一 氫礦在哪里？

在人類生存的地球上，氫是最豐富的元素，但是自然界卻沒有純氫存在。最常見的含氫物質(zhì)是水（H2O);其次就是各種含氫化合物如石油、天然氣、硫化氫及各種生物質(zhì)等。所以按行業(yè)習(xí)慣我們將江、河、湖、海稱為“氫礦”。可見，“氫礦”到處都有，不難發(fā)現(xiàn)。

二 工業(yè)化制氫方法

目前我國97%的氫氣是由化石燃料生產(chǎn)的，其余的通過水電解法生產(chǎn)?；剂现圃鞖錃庖虼髿馀欧糯罅康臏厥覛怏w，對(duì)環(huán)境不利。水電解制造氫氣則不產(chǎn)生溫室氣體，但是生產(chǎn)成本較高。因此水解制氫適合電力資源如水電、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能以及核能比較豐富的地區(qū)。

1、以煤為原料制氫

煤是我國最主要的化石能源，其主要成分是碳，也有很少的碳?xì)浠衔铩Ｃ褐茪涞谋举|(zhì)是以碳取代水中的氫，最終生成氫氣和二氧化碳。這里，碳起到化學(xué)試劑作用并為置換反應(yīng)提供熱。氫幾乎全來自于水。

以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：

一是煤的焦化（或稱高溫干餾），煤在隔絕空氣條件下，在 900～1000℃制取焦碳，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣組份中含氫氣 55～60%(體積）、甲烷23～27%一氧化碳5～8%等。每噸煤可得煤氣 300～350m3，作為城市煤氣，亦是制取氫氣的原料。

二是煤的氣化，使煤在高溫常壓或加壓下，與水蒸汽或氧氣（空氣）等反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。氣體產(chǎn)物中氫氣的含量隨不同氣化方法而異。煤氣化制氫是一種具有我國特點(diǎn)的制氫方法。通常做法是將煤從地下挖出，破碎、分類后放到專門的設(shè)備中進(jìn)行上述反應(yīng)。其實(shí)也可以在地下進(jìn)行煤制氫，一般在煤礦的地表建成兩個(gè)井，一個(gè)進(jìn)氣，一個(gè)出含氫的混合氣。在地面上凈化，得到可用的氫。煤地下氣化方法近數(shù)十年已為人們所重視，我國已經(jīng)在山東、河北一帶進(jìn)行了幾個(gè)工業(yè)化示范，效果很好。地下氣化技術(shù)具有煤資源利用率高及減少或避免地表環(huán)境破壞等優(yōu)點(diǎn)。

2、天然氣制氫

天然氣的主要成分是甲烷（ CH4），本身就含有氫。和煤制氫相比，用天然氣制氫產(chǎn)量高、加工成本較低，排放的溫室氣體少，因此天然氣成為國外制造氫氣的主要原料。其中天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化是較普遍的制造氫氣方法。工業(yè)上甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程采用鎳做催化劑，操作溫度750～920℃，操作壓力 2.17～2.86MPa。較高的壓力可以改善過程效率。反應(yīng)是吸熱的，熱量通過燃燒室燃燒甲烷供給。甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制得的合成氣，經(jīng)過高低溫變換反應(yīng)將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和額外的氫氣。為了防止甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程析碳，反應(yīng)進(jìn)料中需采用過量的水蒸氣。最終氫氣的收率與采用的技術(shù)路線有關(guān)。天然氣制氫的本質(zhì)是以甲烷中的碳取代水中的氫，碳起到化學(xué)試劑作用并為置換反應(yīng)提供熱。氫大部分來自于水，小部分來自天然氣本身。

3、重油部分氧化制造氫氣

重油是煉油過程中的殘余物，可用來制造氫氣。重油部分氧化過程中碳?xì)浠衔锱c氧氣、水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。該過程在一定的壓力下進(jìn)行，可以采用催化劑，也可以不采用催化劑，這取決于所選原料與過程。催化部分氧化通常是以甲烷或石腦油為主的低碳烴為原料，而非催化部分氧化則以重油為原料，反應(yīng)溫度在 1150～1315℃。重油部分氧化制得的氫主要來自水蒸氣。

4、水電解制造氫氣

水電解制造氫氣是成熟的制造氫氣的方法，已有80余年生產(chǎn)歷史。水電解制得的氫氣純度高，操作簡便，但需耗電。水電解制氫的效率一般在 75～ 85%，一般生產(chǎn)1m3氫氣和0.5m3氧氣的電耗為4～5kWh。根據(jù)熱力學(xué)原理，電解水制得1m3氫氣和0.5m3氧氣的最低電耗要2.95度電。所以有的發(fā)明家得到低于此值的結(jié)果就不可信了。當(dāng)然，如果是電解水溶液，得到氫和另一種非氧的產(chǎn)物，其電耗另當(dāng)別論。水電解制氫的本質(zhì)是以電能打開水中的氫和氧的結(jié)合鍵，最終生成氫氣和氧氣。這里的氫全部來自于水。

