循环制氢和利用生物质转化制氢等, 不仅对各项技术的基本原理做了介绍, 也对相应
的环境, 经济和安全问题做了探讨. 对可再生氢能系统在香港的应用前景做了展望.
关键词: 可再生能源, 氢能, 电解水, 光伏电池, 太阳能热化学循环, 生物质
引言
技术和经济的发展以及人口的增长, 使得人们对能源的需求越来越大. 目前以石
油, 煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源. 一方面, 化石燃料的使用带来了严
重的环境污染, 大量的CO2, SO2, NOx气体以及其他污染物, 导致了温室效应的产生和
酸雨的形成. 另一方面, 由于化石燃料的不可再生性和有限的储量, 日益增长的能源
需求带来了严重的能源危机. 据估计, 按照目前的消耗量, 石油仅仅能维持不到50年,
而煤也只能维持200年. Kazim 和 Veziroglu (2001)[1]指出, 做为主要石油输出国的阿拉
伯联合酋长国, 将在2015年无法满足石油的需求. Abdallah 等人(1999)[2]则宣布, 埃
及的化石燃料资源, 在未来的20年内就会耗尽! 而作为能源需求大国的中国, 目前已
经有超过31%的石油需要进口, 而到2010年, 这一数字将会增长到45-55%[3]!
基于以上所述环境污染和能源短缺的双重危机, 发展清洁的, 可再生的新能源的
要求越来越迫切. 太阳能, 风能, 生物质, 地热能, 潮汐能, 具有丰富, 清洁, 可再
生的优点, 今年来受到了国际社会的广泛关注. 尤其以太阳能, 风能以及生物质能,
更被视为未来能源的主力军. 根据简单估算, 太阳能的利用率为20%时, 利用陆地面积
的0.1% 就足以提供满足当前全球的能量需求[4]. 而中国仅仅依靠风力发电, 就足以
使目前的发电量翻一番[5].然而, 这些可再生资源具有间歇性, 地域特性, 并且不易
储存和运输的特点. 氢, 以其清洁无污染, 高效, 可储存和运输等优点, 被视为最理
想的能源载体. 目前各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统. 在中国, 清
华大学已经进行了在2008年奥运会使用以氢为燃料的汽车的可行性分析,绿色奥运将成
为2008年北京的一道靓丽的风景线 [6]. 在香港政府和香港中华电力(CLP)的支持和资
助下, 可再生氢能源系统在香港的可行性研究也已经在香港大学机械工程系展开. 本
文属于CLP资助的项目的部分内容, 主要归纳总结了利用可再生资源制氢技术的基本原
理, 分析了各项技术的经济性, 对环境的影响以及安全性等关键问题. 通过对比分析
并结合香港的实际情况, 对于香港发展可再生氢能源系统进行了展望.
基于经济因素的考虑, 目前的氢主要是通过化石燃料的重整来制取, 比如天然气汽
化重整(Natural Gas Steam Reforming), 只有大约5%的氢是通过可再生资源的转换制取.
利用太阳能电池和风力发电驱动的电解水反应, 利用太阳能的热化学反应和利用生物质
制氢是最主要的从可再生能源中制取氢的技术. 其他可再生氢的制取技术, 比如生物制
氢, 光电化学技术, 光催化技术和光化学技术, 虽然具备很大发展前景, 但由于还处于
很早期的发展阶段, 其技术发展, 经济性等都还不明朗, 本文不做详细讨论.
1. 电解水制氢
1.1. 电解水基本原理及分类
电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术. 当两个电极(阴
极和阳极)分别通上直流电, 并且浸入水中时, 水将会被分解并在阴极和阳极分别产生
氢气和氧气. 这个过程就是电解水. 这样的装置则为电解槽.
电解水由分别发生在阴极和阳极的两个化学反应组成, 如式(1),(2)和(3):
Anode: H2O electrical energy →
2
1 O2 2H 2e- (1)
Cathode: 2H 2e- → H2 (2)
Overall: H2O electrical energy → H2
2
1 O2 (3)
电解水的基本原理见图1. 在催化剂和直流电的作用下, 水分子在阳极失去电子, 被分
解为氧气和氢离子, 氢离子通过电解质和隔膜到达阴极, 与电子结合生成氢气.
O2 H2
Diaphragm Anode Cathode
e-
H
图1. 电解水的基本原理示意图
Fig.1. Schematics of basic principle of water electrolysis