制取氢氧化亚铁_氢的制取及储存技术探讨

　　摘要：氢能是一种理想的新的含能体能源，但是要利用氢能必须制备氢能和储运氢能，氢的规模制备是氢能应用的基础，氢的规模储运是氢能应用的关键，氢燃料电池汽车是氢能应用的主要途径和最佳表现形式，三方面只有有机结合才能使氢能迅速走向实用化，目前国内外主要从事氢能的规模制备和氢能的规模储运的开发研究，并取得了一定的进展。
　　关键词：氢能；燃料；制取；储存
　　中图分类号：TQ011 文献标识码：A
　　1 氢的主要制取技术
　　1.1 电解水制氢
　　这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：H2+1/202-n20+△Q (3)分解水所需要的能量△p是由外加电能提供的。为了提高制氢效率，电解通常在高压下进行，采用的压力多为3．0～5．0 MPa。目前电解效率约为50％～70％。由于电解水的效率不高且需消耗大量的电能，因此利用常规能源生产的电能来大规模电解水制氢显然是不合算的。
　　1.2 从化石燃料中制氢
　　这是过去及目前采用最多的方法。它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作原料来制取氢气的基本反应过程为：
　　用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢化学反应为：CH2+H2 +3H2+CO (2)上述反应均为吸热反应，反应过程中所需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧中获得，也可利用外部热源。自从天然气大规模开采后，现在氢的制取有96％都是以天然气为原料。天然气和煤都是宝贵的燃料和化工原料，用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖。
　　1.3 热化学制氢
　　这种方法是通过外加高温高热使水起化学分解反应来获取氢气。到目前为止虽有多种热化学制氢方法，但总效率都不高，仅为20％～50％，而且还有许多工艺问题需要解决。随着新能源的崛起，以水作为原料利用核能和太阳能来大规模制氢已成为世界各国共同努力的目标。其中太阳能制氢最具吸引力，也最有现实意义。目前正在探索的太阳能制氢技术有以下几种：
　　1.3.1 太阳能电解水制氢
　　这种方法是首先将太阳能转换成电能，然后再利用电能来电解水制氢。
　　1.3.2 太阳热分解水制氢
　　热分解水制氢有两种方法，即直接热分解和热化学分解。前者需要把水或蒸汽加热到3000K以上，水中的氢和氧才能够分解，虽然其分解效率高，不需催化剂，但太阳能聚焦费用太昂贵。后者是在水中加入催化剂，使水中氢和氧的分解温度降低到9０0二1200 K，催化剂可再生后循环使用，目前这种方法的制氢效率已达50％。
　　1.3.3 太阳能光化学分解水制氢
　　将水直接分解成氧和氢是很困难的，但把水先分解为氢离子和氢氧离子，再生成氢和氧就容易得多。基于这个原理，先进行光化学反应，再进行热化学反应，最后再进行电化学反应即可在较低温度下获得氢和氧。在上述三个步骤中可分别利用太阳能的光化学作用、光热作用和光电作用。这种方法为大规模利用太阳能制氢提供了实现的基础，其关键是寻求光解效率高、性能稳定、价格低廉的光敏催化剂。
　　2 氢的储存技术
　　2.1 吸附储氢
　　目前，用于储氢的吸附剂主要有：①分子筛；②一般活性炭；③比表面积高的活性炭；④新型吸附剂。前3种为常规吸附剂，吸附储氢能力以比表面积高的活性炭为最佳，一般活性炭次之。这里主要介绍常规吸附剂比表面积高的活性炭，单位质量表面积比常规活性炭大得多，吸附储氢性能也较常规活性炭优越（用KOH处理过的AX-21，其BET面积超过3000平方米/g，而常规活性炭仅为700-1800平方米/g）。在适度压力（一般小于6.0MPa）、低温（77-150K）下，活性炭吸氢量随温度的降低而急剧增大。比表面积高的活性炭通过MACS处理，即表面酸性（一般用NaOH）和金属（Pd）改性处理，其吸附储氢能力至少可提高20wt%。
