氫能，正在朝我們走來

　　生命的源頭——取之不盡的氫

　　我們都知道，2個氫原子與1個氧原子相結合便構成了一個水分子。氫氣在氧氣中易燃燒釋放熱量，然后氫便和氧結合并生成水。由于氫、氧結合不會產生CO2、SO2、煙塵等污染物，所以氫被看作是未來理想的潔凈能源，有“未來石油”之稱。也可用于燃料電池中，氫能和燃料電池技術將會徹底改變全球能源系統的發展方向。  

　　氫是自然界最豐富的元素，它存在于淡水、海水之中，也存在于碳氫化合物和一切生命物質中。我們常說：“水是生命之源”，而水的源頭便是氫，氫是“水之源”，  追本溯源，氫才是我們這個星球中一切生命的真正源頭。地球表層三分之二的面積，都由水覆蓋著、主宰著，而其中的三分之二都由氫構成。因此，氫能若能加以開發利用，對于我們人類而言，是取之不盡用之不竭的能源。所以，國內外對氫能的開發研究正方興未艾，將其作為一個國家國計民生的重大戰略措施來看待。可以這樣說：氫能將是本世紀能源發展的一大方向。  

現有制氫技術之弊

　　就目前而言，氫能作為“二次能源”，國際上的氫能制備來自于礦石燃料、生物質和水，工藝主要有電解制氫、熱解制氫、光化制氫、放射能水解制氫、等離子電化學法制氫和生物制氫等。在這些方法中，除了生物制氫技術外。其它方法都是通過自然界中已經存在的碳氫化合物——天然氣、煤、石油等一次能源中提取出來的，這種方法制取所得的氫，已經成為了二次能源，它不僅消耗掉了相當大的能量，而且所得效率相當低；并且在其制取過程還對環境產生了污染。  

　　電解水制氫技術是目前應用較廣且比較成熟的方法之一。以水為原料制氫過程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式一定的能量，則可使水分解成氫氣和氧氣。提供電能使水分解制得的氫氣的效率一般在75％－85％。其中工藝過程比較簡單，也不會產生污染，但消耗電量大，因此其應用受到一定的限制。目前電解水的工藝、設備均在不斷的改進，但電解水制氫能耗仍然很高。      

　　烴類水蒸汽重整制氫。烴類水蒸汽重整制氫反應是強吸熱反應，反應時需外部供熱。熱效率較低，反應溫度較高，反應過程中水大量過量，能耗較高，造成資源的浪費。    

　　重油氧化制氫重整方法，反應溫度較高，制得的氫純度低，也不利于能源的綜合利用。  

　　因此，用這些方式來制取氫，不僅要付出很高的制造成本，還要付出環境代價，而利用效率卻相當低。假如用這種形式來滿足我們對能量的需求，而僅僅為了達到在對能源的末端消費中避免污染，則無疑是舍近求遠，得不償失，是絕對不可取的，還不如直接利用這些化石能源的好。

國外制氫技術  

為了尋求經濟實用的制氫方法，各國科學家正在努力探索。近年來已經取得了一些進展。如：  

1、用氧化亞銅做催化劑從水中制氫氣。

2、用新型的鉬的化合物從水中制氫氣。

3、用光催化劑反應和超聲波照射把水完全分解的方法。

4、陶瓷跟水反應制取氫氣。

5、甲烷制氫氣。

6、從微生物中提取的酶制氫氣。

7、從細菌制取氫氣。

8、用綠藻生產氫氣。  

（1）.用氧化亞銅做催化劑從水中制氫氣  

　　有研究人員將0.5克氧化亞銅粉末添加入200立方厘米的蒸餾水中，然后用一盞玻璃燈泡中發出的460納米～650納米的可見光進行照射，在氧化亞銅催化劑的作用下，水分解成氫和氧。用這種方法共進行了30次實驗，從分解的水中得到了不同比例的氫和氧。試驗中發現，如果得到的氧的壓力增加到500帕斯卡，水的分解過程就減慢。氧化亞銅粉末的使用壽命可達1  900小時之久。東京技術研究所計劃進一步研究如何提高氫的產生效率，同時研制能夠在波長更長的可見光照射下發揮活性的催化劑，該研究所正在試驗一種新的含銅鐵合金的氧化物。  

（2）、用新型的鉬的化合物從水中制氫

　　西班牙瓦倫西亞大學的兩位科學家發明了一種低成本的從水中制取氫的方法。他們對催化轉化器進行改造，使水分解時僅需很少的成本。他們用一種從鉬中獲取的化學產品做催化劑，而不使用電能。他們說，如果用氫作原料，從半升水中制得的氫足以使一輛小汽車行駛633公里。

