高空气象观测制氢技术体制探讨

摘要：本文介绍了几种适用于高空气象观测的制氢技术体制的工作原理、工艺流程以及优点和存在的问题，旨在通过对制氢技术体制的探讨分析，给高空气象观测系统氢气制备的选取提供一种思路。

关键词：高空气象探测；制氢技术；制氢设备

1概述

就目前的常规高空气象观测而言，主要的观测手段是施放探空气球携带探空仪升空进行气象要素探测。探空气球充气后，携带探空仪以规定的升速升至35km及以上高度，在上升过程中对各高度的大气温度、湿度、气压、风速和风向等参数进行测量，这些数据对天气预报、气候研究和灾害监测至关重要。探空气球是探空仪升空的载体，充灌探空气球的气体一般为氦气或氢气，氦气属于惰性气体，具有不可燃的特点，可以避免着火、甚至爆炸的危险。不过，氦气只限于几个拥有丰富天然资源的国家使用，大部分国家，包括我国普遍使用氢气。因此对高空气象观测而言，氢气的提供就显得尤为重要。

目前，我国高空气象观测领域采用的制氢技术体制主要有：制氢筒制氢、水电解制氢、甲醇裂解制氢、硼氢化钠制氢。本文对这四种制氢技术体制的制氢原理、制氢流程、优点及存在的问题等方面进行了比较分析，便于指导气象部门选择适宜的氢气制取方法，以满足高空气象探测不同的使用需求。

2制氢技术体制

2.1制氢筒制氢

制氢筒制氢（苛性钠化学制氢）是目前部队获取氢气主要采用的一种方法，制氢的原料为氢氧化钠（NaOH）、硅铁粉（SiFe2）和水（H2O）。制氢模式采用的制氢筒，包括筒体、头部和支架。

1）制氢原理

苛性钠是一种强碱，能够与多种物质发生化学反应。硅铁粉主要由硅和铁组成，作为还原剂参与化学反应。当苛性钠与硅铁粉在适当的条件下反应时，会产生氢气。制氢筒制氢的原理是：制氢时，在制氢筒内加入苛性钠、硅铁粉与水的制氢原料，通过产生化学反应，生成硅酸钠、氧化亚铁和氢气。其化学反应方程式为：

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2）工艺流程

（1）准备材料‌：苛性钠、硅铁粉、反应容器（如制氢筒或反应釜）、加热设备、收集氢气的装置等。

（2）‌混合材料‌：将漏斗装在制氢筒口上，先倒入苛性钠，然后倒入四分之三的水，再将硅铁粉倒入制氢筒内。用余下的四分之一水，冲洗漏斗和筒口螺纹

（3）制取氢气‌：将制氢筒头部立即安装在制氢筒上，迅速旋紧大螺帽，适当拧紧制动螺旋。推动筒身使它来回摆动，促使筒内制氢原料混合加速化学反应，随着反应的进行，氢气会逐渐产生。原料开始反应时，先放出筒内残余空气，再把开关轮柄拧紧；当压力表指示将要超过12MPa时，停止摇筒，慢慢拧松开关轮柄，放出部分氢气，使筒内氢气压力保持在12MPa或以内，保证安全。

3）优点及存在的问题

苛性钠制氢筒制氢方法仅适用于高空气象观测的小球测风应用，具有制作简单、消耗材料供给畅通、无需外部电源、反应速度快、适合偏远地区使用等优点。但是苛性钠制氢筒制氢方法制氢过程不可控、不能连续自动制取氢气、产出氢气含水量高，且产生的氢气为热氢，需降温、干燥后才能使用，操作使用存在安全隐患。另一方面，苛性钠制氢筒制氢产生的副产物不易处理，具有腐蚀性，对环境污染大，气象台站也正探讨取消这种制氢方法。

2.2水电解制氢

1）制氢原理

水电解制氢是一种通过电解去离子水产生氢气和氧气的过程，其基本原理和过程如下：

在直流电的作用下，电解液中的水分子在电解槽中通过电化学反应被分解成氢气和氧气。反应遵循法拉第定律，气体产量与电流和通电时间成正比。化学反应方程式如下：

阴极：4H2O+4e-→2H2↑+ 4OH-

阳极：4OH--4e-→2O2↑+2H2O

总反应：2H2O→2H2↑+ O2↑

2）工艺流程

（1）水分解。水分解是指选择合适的电流来实现水的电解，将水通过电解使其分解成氢气和氧气。电解是在电解槽中进行的，它由一组电极和一个电解溶液组成，电极将电流传递到电解溶液中的，电流就会将水分解成氢气和氧气。