　　活性炭吸附储氢性能与储氢的温度和压力密切相关：一般来说，温度越低，压力越高，储氢量越大。
　　比表面积高的活性炭与常规活性炭相比，其体积密度普遍较小，若同时考虑体积因素，其储氢量也只比常规活性炭大25%。因此，在对活性炭进行MACS处理的同时也应采取措施，提高其体积密度。改变体积密度对储氢性能的影响效果往往是表面改性的2倍。据报道，活性炭吸附储氢的最佳性能值在77K时己达5.3wt%（0.64H/C）。值得一提的是，这种储氢更应注意氢的脱附状况，仅用单位重量储氢量来评估系统的经济性是不全面的。装设活性炭的储氢器，150K时的残留氢是300K时的2倍，80K时为300K时的4倍。杂质气体对活性炭的吸氢性能影响很大，且往往只能通过真空加热来复活。将氢预冷至150K以下后，活性炭吸附储氢性能和高压储氢在此温度下的性能相差不大，这是活性炭储氢未受重视的重要原因。增大活性炭比表面积时还须考虑强度问题，以防粉化。使用容量比率（UCR，即在某工作压力下装设活性炭的储氢器可供氢量与未装设活性炭的储氢器可供氢量的比值）来评价其经济性较为客观。
　　活性炭吸附储氢较适用于大规模储氢系统。当前在此方面的研究主要有：适宜氢气储存、成本较低的表面改性；提高体积密度以提高其储存经济性；改善吸脱附件能。具体的工程应用是作为汽车燃料的低压储氢系统。
　　2.2 液化储氢
　　常压下，液氢的溶点为20K、气化潜热为921kJ/kmol。常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢储存的体积能量密度比压缩储存高好几倍。液氢的热值高，每千克热值为汽油的3倍。因此，液氢储存特别适宜储存空间有限的运载场合。液氢储存的质量最小，储箱体积也比高压压缩储氢小得多。因而，若仅从质量和体积上考虑，液化储存是一种极为理想的储氢方式。
　　2.3 有机液体储氢
　　选用合适的催化剂，在较低压力和相对高的温度下，某些有机物液体可做氢载体，达到储存和输送氢的目的。常用的有机物氢载体主要有：苯、甲苯（TOL）、甲基环已烷（MCH）、萘，苯、甲苯和萘的性能参数值较高，其中萘最高。但萘烷的脱氢为非可逆过程，无法循环利用萘；而苯、甲苯的脱氢为可逆过程，因而常选苯和甲苯做储氢剂。
　　氢经过催化加氢装置被寄存于甲苯（TOL）或甲基环己烷（MCH）中。氢载体在常压下呈液态，储存和运输简单易行。输送到目的地后，通过催化脱氢装置使寄存的氢脱离，储氢剂--苯或甲苯经冷却后储存、运输，并可循环利用。
　　2.4 金属氢化物储氢
　　某些金属或合金与氢反应后以金属氢化物形式吸氢，生成的金属氢化物加热后释放出氢，可有效地利用这一特性储氢。有些金属氢化物储氢密度可达标准状态下氢气的1000倍，与液氢相同甚至超过液氢。此外，金属氢化物还具有氢气纯化、压缩的功能，仅需一次吸放氢循环，就可将4个9的氢提纯至6个9。
　　氢以原子态储存于合金中。重新释放出来时，经历扩散、相变、化合等过程。这些过程受到热效应和反应速度的制约，不易爆炸，安全程度高。
　　3 总结
　　氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石，制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气一蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢、氢能储运及燃料电池技术的发展，氢能将成为其他新能源和可再生能源的最佳载体替代化石能源。
　　参考文献
　　[1]刘江华.氢能源-未来的绿色能源[J].新疆石油科技,2007,(01).
　　[2]周理，周亚平.关于氢在活性炭上吸附特性的实验研究.中国科学，26(5).