目前我國水電解主要用石棉布電介質(zhì)和強(qiáng)堿性水溶液，能耗大、不環(huán)保。近年已經(jīng)成功開發(fā)采用固體高分子離子交換膜代替石棉布作為電解質(zhì)，直接電解純水的新技術(shù)。

水電解制氫所需電能可由各種一次能源提供，其中包括化石燃料、核能或太陽能、水能、風(fēng)能及海洋能等可再生能源。大型供電系統(tǒng)在低谷時(shí)電能也可用于電解水制氫，達(dá)到儲(chǔ)能的目的。隨著可再生能源地位的提高、發(fā)電成本的降低，相信水電解制氫會(huì)得到更大的發(fā)展。

三 大有前途的新方法

知道制氫的本質(zhì)是“提取”水中的氫，因此，提取氫的方法可以是多種多樣的，諸如：

1、水煤氣 -鐵法制造氫氣。該過程以煤氣化為基礎(chǔ)，先制得合成氣；合成氣再將氧化鐵還原成金屬鐵，金屬鐵再與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和氧化鐵，然后將氧化鐵送去與合成氣反應(yīng)生成金屬鐵，從而完成整個(gè)制造氫氣的循環(huán)過程。

2、甲烷(催化)裂解制造氫氣。傳統(tǒng)的制造氫氣過程都伴有大量的二氧化碳排放。以甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化為例，每轉(zhuǎn)化 1噸甲烷，要向大氣中排放 2.75噸二氧化碳。20紀(jì)中葉開發(fā)的高溫裂解甲烷制氫技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于制取高純氫氣的同時(shí)，制得更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、易于儲(chǔ)存的固體碳，從而不向大氣排放二氧化碳，減輕了溫室效應(yīng)。該方法制得的氫完全來自于甲烷自帶的氫。該方法技術(shù)較簡單，但是制造成本仍然不低。

3、熱化學(xué)法分解制氫。水直接分解需要在2227℃以上的溫度，工程實(shí)現(xiàn)難度很大。為了降低水的分解溫度，人們提出用多步驟熱化學(xué)反應(yīng)制造氫氣，最高溫度不超過1000℃。利用化學(xué)試劑在2～4個(gè)化學(xué)反應(yīng)組成的一組熱循環(huán)反應(yīng)中互為反應(yīng)物和產(chǎn)物，循環(huán)使用，并不消耗; 本質(zhì)上只有水分解為氫和氧。目前已經(jīng)研究出來多組熱化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，主要有：

①金屬Ca、Sr、Mn、Fe的鹵化物作為氧化還原劑分解水；

②雙組分碘和硫氧化還原系統(tǒng)；

③蒸汽—鐵系統(tǒng)。熱化學(xué)循環(huán)屬卡諾循環(huán)，這意味著高溫能增加轉(zhuǎn)化效率。但是高溫會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)材料損壞等問題，此外，產(chǎn)品分離、中間物的循環(huán)以及熱化學(xué)反應(yīng)可能產(chǎn)生的污染、腐蝕、毒害等問題，都會(huì)導(dǎo)致氫氣成本很高。盡管國外有人研究，但熱化學(xué)循環(huán)制造氫氣的前景并不樂觀。

4、其它含氫物質(zhì)制氫，如從硫化氫中制取氫氣，氨裂解制氫等。

5、等離子體制造氫氣過程。通過電場電弧能將水加熱到5000℃，水被分解成 H、H2、O、O2、OH和水，其中 H、H2的含量可達(dá)到50%。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須對(duì)等離子體進(jìn)行淬火，使氫不再和氧結(jié)合。該過程能耗很高，因而制氫成本很高。

6、生物質(zhì)制氫。生物質(zhì)是一種可再生資源，生物質(zhì)可通過氣化和微生物制氫兩種不同的手段制氫。

生物質(zhì)氣化制氫是將生物質(zhì)原料如薪柴、鋸末、麥秸、稻草等壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進(jìn)行氣化或裂解反應(yīng)制得含氫燃料氣。微生物制氫則是在常溫常壓下，利用微生物進(jìn)行酶催化反應(yīng)制得氫氣。

四 太陽能－氫系統(tǒng)，人類能源的希望

太陽所釋放的能量為3.8 ×1026J?S-1，一年中到達(dá)地球表面的能量達(dá)5.5 ×1026J，為現(xiàn)在全人類一年所消費(fèi)能源總和的一萬倍，這僅僅是太陽釋放能量中極小的一部分。因此如果我們能夠克服太陽能的低密度及不穩(wěn)定性，將這部分“廉價(jià)”的取之不盡的能量利用起來，將永遠(yuǎn)解決人類能源問題。

