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(jié)合便構(gòu)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(jié)合并生成水。由于氫、氧結(jié)合不會產(chǎn)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(shù)將會徹底改變?nèi)蚰茉聪到y(tǒng)的發(fā)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?xì)浠衔锖鸵磺猩镔|(zhì)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(gòu)成。因此，氫能若能加以開發(fā)利用，對于我們?nèi)祟惗裕侨≈槐M用之不竭的能源。所以，國內(nèi)外對氫能的開發(fā)研究正方興未艾，將其作為一個國家國計民生的重大戰(zhàn)略措施來看待。可以這樣說：氫能將是本世紀(jì)能源發(fā)展的一大方向。  

現(xiàn)有制氫技術(shù)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(zhì)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(xué)法制氫和生物制氫等。在這些方法中，除了生物制氫技術(shù)外。其它方法都是通過自然界中已經(jīng)存在的碳?xì)浠衔铩?a href="http://www.hntv520.com" title="天然氣" target="_blank">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(jīng)成為了二次能源，它不僅消耗掉了相當(dāng)大的能量，而且所得效率相當(dāng)?shù)停徊⑶以谄渲迫∵^程還對環(huán)境產(chǎn)生了污染。  

　　電解水制氫技術(shù)是目前應(yīng)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(chǎn)生污染，但消耗電量大，因此其應(yīng)用受到一定的限制。目前電解水的工藝、設(shè)備均在不斷的改進(jìn)，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(yīng)是強吸熱反應(yīng)，反應(yīng)時需外部供熱。熱效率較低，反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)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(yīng)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(huán)境代價，而利用效率卻相當(dāng)?shù)汀＜偃缬眠@種形式來滿足我們對能量的需求，而僅僅為了達(dá)到在對能源的末端消費中避免污染，則無疑是舍近求遠(yuǎn)，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(shù)  

為了尋求經(jīng)濟(jì)實用的制氫方法，各國科學(xué)家正在努力探索。近年來已經(jīng)取得了一些進(jìn)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(yīng)和超聲波照射把水完全分解的方法。

4、陶瓷跟水反應(yīng)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(xì)菌制取氫氣。

8、用綠藻生產(chǎn)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(fā)出的460納米～650納米的可見光進(jìn)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(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(dá)1  900小時之久。東京技術(shù)研究所計劃進(jìn)一步研究如何提高氫的產(chǎn)生效率，同時研制能夠在波長更長的可見光照射下發(fā)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(xué)的兩位科學(xué)家發(fā)明了一種低成本的從水中制取氫的方法。他們對催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)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(xué)產(chǎn)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(yīng)和超聲波照射把水完全分解法制氫  

　　有人發(fā)現(xiàn)二氧化鈦經(jīng)光（紫外線）照射可分解水的現(xiàn)象。他們本擬應(yīng)用這一方法制氫，但由于氫和氧的生成量較少，在經(jīng)濟(jì)上不合算而中斷了這一研究。據(jù)最近報道，當(dāng)同時使用光催化劑反應(yīng)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(yīng)”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(jīng)光催化反應(yīng)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(jié)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(chǎn)生大量的氫。  

（4）、陶瓷跟水反應(yīng)制氫

　　有人在300  ℃下，使陶瓷跟水反應(yīng)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(tài)，因而鐵氧體能反復(fù)使用。在每一次反應(yīng)中，平均每克CNF能產(chǎn)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(dǎo)入氨氣，使熔解物成為凝膠狀，再進(jìn)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(jìn)反應(yīng)塔，然后加入二氧化碳、甲烷和水蒸氣。結(jié)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(zhuǎn)化率為80%；溫度為700  ℃時，轉(zhuǎn)化率幾乎達(dá)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(xiàn)階段，C60在高溫條件下才能發(fā)揮功能，不能立刻達(dá)到實用，必須加以改良，制成在低溫條件下也能工作的節(jié)能催化劑。他們開發(fā)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(jié)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(fā)現(xiàn)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?nèi)∫粋€氫原子，使剩余物質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(jié)合成氫分子，而NADP還原為它原來的狀態(tài)繼續(xù)再次被利用。除美國發(fā)現(xiàn)這種酶外，俄羅斯的科學(xué)家也在湖沼里發(fā)現(xiàn)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(chǎn)出的氫氣收集在氫氣瓶里。  

（7）、用細(xì)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(xì)菌可在一定條件下放出氫氣。日本已發(fā)現(xiàn)一種名為“紅極毛桿菌”的細(xì)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(yǎng)素制成培養(yǎng)液，就可以培養(yǎng)出這種細(xì)菌。每消耗5毫米淀粉營養(yǎng)液，就可以產(chǎn)生出25毫升的氫氣。  

　　2.美國宇航部門準(zhǔn)備把一種光合細(xì)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(chǎn)氫  

　　科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)一種新方法，使綠藻按要求生產(chǎn)氫氣。美國伯克利加州大學(xué)科學(xué)家說，綠藻屬于人類已知的最古老植物之一，通過進(jìn)化形成了能生活在兩個截然不同的環(huán)境中的本領(lǐng)。當(dāng)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(xué)物質(zhì)。然而當(dāng)綠藻缺少硫這種關(guān)鍵性的營養(yǎng)成分，并且被置于無氧環(huán)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(chǎn)生氫氣。科學(xué)家介紹，1升綠藻培養(yǎng)液每小時可以產(chǎn)生出3毫升氫氣，但研究人員認(rèn)為，綠藻生產(chǎn)氫氣的效率至少可以提高100倍。  

