点击
上方蓝字
为什么氢气球能飞上天呢？为什么冬奥火炬会用氢气作为燃料呢？今天我们就带大家认识一种生活中常见的化学元素——氢。
问题1:氢是什么？
答：氢是宇宙中分布最广泛的物质，约占宇宙质量的75％，在地球上主要以化合态的形式出现。氢气是由两个氢原子通过共价键的形式紧密的结合在一起的（注1），化学式为H2，常温常压下是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气的密度只有空气的1/14，是世界上已知密度最小的气体，因此，氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。同时作为一种清洁低碳的能源，氢气在空气中燃烧时只产生水，不会像传统能源那样产生大量污染物和温室气体，可实现完全的“零排放”。北京冬奥会首次使用氢能作为火炬燃料，体现了本届冬奥会绿色、低碳、可持续原则。
那么，氢从哪里来呢？
问题2:氢从哪里来？
答：地球上没有天然氢沉积物，必须通过化学方法将其从其他化合物中提取出来，目前我国氢气产能已超过万吨/年，其中化石原料(煤制氢、天然气重整等)制氢占70％，工业副产氢占比近30％，而电解水制氢占比不到１％。煤制氢，煤与氧化剂为原料，生产以氢气与一氧化碳为主的合成气，然后通过水气变换以及净化后得到氢气。主要方程式如下:
C+H2O→CO+H2
CO+H2O→O2+CO2
天然气重整制氢，是在催化剂的作用下，将天然气中的甲烷与水蒸汽反应，生成含氢的混合气体，并经过变换及换热冷却，最终与杂质气体进行分离得到满足用户要求纯度氢气的过程。
甲烷重整制氢方程式如下:
CH4+H2O→3H2+CO
CO+H2O→O2+CO2
工业副产氢，是在氯碱工业、乙烷裂化、合成氨、丙烷裂化等工业生产过程中生成的氢气，是氢能产业发展初期和中期的主要氢来源之一。工业副产氢纯化制氢气不仅能提高资源有效利用率和经济效益，同时在碳排放量方面相对于电解水和化石能源制氢具有优势。工业副产氢的市场容量巨大、分布广泛，能提供百万吨级的氢气供应。与其他方法相比，通过工业副产氢纯化制取高纯氢气，几乎无需额外资本及化石原料的投入，既节约成本，又能实现对工业废气的处理和回收利用，适于规模化推广发展。
电解水制氢，其原理是在充满电解液的电解槽中通入直流电，使水分子在电极上发生电化学反应，通电后，电解池阴极产生氢气，阳极产生氧气。电解制氢的纯度高达99.5%~99.8%，但是对于电能的消耗量较高，生产每标方氢气需要约4.5度电，约占制氢总成本的75%。
电解水制氢方程式如下:
图1
电解水制氢原理解决氢从哪里来的问题是氢能产业发展的基础，不新增碳排放是发展氢能产业的前提。我国工业副产氢工艺成熟、成本较低，近期仍将是主要氢源。但从长远发展看，可再生能源电解制氢规模潜力更大，更加清洁可持续，随着成本下降，未来将成为重要氢源。
问题3:氢能做什么？
答：氢能具有清洁低碳属性和跨界应用潜力，可广泛应用于化工冶金、交通运载、综合供能等领域，例如燃料电池车辆、氢能冶金、分布式供能等；同时，也是高耗能、高排放行业的优质替代能源。与电能类似，氢能是常见的二次能源，需要通过一次能源转化获得；不同之处在于，氢能的能量密度高、储存方式简单（注2），是大规模、长周期储能的理想选择，为可再生能源规模化消纳提供了解决方案。随着燃料电池等氢能利用技术逐渐成熟，氢能-热能-电能将实现灵活转化、耦合发展。
图2
氢的来源及用途
纯净的氢对于实际应用具有十分重要的作用，那么如何得到纯净的氢呢？
问题4:如何得到纯净的氢？