（3）、用光催化劑反應和超聲波照射把水完全分解法制氫  

　　有人發現二氧化鈦經光（紫外線）照射可分解水的現象。他們本擬應用這一方法制氫，但由于氫和氧的生成量較少，在經濟上不合算而中斷了這一研究。據最近報道，當同時使用光催化劑反應和超聲波照射的方法能夠把水完全分解。這種“超聲波光催化劑反應”所以能使水完全分解，是由于在超聲波的作用下，水可被分解為氫和雙氧水，而雙氧水經光催化反應又可分解成氧和氫。不過超聲波照射和二氧化鈦光催化劑雖然獲得了完全分解水的結果，但氫的生成量卻較少。在添加二氧化錳后，再用超聲波照射，二氧化錳分解后的錳離子可溶解到溶液中，使雙氧水產生大量的氫。  

（4）、陶瓷跟水反應制氫

　　有人在300  ℃下，使陶瓷跟水反應制得了氫。他們在氬和氮的氣流中，將炭的鎳鐵氧體（CNF）加熱到300℃，然后用注射針頭向CNF上注水，使水跟熱的CNF接觸，就制得氫。由于在水分解后CNF又回到了非活性狀態，因而鐵氧體能反復使用。在每一次反應中，平均每克CNF能產生2立方厘米～3立方厘米的氫氣。  

（5）、甲烷制氫氣

1.用鎳鉑稀土元素氧化物制氫

　　有人用鎳鉑稀土元素氧化物多孔催化劑，使甲烷、二氧化碳和水生成了氫氣。催化劑中鎳、稀土元素氧化物和鉑的組成比例為10:65:0.5。其制備過程是，先將鎳、稀土元素氧化物等原料加熱熔解，然后導入氨氣，使熔解物成為凝膠狀，再進行干燥、熱處理。這種催化劑微粒孔徑為2納米～100納米，具有很高的催化活性。乾智行教授將該催化劑裝進反應塔，然后加入二氧化碳、甲烷和水蒸氣。結果，在常壓及550  ℃～600  ℃條件下，生成物為氫氣和一氧化碳，升溫至650  ℃，其轉化率為80%；溫度為700  ℃時，轉化率幾乎達到100%。

2.用C60作催化劑從甲烷制氫  

　　有人用C60作催化劑，從甲烷制得氫氣。在現階段，C60在高溫條件下才能發揮功能，不能立刻達到實用，必須加以改良，制成在低溫條件下也能工作的節能催化劑。他們開發的催化劑，是在碳粉里摻10%的C60。在加熱到1  000  ℃的容器里，放入0.1克催化劑，以1分鐘流入20毫升甲烷的速度作實驗，結果90%的甲烷分解成氫和碳。C60用作催化劑，可用水洗凈表面，除去附著的殘存碳素，理論上可半永久使用。由于形狀獨特，粒子表面面積為活性炭的5倍到10倍，因而作催化劑用時功能較強。  

（6）、用微生物提取酶制氫

1.葡萄糖脫氧酶。

　　美國橡樹岑國家實驗室從熱原體乳酸菌中提取葡萄糖脫氧酶。熱原體乳酸菌首先是在美國礦井中的低溫干餾煤渣中發現的。葡糖脫氧酶在磷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADP）的幫助下，能從葡萄糖中提取氫。在制取氫的過程中，NADP從葡萄糖中剝取一個氫原子，使剩余物質變成氫原子溶液。  

2.氫化酶。

　　這種酶是從曾在海底火山口附近發現的一種微生物中提取的。氫化酶的作用是使NADP攜載的氫原子結合成氫分子，而NADP還原為它原來的狀態繼續再次被利用。除美國發現這種酶外，俄羅斯的科學家也在湖沼里發現了這種微生物。他們把這種微生物放在適合于它生存的特殊器皿里，然后將微生物產出的氫氣收集在氫氣瓶里。  

（7）、用細菌制取氫

　　1.許多原始的低等生物在其新陳代謝的過程中也可放出氫氣。例如，許多細菌可在一定條件下放出氫氣。日本已發現一種名為“紅極毛桿菌”的細菌，就是制氫的能手。在玻璃器皿里，以淀粉作原料，摻入一些其他營養素制成培養液，就可以培養出這種細菌。每消耗5毫米淀粉營養液，就可以產生出25毫升的氫氣。  

　　2.美國宇航部門準備把一種光合細菌—紅螺菌帶到太空去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。  

（8）、用綠藻生產氫  

　　科學家們已發現一種新方法，使綠藻按要求生產氫氣。美國伯克利加州大學科學家說，綠藻屬于人類已知的最古老植物之一，通過進化形成了能生活在兩個截然不同的環境中的本領。當綠藻生活在平常的空氣和陽光中時，它像其他植物一樣具有光合作用。光合作用利用陽光，水和二氧化碳生成氧氣和植物維持生命所需要的化學物質。然而當綠藻缺少硫這種關鍵性的營養成分，并且被置于無氧環境中時，綠藻就會回到另一種生存方式中以便存活下來，在這種情況下，綠藻就會產生氫氣?？茖W家介紹，1升綠藻培養液每小時可以產生出3毫升氫氣，但研究人員認為，綠藻生產氫氣的效率至少可以提高100倍。  

