能成為21世紀的主要能源。美歐日等發達國家從國家可持續發展和安全戰略的角度制定了長期的氫能發展戰略。1、氫內燃機氫內燃機的基本原理與汽油或柴油內燃機相同。氫內燃機是傳統汽油內燃機的略微改進版本。氫內燃直接燃燒氫氣，不使用其他燃料，也不產生水蒸氣排出。氫內燃機完全可以做功，不需要任何昂貴的特殊環境和催化劑，所以不會有成本高的問題。目前很多成功的氫內燃機都是混合動力的，即液氫和汽油都可以作為燃料。這樣，氫內燃機就成了壹個很好的過渡產品。比如加油壹次不能到達目的地，但能找到加氫站，就用氫氣做燃料；或者先用液氫，再找個普通加油站加汽油。這樣，在加氫站不普及的情況下，人們就不會害怕使用氫動力汽車。氫內燃機由於點火能量小，易於實現稀薄燃燒，可以在較寬的工況範圍內獲得較好的燃油經濟性。2.氫能在燃料電池中的應用主要是通過燃料電池來實現的。氫燃料電池發電的基本原理是電解水的逆反應。氫氣和氧氣分別供給陰極和陽極。氫氣通過陰極向外擴散，與電解液反應後，釋放出電子，通過外負載到達陽極。氫燃料電池與普通電池的主要區別是:幹電池和蓄電池都是儲能裝置，儲存電能，需要時釋放；嚴格來說，氫燃料電池是壹種發電裝置，和發電廠壹樣，它是壹種直接將化學能轉化為電能的電化學發電裝置。利用氫燃料電池發電，直接將燃燒的化學能轉化為電能，無需燃燒，能量轉化率可達60% ~ 80%，汙染和噪音小，裝置可大可小，非常靈活。本質上，氫燃燒電池的工作模式與內燃機不同。氫燃燒電池通過化學反應產生電能來推動汽車，而內燃機通過燃燒熱能來推動汽車。由於燃料電池車的工作過程不涉及燃燒，沒有機械損耗和腐蝕，氫燃燒電池產生的電能可以直接用來推進車輛的四個車輪，省去了機械傳動裝置。現在，發達國家的研究人員已經強烈意識到氫燃料電池將結束內燃機時代這壹不可避免的趨勢。已經成功開發氫燃料電池的汽車制造商包括通用、福特、豐田、奔馳、寶馬和其他國際公司。3.核聚變核聚變，即氫原子核(氘和氚)結合形成更重的原子核(氦)時，釋放出巨大的能量。熱核反應，或稱核劇變反應，是壹種很有前途的新能源。參與核反應的氫核，如氫、氘、氟、鋰等。從熱運動中獲得必要的動能並引起聚變反應。熱核反應是氫彈爆炸的基礎，能在瞬間產生大量熱能，但目前還不能使用。如果熱核反應能夠按照人的意圖控制在壹定的限制區域內，就可以實現受控熱核反應。這是目前實驗研究的壹個重要課題。受控熱核反應是聚變堆的基礎。聚變反應堆壹旦成功，可能為人類提供最清潔、取之不盡的能源。目前可行性較大的受控核聚變反應堆是托卡馬克裝置。托卡馬克是壹種利用磁約束實現受控核聚變的環形容器。他的名字托卡馬克來自環形，kamera，磁性和kotushka。它最初是由蘇聯莫斯科庫爾恰托夫研究所的阿奇莫維奇在20世紀50年代發明的。托卡馬克的中心是壹個環形真空室，周圍纏繞著線圈。當電源接通時，托卡馬克內部會產生巨大的螺旋磁場，將等離子體加熱到非常高的溫度，從而達到核聚變的目的。中國還包括兩個核聚變實驗裝置。展望能源、資源和環境問題，迫切需要氫能來解決這壹危機，但目前氫能的制備還不成熟，大部分儲氫材料的研究還處於實驗室的探索階段。氫能的制備應以生物制氫為主，其他制氫方式不可持續，不符合科學發展的要求。生物制氫中的微生物制氫需要基因工程和化學工程的有機結合，充分利用現有技術，盡快開發出符合要求的產氫生物。生物質制氫需要技術的不斷完善和大力推廣，這是壹個艱難的過程。儲氫主要著眼於新材料的發現，尚未考慮材料的規模化或工業化制備，不同儲氫材料的儲氫機理有待進壹步研究。此外，由於每種儲氫材料都有其優缺點，且大多數儲氫材料都具有加成特性，因此單壹儲氫材料的性能也更受人們的認可。因此，認為開發綜合各種單壹儲氫材料優點的復合儲氫材料是未來儲氫材料的壹個發展方向。