太陽能制氫分為直接制氫和間接制氫兩種。直接制氫又分為熱分解法和光分解法。熱分解法是指用太陽能的高熱量直接裂解水，得到氫和氧。直接熱解水為氫和氧的反應(yīng)，必須將水加熱至 3000℃以上，反應(yīng)才有實(shí)際應(yīng)用的可能，由于操作溫度太高，在超高溫條件下，除了熱源和材料問題外，如何分離產(chǎn)生的氫和氧也是難題。光分解法基于光量子可以使水和其他含氫化合物分子中氫鍵斷裂的原理，制氫包括許多途徑，主要有光催化法和光電解法等。光催化過程是指含有催化劑的反應(yīng)體系，在光照下由于催化劑存在，促使水解制得氫氣。光電解制氫，利用半導(dǎo)體電極的光化學(xué)效應(yīng)制成太陽能光電化學(xué)電池，以水為原料，在太陽光照下制造氫氣。這些太陽能直接制氫方法目前尚處于基礎(chǔ)研究階段。太陽能間接制氫法主要包括太陽能發(fā)電和電解水制氫。目前已無技術(shù)困難，關(guān)鍵是需要大幅度提高系統(tǒng)效率和降低成本。太陽能發(fā)電包括熱發(fā)電和太陽電池發(fā)電兩種。太陽能—?dú)淠芟到y(tǒng)(簡稱太陽氫)是人類理想的能源系統(tǒng)。太陽氫系統(tǒng)的科學(xué)性主要體現(xiàn)在:（1）能長久的提供人類所需的足夠能量。太陽正源源不斷地向地球提供光和熱。以目前技術(shù)水平，太陽—?dú)淠芟到y(tǒng)的效率最高可達(dá)20%，大規(guī)模應(yīng)用后定能滿足發(fā)展需要。（2）是最環(huán)保的能源系統(tǒng)。利用太陽能制氫，特別是從水中獲取氫氣，再將氫用于燃料電池發(fā)電和供熱，重新生成水。整個(gè)能量利用無污染，可以避免當(dāng)前大規(guī)模利用化石燃料對(duì)地球生態(tài)環(huán)境造成的嚴(yán)重危害，有助于實(shí)現(xiàn)人類在地球上的可持續(xù)發(fā)展。（3）是和平的能源利用方式。地球上的太陽能資源分布相對(duì)均勻，高緯度地區(qū)太陽能分布少，人口分布也稀疏。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們可利用大面積的公海日照實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的太陽能制氫，并實(shí)現(xiàn)低成本、長距離輸氫。

五 副產(chǎn)氫氣是寶電解食鹽水制燒堿、煤煉焦炭、合成氨制化肥以及鋼鐵等多種行業(yè)均產(chǎn)生大量的氫氣副產(chǎn)品。

據(jù)專家估計(jì)，我國獨(dú)立焦化企業(yè)每年放散的焦?fàn)t煤氣超過200億m3，相當(dāng)于損失了 100億m3氫氣。我國 2005年產(chǎn)鋼3.5億噸，實(shí)際冶金消耗的焦炭量約為 2.3億噸。按每生產(chǎn)1噸焦炭可伴生 350m3富含氫氣的焦?fàn)t煤氣計(jì)算，由此可提取 175m3氫氣，折算重量為15.6kg。若把 2005年生產(chǎn)焦炭時(shí)所伴生的焦?fàn)t煤氣全部變壓吸附提氫，則氫氣產(chǎn)量高達(dá) 402.5億 m3，可替代車用汽油 2421.9萬噸。如能采取適當(dāng)?shù)拇胧⑦@些氫氣分離回收，每年可得到上百億立方米的氫氣，替代數(shù)千萬噸汽油，所以說副產(chǎn)氫氣是個(gè)寶。

六 天生我才必有用——每一種制氫方法都有自己的用武之地制造氫氣的技術(shù)多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

在我國和世界范圍內(nèi)，由于存在資源分布不均的現(xiàn)象，人們?cè)谔剿鞲鞣N不同的制造氫氣的方法來滿足不同地區(qū)、不同情況的需要。在利用制氫資源方面，除了繼續(xù)利用礦物資源外，人們正在積極探索利用生物質(zhì)與廢物資源。在利用能源方面，人們?cè)诳紤]利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、核能來電解水制氫。水力發(fā)電高峰時(shí)，將多余的電力用來制備氫氣，當(dāng)電力不夠時(shí)再利用氫燃料電池發(fā)電，實(shí)現(xiàn)發(fā)電與制造氫氣的互補(bǔ)。因此不同的氫氣制備方法對(duì)不同國家和地區(qū)的意義是不一樣的。

21世紀(jì)的氫氣市場需求特性將決定制造氫氣技術(shù)的發(fā)展方向。隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境法規(guī)的日益嚴(yán)格以及社會(huì)對(duì)潔凈的氫能源關(guān)注的加深，氫氣的需求量將穩(wěn)步增長，燃料電池汽車出現(xiàn)后，氫氣的需求又具有分布廣、小型化的特點(diǎn)。因此我們有理由相信在世界范圍內(nèi)多種制造氫氣方法將會(huì)共同發(fā)展。

（轉(zhuǎn)載自：中國氫能源網(wǎng)，來源：《太陽能》）