当前课程知识点：能源化学工程概论 > 第七章 燃料电池 > 第三节 氢气的制取 > 氢气的制取
大家好
本节课将开始介绍燃料电池的氢源
包括氢气的制取运输及储存三个部分
提到氢能大家可能非常熟悉啦
我们再次确认一下氢是否是“清洁环保”的物质
在燃料电池中
氢与氧发生化学反应产生电力
此过程生成的物质只有水
不会造成全球变暖的二氧化碳
和引发大气污染的氮氧化物硫氧化物等
而且使用氢作为能源
方法不仅限于燃料电池
例如
还可以通过氢燃烧带动汽轮机旋转
即“氢发电”或利用氢的热核反应释放出核能等
氢燃烧的过程最终也是氢与氧的化学反应
所以生成的物质只有水
也是清洁环保的
我们大家知道
氢是宇宙中最丰富的元素
除了空气中的少量单质氢气
绝大部分氢元素都以化合物形态存在
且主要存在于水中
此外若把全球水中的氢都提炼出来
约有15亿亿吨
所产生的热量是地球上化石燃料的9000倍
由此可见
氢在地球上是大量存在的
但问题在于
如何将化合物中所包含的氢
转变为使用方便的氢分子来做能源
氢气在很多行业以一种副产品的形式存在
这些行业主要集中在
制碱和冶炼等高温工业领域
由于氢气并不是最终的生产目标
所以导致副生氢气在规模
成本和品质方面有一定的差距
那么氢从哪里来
目前氢的制取方法主要有化石燃料制氢
水分解制氢生物制氢以及太阳能制氢等
其中
化石燃料制氢是目前最主要的制氢方法
能量转化率高 技术成熟
化石制氢主要包括煤制氢和天然气制氢
煤制氢的本质是用碳置换水中的氢
生成氢气和二氧化碳
发生的化学反应是
碳与水反应生成二氧化碳与氢气
方法主要有两种
一是煤的焦化
隔绝空气以900~1000摄氏度高温制取焦碳
副产品为焦炉煤气
第二则是煤的气化
在高温下与水蒸汽
或氧气等发生反应转化成气体产物
氢气含量与气化方法有关
天然气重整是工业上应用最为广泛的制氢方法
在甲烷中加入水蒸气并加热
会生成氢气和一氧化碳
再次加入水蒸气加热
进而形成更多氢气
但此过程中也产生了二氧化碳
用此种方法制氢需要800摄氏度以上的高温
化学公式中甲烷和水的比例是一比一
但在实际应用中这个比例通常要达到一比三
过多的水分参与会浪费绝大多数热量
生产出二氧化碳和氢气之后
可以将气体压入水中溶去二氧化碳
才能最终得到较高纯度的氢气
在普通环境下
水不会自发分解为氢和氧
但如果从外部施加电压
就可以通过“电解”得到氢
电解水制氢主要分为
制碱工业中的电解盐水
和电解纯水两种方式
就目前而言
电解纯水相对电解盐水成本更高
这是因为盐水中富含大量的正负离子
在传导电流方面有着纯水不可比拟的优势
电解盐水的副产品是苛性碱 氯气 氢气 氧气
而电解纯水的产物只有氧气和氢气
虽然两者制备氢气的纯度相仿
都可以达到99%以上
但盐水电解要更具规模更容易形成产业化
电解纯水在速度和能耗两方面
依旧比不上电解盐水
需要注意的是电解水时
如果使用的电力来自于化石燃料就没有意义了
因为这样既无法实现能源替代
也不能削减二氧化碳的排放量
所以我们期待的是
用风力发电
水力发电或太阳能发电等可再生能源
所产生的电力来电解水将难以储存
发电量不易调整的可再生能源所产生的电力
以氢的形式进行储存
生物制氢目前尚在初步研发阶段
研究大多集中在纯细菌和细胞固定化技术上
如产氢菌种的筛选等
在上述生物制氢方法中
发酵细菌的产氢速率较高
具有直接应用前景
光合细菌产氢的速率比藻类快
且能将产氢与光能利用有机地结合在一起
也是具有潜在应用前景的一类方法
除此之外
非光合生物可降解大分子物质产氢
光合细菌可利用多种低分子有机物光合产氢
而蓝细菌和绿藻可光裂解水产氢
都为生物制氢的发展提供了新的思路
另一种利用生物质的方法则比较直接
将生物质原料压制成型
在气化炉或裂解炉中
进行反应制得含氢的混合燃料气
其中的碳氢化合物再加入水蒸气进行加热反应
最终生成氢气 和二氧化碳
一种较为新颖的制氢方法
为等离子化学法制氢
用电场电弧将水加热到5000摄氏度以上
分解成氢负离子 氢气 氧负离子 氧气
氢氧根离子等各类带电粒子
但是要使等离子体中氢组分含量稳定
就必须使氢不再和氧结合
该方法目前依然在研发阶段
利用太阳能热裂解水可以直接将水分解
只是需要采用比较大型的集光设备
通过水在3000K下的不稳定性
将水分解成氢气和氧气
但此方法集光设备费用高昂
实际应用困难较大
太阳能制氢的另一种可行的方法
为使用光催化剂
所谓光催化剂
即受到阳光照射时
催化剂中原子捕获的电子能从光中
获得能量而离开原子
在催化剂中自由活动
这些电子将水分子分解
从而产生氢
我们知道
太阳光中含有各种不同波段的光
光催化剂利用波长较短的紫外线是很简单的
但波长越长的光越难利用
进行水分解时
可见光与红外线的边界为利用界限
要提高制氢效率
如何开发出能够利用
波长较长的光催化剂是个重点
目前大量的诸如二氧化钛磷酸银等
半导体材料已被证明是性能优异的光催化剂
在光分解水制氢领域具有巨大的潜在应用价值
目前我国的氢气生产
除了大量使用化石燃料以外
其余的部分主要都通过水电解法生产
鉴于化石燃料制氢会产生二氧化碳
我们更希望将来可大规模使用
电解水制氢及太阳能制氢
如果电解所使用的电力来自可再生能源
那就意味着氢可以完成能源替代
同时也可以大幅度减少二氧化碳的排放量
今天我们讲解了氢气的制取
即氢从哪里来
下节课接着介绍氢气的运输和储存
好本节课结束
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