我國生物制氫技術領先國際

　　生物制氫思路1966年提出，90年代受到空前重視。從90年代開始，德、日、美等一些發達國家成立了專門機構，制定了生物制氫發展計劃，以期通過對生物制氫技術的基礎性和應用性研究，在21世紀中葉實現工業化生產。但時至今日，研究進程并不理想，許多研究還都集中在細菌和酶固定化技術上，離工業化生產還有很大差距，迄今尚無一例中試結果。

　　而我國哈爾濱工業大學任南琪教授突破了生物制氫技術必須采用純菌種和固定技術的局限，開創了利用非固定化菌種生產氫氣的新途徑，并在2000年首次實現了中試規模連續流長期持續產氫。在此基礎上，他們又先后發現了產氫能力很高的乙醇發酵類型，發明了連續流生物制氫技術反應器，初步建立了生物產氫發酵理論，提出了最佳工程控制對策。該項技術和理論成果在中試研究中得到了充分驗證：氫氣產率比國外同類的小試研究高幾十倍；開發的工業化生物制氫系統工藝運行穩定可靠，且生產成本明顯低于目前廣泛采用的水電解法制氫成本。該項研究在國內外首創并實現了中試規模連續非固定化菌種長期持續生物制氫技術，是生物制氫領域的一項重大突破。

世界首例生物制氫生產線在我國啟動      

　　由我國哈爾濱工業大學任南琪教授承擔的國家“863”計劃，“有機廢水發酵法生物制氫技術生產性示范工程”，于2005年6月，已經在哈爾濱國際科技城——日產1200立方米氫氣生產示范基地一次啟動成功。該工藝具有運行穩定可靠、產氫能力大等優點。單臺設備制氫規?？蛇_500~1000m3/d，氫氣純度大于99.5%，生產成本低于目前廣泛采用的水電解法。有機廢水發酵法生物制氫技術是在現代生物技術、能源技術和環境保護技術等三大學科交叉的基礎上開發成功，具有顯著的環境效益、經濟效益和社會效益，發展前景廣闊。    

　　早在1990年，任南琪教授就帶領科研小組開展了有機廢水發酵法生物制氫技術的研究，并在國際上率先開發出利用生物絮凝體以廢水為原料的發酵法生物制氫技術，中試成果曾被評為“2000年中國十大科技進展新聞”。歷經15年的不懈努力，終于將這一技術升級至工業化應用規模，并開發出成套設備，實現了實驗室研究成果向現實生產力的轉化。  

　　我國的“有機廢水發酵法生物制氫技術”，不僅取得了生物制氫的國際領先地位，這項技術的另一特點，就是可以利用“含碳水化合物的有機廢水進行生物發酵”，能夠直接用污水來生產清潔能源──氫氣，對于我國的環境保護和新能源的開發利用，做到了一舉兩得、并駕齊驅。  

　　筆者建議應盡快推廣應用“有機廢水發酵法生物制氫技術”，實現工業規模化生產，讓這項領先世界的技術為國家經濟建設作出它應有的貢獻。希望有遠見的企業家能夠搶占先機，投身到這一前景廣闊的事業中來，早日開拓，運用這項我國自主知識產權，去搶占國際市場。生物制氫——必將會是未來制氫的發展方向！  

氫能，正在朝我們走來

——氫能驅動燃料電池船在我國面世  

氫能，離我們還有多遠？

　　2006年1月9日，國內第一艘以氫為能源的燃料電池船在上海海事大學問世。這一與國際研究同步的成果，零污染、低噪聲。

　　氫能驅動燃料電池船以氫燃料電池產生電流，傳導給電機為動力，直接驅動船體。根據實測，利用14立方米氫氣，可使小艇以14公里時速連續航行5小時。

　　同時，集成在系統中的安全裝置將隨時監控艙內空氣的含氫量，萬一鋼瓶泄漏，立刻蜂鳴報警。這艘船“吸入”的是氫氣，“吐出”的是氫氧經過化學反應產生的“純凈水”。只要船上的排廢管道潔凈，這些“吐出”的水就可以直接飲用。隨著氫生產、加氫等能源供應鏈日益完善，燃料電池船的成本將大幅下降。 

       燃料電池船在科學、工業領域有很大作用。科考船通過探測深海動態了解海底未知世界，可柴油發電機的噪聲和振動往往會使探測數據不盡精確，低噪聲的燃料電池驅動技術則可避免這個問題。在專運液化天然氣的LNG船上應用該技術，則更加安全、環保。

氫能，正在朝我們走來，讓我們張開雙臂，迎接他的到來吧！