綠色能源 – 氫循環(huán)– 氫經(jīng)濟(jì)
綠色能源和綠色交通的關(guān)鍵在于使用氫氣作為燃料，用于能量儲存和能練轉(zhuǎn)移過程的工具。因此，所謂的氫循環(huán)（見下頁）就建立起來了，它描繪了從制取超出儲存量到出口再到作為燃料二次制取過程中氫的利用。
由于此循環(huán)中的每個(gè)步驟都有多種方法， 因此建立了一些研究概念來彌合差距，并獲得必要的、尚未完全開發(fā)的技術(shù)。 弗勞恩霍夫研究協(xié)會為德國開發(fā)并發(fā)布了一份氫路線圖，列出了所有研究領(lǐng)域及主題。
下圖列出了氫研究的關(guān)鍵部門：
氫氣路線圖：
路線圖描繪了在不久的將來可能使用氫氣的情況。 關(guān)鍵問題在于儲存和制取，因?yàn)槊總€(gè)步驟都關(guān)乎如何安全有效地存儲氫氣。
另一個(gè)需要解決的問題是，集中制氫還是分散制氫更有前景，是直接作為燃料還是以氨或類似物質(zhì)的形式用作燃料。該部分展示并說明了熱分析在線路圖的每個(gè)點(diǎn)的作用和參與度。
1、氫循環(huán) - 可再生能源資源
氫循環(huán)始于綠色發(fā)電廠產(chǎn)生的氫氣?？稍偕茉吹闹匾獊碓窗ㄋΠl(fā)電廠、風(fēng)力發(fā)電廠、光伏發(fā)電廠、地?zé)岚l(fā)電廠和生物質(zhì)發(fā)電廠，其目標(biāo)是在不排放任何二氧化碳和不產(chǎn)生核廢料的情況下產(chǎn)生足夠的能源。
所有這些都涉及熱分析和材料科學(xué)：
l 從復(fù)合材料的研究出發(fā)，探討復(fù)合材料在風(fēng)力機(jī)葉上的應(yīng)用
l 光伏電池半導(dǎo)體材料的材料優(yōu)化
l 生物質(zhì)直接制氫的優(yōu)化
2、電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（電解、合成燃料）
由于儲存電能相當(dāng)困難，現(xiàn)在的大型發(fā)電廠，如煤電廠和核電站，源源不斷地生產(chǎn)能量，以滿足基本負(fù)荷及易變的負(fù)荷，而燃?xì)怆姀S等則用于補(bǔ)償波動。
由于可再生能源的電力生產(chǎn)受波動影響（例如在夜間、干燥或風(fēng)平浪靜時(shí)），所產(chǎn)生的能量需要存儲，以應(yīng)對不斷波動的能源需求以及可再生能源不連續(xù)發(fā)電的情況。
此外，一些移動設(shè)備（如高檔汽車、卡車、飛機(jī)），需要大量能量，將電能存儲在蓄電池中
是不切實(shí)際的，因?yàn)樗璩叽绲男铍姵貎r(jià)格昂貴且尚未準(zhǔn)備好運(yùn)行。對于這些應(yīng)用，將電能以合成燃料或氫的形式轉(zhuǎn)化為化學(xué)能更方便。由于合成燃料也是一種使用氫生產(chǎn)的燃料，其
主要步驟是通過電解水生產(chǎn)氫。
電解水是通過施加外部電壓將水化學(xué)分離成氧氣和氫氣。由于這種制氫過程需要大量能量，因此也有通過催化劑或反應(yīng)鏈（如煤碳?xì)饣┊a(chǎn)生氫氣的方法。
然而，其目標(biāo)是獲得一種具有高吞吐量和高效率的直接電解。為了提高電解效率，需要優(yōu)化陰極和陽極材料以及催化劑和表面材料。
3、儲氫
由于氫氣是一種極易揮發(fā)的氣體，它的儲存和運(yùn)輸具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性?？梢酝ㄟ^在鋼瓶中壓縮氫氣來存儲，但由于需要高壓（鋼瓶最大壓力可達(dá)700巴）以及相關(guān)的技術(shù)和安全相關(guān)問題（氫會隨時(shí)間擴(kuò)散到任何材料中），優(yōu)先考慮其他技術(shù)。
例如，氫可以通過吸附在或多或少化學(xué)固定的不同種類的材料（金屬有機(jī)框架、沸石、離子液體等）上來儲存。 其中，以金屬氫化物的形式儲存是最有前景的。