（2）氢气回收。氢气从电解槽的左右端极板流出后，进入氢分离器。氢气回收主要是利用氢分离器内化学吸附剂或者膜分离技术来将氢气从氧气中分离出来，从而得到纯净的氢气。

（3）氧气回收。氧气可以单独回收或通过将氧气和氢气重新混合，从而重新得到水。

3）优点及存在的问题

气象站使用水电解制氢的优点主要包括以下几个方面：

（1）环保友好：电解水制氢过程中产生的唯一排放物是氧气，反应过程中不产生温室气体或其他污染物，因此对环境友好。

（2）高效生产：水电解制氢技术可以在有稳定电网的偏远或孤立的气象站等地理位置高效生产氢气，生成的氢气纯度通常可达99.9%以上。

（3）高纯度：采用现代电解技术如质子交换膜（PEM）水电解制氢，可以获得高纯度的氢气，这对于高空气象观测和科研应用非常重要。

（4）适应性强：气象站通常位于偏远地区，电解水制氢系统可以设计为独立运行，适应性强。

水电解制氢存在的主要问题：

（1）能耗较高。一是水电解制氢需要消耗大量的电能，电费成本在水电解制氢设备的总成中占比高达73%，设备运行需要稳定的电力供应，在电力基础设施不完善的偏远地区使用受限；二是制氢需要消耗大量纯水，在水资源匮乏的地区可能面临用水问题，纯水制备过程也会增加设备复杂性和运行成本。

（2）设备成本高。水电解制氢所需的设备，如电解槽、电极、过滤系统、氢气分离器等，特别是质子交换膜（PEM）电解槽等先进设备，其成本在水电解制氢设备的总成中占比较大。

2.3甲醇裂解制氢

1）制氢原理

甲醇裂解制氢原料分别有预热原料、裂解原料及空气。预热原料与空气在催化剂作用下发生放热反应，为裂解原料提供原料汽化的热量；裂解原料汽化后，产生纯度约为75%的高温氢气；高温氢气经过降温干燥后，再进行变压吸附提纯，最后获得99.9%以上的优质氢气。

化学反应方程式如下：

主反应：CH3OH＝CO＋2H2

CO＋H2O＝CO2＋H2

副反应1：2CH3OH＝CH3OCH3＋H2O

副反应2：CO＋3H2＝CH4＋H2O

总反应：CH3OH＋H2O＝CO2＋3H2

2）工艺流程

裂解装置加热裂解原料并将反应室温度维持在240℃～280℃，裂解原料在该温度环境下进行反应。PSA提纯装置对裂解气进行吸附提纯，提纯后的氢气输送至储气单元。

（1）甲醇原料裂解。预热原料泵与空气泵分别将预热原料与空气输送至反应室，在反应室催化剂的作用下，空气与预热原料发生放热反应。裂解原料泵将裂解原料输送至汽化室，裂解原料吸收热量后汽化，在裂解装置中产生氢气纯度约为75％高温裂解气。

（2）PSA提纯。高温裂解气经过换热室、散热装置、气水分离器降温干燥后，输送至PSA提纯装置进行提纯。PSA提纯装置中的分子筛是一种对CO、CO2等气体具有选择吸附性的固体吸附剂，控制系统通过压力传感器监测提纯吸附塔的压力，控制相关电磁阀的开启状态，实现不同提纯状态的压力，可对裂解气中的CO、CO2进行吸附与排放，达到提纯氢气的目的。将纯度约为75％的裂解气纯化至99.9%以上的优质氢气后，输送至储气装置。

3）优点及存在的问题

甲醇裂解制氢具有绿色环保、产氢量大、氢气纯度高、单位能耗低、原料来源方便、设备占地面积小、制氢过程自动化程度高、操作简单便捷、安全性好等特点，完全能够满足高空气象探测系统的连续用氢需求，是国际气象组织推荐用于高空气象探测的一种供氢方式。甲醇裂解制氢技术是一种较为成熟的制氢技术，如在催化剂、系统集成有技术突破，可提高反应率和转化率。

2.4硼氢化钠水解制氢

1）制氢原理

硼氢化钠（NaBH4）作为一种强还原剂，在催化剂作用下，硼氢化钠在水中会发生水解反应，将水中的氢气还原，反应如下：

参考文献：

（1）《GB/T19774-2005 水电解制氢系统技术要求》

（2）《GB/T34540-2017 甲醇转化变压吸附制氢系统技术要求》