氢能源利用现状及发展展望

李天宇　田娇　高菁菁等

中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2021）12-0105-03

众所周知，氢能是21世纪最具发展前景的二次能源，其显著特点是低碳和零碳。氢是宇宙中质量最小，散布于各处，如果充分利用好氢能，使氢能得到大规模的应用，那么人类就可以永久使用。它有效解决现在存在的能源短缺、温室效应造成的全球变暖以及大气污染等问题，它的开发利用让世界瞩目关注。本文将主要介绍氢能的使用领域、制备方法、运输技术等。

1氢能源的利用

目前在我国正在进行一场以氢能源汽车、氢燃料电池等形式为主的能源领域的变革。氢燃料电池是直接将氢气的化学能转化为电能的装置，转化效率很高、环境友好、寿命高且可实现零排放，是现在存在的对于氢能利用最好的技术。目前广泛使用的燃油汽车表现出被氢燃料汽车（FCEV）所取代的显著趋势，氢燃料汽车的使用可以达到零排放、零污染的目的。近几年氢能源汽车的产销量趋势如图1所示。

当今，被称为二次能源的环保能源氢气，还有以下几个方面的用途：a.在食品工业中，对植物油通过加氢处理就可得到食用色拉油;b.在电子工业中氢气通常作为保护气体，制备集成电路显象管等;c.在炼油工业中企业为了提高油产品的质量以及将产品中的硫、氮及重金属等有害物质除去，利用氢气对柴油、燃料油、稠油进行加氢精制。尤其是最近几十年流行起来的氢燃料电池，不仅可直接供航空海洋事业还对陆路交通有着重要的作用，氢能承担未来最具潜力能源的设想越来越成为现实。

2氢能源的制取

氢能不像煤、石油、天然气可直接开采，氢气的制取主要依赖化石能源，其中天然气重整提供48%，油部分氧化提供30%，煤气化提供18%，剩下的4%由电解水提供。各类制氢技术的基本参数如表1所示。

利用化石能源作原料來制取氢气。通常有三种基本方法，如表2所示。

三种方法中比较成熟的技术是电解制氢。电解制氢根据不同电解质分为三种：a.目前最成熟的电解技术，将碱性溶液作为电解质制氢，即碱性电解（AEC）;b.固体氧化物电解（SOEC）;c.生物制氢是利用含氢有机物和水在生物活性酶的作用下将太阳能和生物能转化为能量密度高的氢。以生物质为介质制氢就是利用化学作用或物理反应来制取氢气。天然气重整制氢，目前看来是效率最高的，可制备纯度较高氢气。

3氢气的运输

因为氢气来源不同，所以在进行氢气输送时其状态是不一样的，导致输送氢气的方式也不同。这几年来，部分欧美发达国家提出了利用目前已建设的天然气管道输送混氢天然气（在现有天然气管道体系中掺入一定浓度的氢气，形成氢气一天然气混合气体的方案）。目前，混氢天然气技术是实现氢低成本输送的主要方法。

高压氢气运输：对于需求量比较小的地区，通常使用集装格、长管挂车运输;对于需求量比较大的工业地区，利用管道输送是比较经济合理的。目前，美国及欧洲一些工业地区已经建设并使用管道运输氢气，氢气管道直径大约为0.25～0.3m，压力范围为1～3MPa。目前氢气管道主要用于输送化工厂的氢气。长管挂车运输氢气的经济性分析如图2所示。

液氢运输：目前国外加氢站通常采用罐车液氢运输，由于液氢的体积密度是70.8 kg·m，密度达到8.5 MJ·L。直接运送气态氢气效率较低。因此，一般先将氢气深冷至21 K使其液化后再利用罐车或管道运输，液氧的运输经济件分析如图3所示。

4结语

研究表明，当氢气含量较低时，可以在不做重大技术调整和重大投资的情况下掺混至天然气，随着经济性和安全性的不断提升，以及在现有基础设施的基础上加快建设“运氢走廊”，氢能在天然气行业的应用将成为一种趋势。未来随着交通运输场景发生颠覆性的改变，更多的驱动系统会应用到氢能，氢能在商用卡车、客车和无人机等领域持续渗透，并在铁路、航运、航空等重型运输场景实现新突破，助力社会经济发展和生活消费的绿色转型。氢能领域正在高速发展，氢能在未来将广泛应用于各行各业，同时应当加紧规划布局氢能产业，让氢能在解决人类能源危机和环境污染的过程中发挥出更显著的作用。