在這種情況下，氫通過形成穩(wěn)定的氫化物與金屬表面化學(xué)結(jié)合。 通過使用多孔材料，例如沸石和具有納米孔的合成框架，可以通過擴(kuò)大表面積來優(yōu)化該過程。 在許多材料中，通過控制溫度變化或壓力變化可以很容易地釋放氫氣。不再存在不受控制的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。
4、使用氫作為燃料的設(shè)備和工藝
一旦制取出氫氣并將其儲存起來供移動設(shè)備使用，其高能量密度賦予其多種用途。
最常見的是用作還原劑、燃料、載氣以及合成碳水化合物、氨等分子。氫氣也常用于金屬的燒結(jié)。
含有金屬或金屬氧化物的工件通常是通過將粉末壓縮成所謂的生胚來制造的。這些生坯隨后通過將其加熱到低于熔點(diǎn)的溫度來固化，這一過程稱為燒結(jié)。 在燒結(jié)過程中觀察到尺寸減小。因此，可以通過測量尺寸來研究燒結(jié)過程。這通常在膨脹計(jì)中完成（參見應(yīng)用示例）。
為了避免氧化并降低最終產(chǎn)品的氧化物含量，燒結(jié)可以在含氫氣氛中進(jìn)行，甚至可以在用作催化劑的金屬粉末生坯的純氫燒結(jié)中進(jìn)行。
因?yàn)檎莆樟藲錃獍踩夹g(shù)，林賽斯能夠提供用于純氫氣環(huán)境的膨脹計(jì)。 膨脹計(jì)可用于還原氣氛中的氫燒結(jié)或膨脹測量。 排氣裝置與安全燃燒裝置相連接，該系統(tǒng)與氫氣探測器相連接，在氫氣釋放不受控制的情況下，氫氣探測器可以關(guān)閉該系統(tǒng)并向其注入惰性氣體。
5、燃料電池技術(shù)
然而，最有趣和最常提到的氫的應(yīng)用是燃料電池，具有多種用途，可以為建筑物供電、供暖，也可以為汽車提供動力，增加續(xù)航里程。氫電池是將儲存的氫能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵部分。
在燃料電池中，氫與空氣反應(yīng)生成水。該反應(yīng)不是直接通過燃燒產(chǎn)生熱量，而是在燃料電池
中產(chǎn)生電能：該方案顯示了氫燃料電池的原理圖。
其目的是通過氫氣和氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生所需的電能。在經(jīng)典的直接反應(yīng)中，水是以熱的形式釋放大量能量形成的（想象一下被點(diǎn)燃的氫氧氣體混合物），與此相反，燃料電池有兩個(gè)腔室，包含兩種化合物。
腔室的中間有一層膜，允許氫擴(kuò)散，但其他分子無法擴(kuò)散。 在氧室的膜表面，氫和氧發(fā)生反應(yīng)，從而將水排出。 因此，膜上的氫濃度降低，更多的氫分子向膜移動。氫擴(kuò)散到含氧室，在膜上產(chǎn)生了一些電壓。 這在釋放的能量而非熱量，可用于操作發(fā)動機(jī)。
由于可以控制氫室中的氫濃度，膜上的擴(kuò)散速度可以像汽油驅(qū)動發(fā)動機(jī)一樣輕松控制。因
此，氫氣可用作“燃料”。薄膜上覆蓋著由貴金屬組成的電極材料。 這些金屬作為催化劑，作用于燃料電池的工作條件（溫度、電壓等）。
由于氫驅(qū)動燃料電池可以在高達(dá)1000°C的高溫下工作，并且用于組裝的焊料必須具有熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，因此熱分析再次發(fā)揮作用。燃料電池的工作條件取決于用作催化劑的材料。因此，所有用于表征催化劑的技術(shù)都可以應(yīng)用于氫/燃料電池技術(shù)。
因此，需要了解大量的材料科學(xué)知識，分析技術(shù)有助于研究材料。在本文中，我們將重點(diǎn)討
論熱分析技術(shù)。有些儲氫應(yīng)用在高壓下運(yùn)行，有時(shí)超過100巴，因此加壓分析儀是有用的。
此外，由于氫對氧/空氣的高反應(yīng)性，所有分析技術(shù)都需要采取預(yù)防措施。 因此，所有設(shè)備都必須配備安全裝置，以免發(fā)生爆炸。