答：在氢气的分离纯化过程中，氢源中的杂质组分和含量不尽相同，采用不同的分离方法得到的分离效率及效果也不同。常见的分离方法主要有：低温分离法（深冷法）、金属氢化物净化法、膜分离法和选择吸附法。选择吸附法又可细分为低温吸附法、变压吸附法和低温吸收法。其中，变压吸附技术（PressureSwingAdsorption,PSA）发展最为成熟。变压吸附的原理是：吸附剂的吸附容量随其分压的增大而增多，当减压或抽空时则解吸，吸附剂再生。选用难以吸附氢的吸附剂在常温下吸附氢源中的杂质，以实现氢与杂质的分离，最终将氢气提纯。清华大学山西清洁能源研究院中温气体净化研究中心开发了新型中温变压吸附H2分离与纯化技术，突破了传统干法吸附法净化的温度限制，简化了系统复杂性，降低了净化成本，实现了中温下可逆脱除CO2、H2S、CO等气体杂质以制取高纯氢。
在中温吸附剂方面，针对~℃区间应用场景，开发了氮基活性炭疏水吸附剂。针对~℃温度区间应用场景，开发了新型水滑石吸附剂。通过山西丰喜泉稷场内Nm3/h变换器处理量的中温变压吸附H2/CO2分离中试示范装置，装填本中心开发的氮基活性炭疏水吸附剂来处理℃的来流变换气，实现了该装置工业现场稳定运行。通过折算电耗，中试净化每标方氢气的净化成本约为0.kWh，对比丰喜厂内低温甲醇洗工艺每标方氢气净化电耗0.kWh，可大幅节约运行成本。经第三方检测，利用该技术净化后的H2品质可满足燃料电池用氢标准。
为什么一定要符合燃料电池用氢标准呢？燃料电池又有什么作用，我们一起来了解吧！
图3
中温变压吸附H2/CO2分离中试项目
问题5:燃料电池和氢有什么关系?
答：氢，想要让汽车跑起来，就涉及到一个重要的部件——燃料电池。燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置，搭载燃料电池汽车也可以算作电动汽车。和普通化学电池相比，国际上普遍是以高能量密度的高压储氢作为电池的燃料，通常可以在五分钟内将燃料灌满。与传统的燃油汽车相比，燃料电池汽车具有能量转换效率高、污染物零排放、运行平稳、低噪声等特点，这确保了燃料电池汽车成为真正意义上的高效、清洁汽车。
图4
氢燃料电池原理
图5
氢燃料电池汽车
当前，燃料电池汽车正处于由技术研发向商业化推广的过渡阶段，我国在部分地区开展了燃料电池汽车示范应用工程。在刚刚结束的北京冬奥会上，氢能成为“绿色办奥”理念的重要体现——“飞扬”火炬采用清洁低碳氢能作为燃料；冬奥赛区共投入氢燃料电池汽车余辆，全面实现绿色用能。
年3月23日，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（-年）》，明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分。氢能是助力实现碳达峰、碳中和目标，深入推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要支撑，利用好氢，我们任重而道远。
注1：共价键是化学键的一种，两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定的化学结构叫做共价键。
注2：氢气可以像天然气一样，储存在钢瓶中；电能根据负荷的大小随发随用，不能大量储存。
中温气体净化研究中心简介
中温气体净化研究中心成立于年1月，由清华大学能源与动力工程系清洁能源转化与利用课题组、北京北大先锋科技有限公司及山西潞安丰喜泉稷能源有限公司按照山西省科技重大专项要求联合组建。中心立足于低碳能源化工领域，研究涉及氢气制取及新型净化技术（多类碳氢燃料重整与中温变压吸附H2/CO2分离）、分布式燃料电池供能系统等领域，具备核心吸附剂、催化剂开发和生产、能源转化系统模拟和工艺优化、以及工程现场示范能力。中心现有人员共计17人，旨在推动新型能源装备产业在山西转型综合改革示范区落地，促进山西省能源化工行业清洁低碳安全高效发展。
联系人：
李爽：shuangli
tsinghua.edu.cn扫码
转载请注明地址:http://www.abmjc.com/zcmbwh/597.html
