可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能、地热能等，值得注意的是，这些能源均有同样的载体，即氢。以氢气为基础的化学能也颇受人们关注。在所有的能源中，氢能被认为是最环保的能源。如使用燃料电池技术，将其与氧气反应将化学能转化为电能过程中，仅有水生成，没有任何CO，CO2，NOx，甚至是SOx，污染物排出；另一方面，当将其进行存储时，利用电能或者太阳能将水分解制氢或者高压储氢均不会产生其他有害的气体或者污染物。

对于氢气来说，它具有两个最重要的特点，一是可再生性，利用电能或者热能可以较为容易地得到氢气，如电解水，光催化制氢等技术，经过近几年的发展，这些技术已经较为成熟；同时也可以将氢气与氧气，基于燃料电池技术，进而将化学能转化为电能和热能。其二是可存储性，也即基于氢能的储能技术。如图所示，当电能过剩时，我们可以将其以氢的形式存储起来(右图电解池模式)，当电力短缺时，可以将氢气燃烧而放电(左图燃料电池模式)。这种技术在利用太阳能、风能的电力的使用和存储方面具有很大的优势，不仅可以制备出氢气，而且可以更好地实现不司能源技术的相互转化，优势互补，目前已得到了广泛的关注。

电能及热能向氢能的转代

(1)电解水制氢(电能-氢能系统)

电解水制备氢气是一种传统的制备氢气的方法，也是目前最为成熟的一种工艺。水电解的过程总体来说，是在外加的能源辅助下，水分解产生氧气和氢气的过程。其基本的反应原理如图所示。

这种制氢方法工艺简单，无污染，制备出的氢气纯度高，并且能量利用效率较高，一般在75%~85%，但是其消耗电量很大，电费在总成本中占了近80%的比重所以目前这种方法并不具有很大的优势。电解水制氢采用的主要装置构型就是电解槽，通常来讲，影响电解效率的因素有电解槽的尺寸、电解电压、电流密度、工作时的温度以及压力等。其中最主要的也是最根本的两个因素是电极和电解质的性能。

对于电极来说，其主要的影响在于阴阳极的活化极化，较差的电极尺寸或者形貌会增大电极的过电位，使得电解所需的电压增加，能耗也随之增大，所以提高电极的电催化活性非常关键。一般提高电极活性有两种方法，一种是改进材料的性质；二是尽量增大电极的实际表面积与表观表面积之比。目前广泛使用的是多孔催化电极，因其一方面可以减少电压降，另一方面还对表面生成的气体的排出有利。除此之外，电极的尺寸以及电极板之间的距离也是需要考虑的参数。

而对于电解质来说，其电导率、稳定性、腐蚀性以及经济型都是影响其性能的因素。总体来说，较好的电解质应具有离子电导率高、稳定性好、对槽体和电极等无腐蚀、价格便宜等优点，但是实际上，这种理想的电解质体系很难找到。目前工业上广泛采用的是碱性水溶液作为水电解的电解质，因为其电导率高，并且对钢或者镀镍合金的稳定性很好。由于KOH的离子电导率相比NaOH来说更高，所以从能耗角度出发，目前广泛采用的是KOH作为电解质，如30%左右的KOH水溶液。图16.36为中电制氢公司生产的以KOH为电解质的典型的制氢设备，主要的反应过程是水在电解槽中分解成氢气和氧气，随后分别进入氢、氧分离器分离，沉降下来的KOH溶液进入循环泵获得循环动力，维持整个电解过程的连续进行。分离出来的氢气和氧气经过洗涤、冷凝、除水，最后进行多次纯化得到所需的氢气。利用这种设备实现了以氢气储能的方式平衡电网的峰谷差的目的。除此之外，太阳能、风能等产生的电能由于不能直接并网，可以间接将其用于电解水制氢，从而以氢能的方式储存起来，再进行后期的发电使用。

除了上述传统的水溶液电解质体系外，最近几年还有提出采用固体电解质进行电解水制氢，其中主要有聚合物类和氧化物类两大类。聚合物电解质前期是GE公司开发使用的磺酸基团改性的聚四氟乙烯，它具有良好的热稳定性，抗氧化性，较高的机械强度以及较好的离子透过能力，允许氢离子通过，而阻止气体透过，而在后期主要是采用杜邦公司生产的Nafion膜作为电解质，这种膜成本相对较低，并且电解电压较低。固体电解质一般工作在高温环境中(~1000℃)，这种电解槽一般由多孔的阳极、阴极、固体电解质和连接体组成，固体电解质目前使用较多的是氧化钇稳定的氧化错陶瓷。主要的原理是利用固体电解质的氧离子导电特性，当将高温的水蒸气通过阴极时，其发生分解产生氢气和氧离子，后者通过阴极和固体电解质，在阳极一侧生成氧气，前者经过分离和提纯即可得到纯氢。这种方法因在高温下工作，所以电解电压较低，过电位也相对较小。与此类似的还有高温质子导体如BaCeO3等作为电解质的电解制氢的方法。总的来说，不论是氧离子导体ZrO2还是质子导体BaCeO3，作为电解质，它们的工作原理都是类似的，工作原理如图所示，其中图(b)所代表的工作模式即为电解制氢的模式，而图(c)的模式则为氢气燃烧放电的过程，所以采用这样的一套设备可以实现氢气的存储以及放电过程，达到储能的目的。

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