我國生物制氫技術(shù)領(lǐng)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(fā)達(dá)國家成立了專門機(jī)構(gòu)，制定了生物制氫發(fā)展計劃，以期通過對生物制氫技術(shù)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究，在21世紀(jì)中葉實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。但時至今日，研究進(jìn)程并不理想，許多研究還都集中在細(xì)菌和酶固定化技術(shù)上，離工業(yè)化生產(chǎn)還有很大差距，迄今尚無一例中試結(jié)果。

　　而我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪教授突破了生物制氫技術(shù)必須采用純菌種和固定技術(shù)的局限，開創(chuàng)了利用非固定化菌種生產(chǎn)氫氣的新途徑，并在2000年首次實現(xiàn)了中試規(guī)模連續(xù)流長期持續(xù)產(chǎn)氫。在此基礎(chǔ)上，他們又先后發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)氫能力很高的乙醇發(fā)酵類型，發(fā)明了連續(xù)流生物制氫技術(shù)反應(yīng)器，初步建立了生物產(chǎn)氫發(fā)酵理論，提出了最佳工程控制對策。該項技術(shù)和理論成果在中試研究中得到了充分驗證：氫氣產(chǎn)率比國外同類的小試研究高幾十倍；開發(fā)的工業(yè)化生物制氫系統(tǒng)工藝運行穩(wěn)定可靠，且生產(chǎn)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(nèi)外首創(chuàng)并實現(xiàn)了中試規(guī)模連續(xù)非固定化菌種長期持續(xù)生物制氫技術(shù)，是生物制氫領(lǐng)域的一項重大突破。

世界首例生物制氫生產(chǎn)線在我國啟動      

　　由我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪教授承擔(dān)的國家“863”計劃，“有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)生產(chǎn)性示范工程”，于2005年6月，已經(jīng)在哈爾濱國際科技城——日產(chǎn)1200立方米氫氣生產(chǎn)示范基地一次啟動成功。該工藝具有運行穩(wěn)定可靠、產(chǎn)氫能力大等優(yōu)點。單臺設(shè)備制氫規(guī)模可達(dá)500~1000m3/d，氫氣純度大于99.5%，生產(chǎn)成本低于目前廣泛采用的水電解法。有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)是在現(xiàn)代生物技術(shù)、能源技術(shù)和環(huán)境保護(hù)技術(shù)等三大學(xué)科交叉的基礎(chǔ)上開發(fā)成功，具有顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，發(fā)展前景廣闊。    

　　早在1990年，任南琪教授就帶領(lǐng)科研小組開展了有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)的研究，并在國際上率先開發(fā)出利用生物絮凝體以廢水為原料的發(fā)酵法生物制氫技術(shù)，中試成果曾被評為“2000年中國十大科技進(jìn)展新聞”。歷經(jīng)15年的不懈努力，終于將這一技術(shù)升級至工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模，并開發(fā)出成套設(shè)備，實現(xiàn)了實驗室研究成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。  

　　我國的“有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”，不僅取得了生物制氫的國際領(lǐng)先地位，這項技術(shù)的另一特點，就是可以利用“含碳水化合物的有機(jī)廢水進(jìn)行生物發(fā)酵”，能夠直接用污水來生產(chǎn)清潔能源──氫氣，對于我國的環(huán)境保護(hù)和新能源的開發(fā)利用，做到了一舉兩得、并駕齊驅(qū)。  

　　筆者建議應(yīng)盡快推廣應(yīng)用“有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”，實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，讓這項領(lǐng)先世界的技術(shù)為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出它應(yīng)有的貢獻(xiàn)。希望有遠(yuǎn)見的企業(yè)家能夠搶占先機(jī)，投身到這一前景廣闊的事業(yè)中來，早日開拓，運用這項我國自主知識產(chǎn)權(quán)，去搶占國際市場。生物制氫——必將會是未來制氫的發(fā)展方向！  

氫能，正在朝我們走來

——氫能驅(qū)動燃料電池船在我國面世  

氫能，離我們還有多遠(yuǎn)？

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

　　氫能驅(qū)動燃料電池船以氫燃料電池產(chǎn)生電流，傳導(dǎo)給電機(jī)為動力，直接驅(qū)動船體。根據(jù)實測，利用14立方米氫氣，可使小艇以14公里時速連續(xù)航行5小時。

　　同時，集成在系統(tǒng)中的安全裝置將隨時監(jiān)控艙內(nèi)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(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)、加氫等能源供應(yīng)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(xué)、工業(yè)領(lǐng)域有很大作用。科考船通過探測深海動態(tài)了解海底未知世界，可柴油發(fā)電機(jī)的噪聲和振動往往會使探測數(shù)據(jù)不盡精確，低噪聲的燃料電池驅(qū)動技術(shù)則可避免這個問題。在專運液化天然氣的LNG船上應(yīng)用該技術(shù)，則更加安全、環(huán)保。

氫能，正在朝我們走來，讓我們張開雙臂，迎接他的到來吧！