[科普中国]-氢能

氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，是二次能源。氢能在21世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的能源，氢的制取、储存、运输、应用技术也将成为21世纪备受关注的焦点。氢具有燃烧热值高的特点，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，可持续发展。

氢能简介二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。当今电能就是应用最广的“过程性能源”；柴油、汽油则是应用最广的“含能体能源”。由于“过程性能源”很难大量地直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通运输工具就无法大量使用从发电厂输出来的电能，只能大量使用像柴油、汽油和天然气这一类“含能体能源”。但是随着电动汽车、混合动力车的发展，"过程性能源"也可以部分替代“含能体能源”。随着，人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”，作为二次能源的电能，可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。

特点氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点：

（l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为固体氢。

（2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是很好的传热载体。

（3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

（4）除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

（5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。

（6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氨气外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。

（7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现有的内燃机稍加改装即可使用。

（8）氢可以以气态、液态或固态的氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。1

行业发展前景氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能应用自200年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。

早在1970年，美国通用汽车公司的技术研究中心就提出了“氢经济”的概念。1976年美国斯坦福研究院就开展了氢经济的可行性研究。20世纪90年代中期以来多种因素的汇合增加了氢能经济的吸引力。这些因素包括：持久的城市空气污染、对较低或零废气排放的交通工具的需求、减少对外国石油进口的需要、CO2排放和全球气候变化、储存可再生电能供应的需求等。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向。世界各国如冰岛、中国、德国、日本和美国等不同的国家之间在氢能交通工具的商业化的方面已经出现了激烈的竞争。虽然其它利用形式是可能的（例如取暖、烹饪、发电、航行器、机车），但氢能在小汽车、卡车、公共汽车、出租车、摩托车和商业船上的应用已经成为焦点。

中国对氢能的研究与发展可以追溯到20世纪60年代初，中国科学家为发展本国的航天事业，对作为火箭燃料的液氢的生产、H2/O2燃料电池的研制与开发进行了大量而有效的工作。将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发，则是从20世纪70年代开始的。为进一步开发氢能，推动氢能利用的发展，氢能技术已被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划（能源领域）》。

氢燃料电池技术，一直被认为是利用氢能，解决未来人类能源危机的终极方案。上海一直是中国氢燃料电池研发和应用的重要基地，包括上汽、上海神力、同济大学等企业、高校，也一直在从事研发氢燃料电池和氢能车辆。随着中国经济的快速发展，汽车工业已经成为中国的支柱产业之一。2007年中国已成为世界第三大汽车生产国和第二大汽车市场。与此同时，汽车燃油消耗也达到8000万吨，约占中国石油总需求量的1/4。在能源供应日益紧张的当下，发展新能源汽车已迫在眉睫。用氢能作为汽车的燃料无疑是最佳选择。

虽然燃料电池发动机的关键技术基本已经被突破，但是还需要更进一步对燃料电池产业化技术进行改进、提升，使产业化技术成熟。这个阶段需要政府加大研发力度的投入，以保证中国在燃料电池发动机关键技术方面的水平和领先优势。这包括对掌握燃料电池关键技术的企业在资金、融资能力等方面予以支持。除此之外，国家还应加快对燃料电池关键原材料、零部件国产化、批量化生产的支持，不断整合燃料电池各方面优势，带动燃料电池产业链的延伸。同时政府还应给予相关的示范应用配套设施，并且支持对燃料电池相关产业链予以培育等，以加快燃料电池车示范运营相关的法规、标准的制定和加氢站等配套设施的建设，推动燃料电池汽车的载客示范运营。有政府的大力支持，氢能汽车一定能成为朝阳产业。2

开发利用（1）依靠氢能

1869年俄国著名学者门捷列夫整理出化学元素周期表，他把氢元素放在周期表的首位，此后从氢出发，寻找与氢元素之间的关系，为众多的元素打下了基础，人们则氢的研究和利用也就更科学化了。至1928年，德国齐柏林公司利用氢的巨大浮力，制造了世界上第一艘“LZ-127齐柏林”号飞艇，首次把人们从德国运送到南美洲，实现了空中飞渡大西洋的航程。大约经过了十年的运行，航程16万多公里，使1.3万人领受了上天的滋味，这是氢气的奇迹。

然而，更先进的是本世纪50年代，美国利用液氢作超音速和亚音速飞机的燃料，使B57双引擎辍炸机改装了氢发动机，实现了氢能飞机上天。特别是1957前苏联宇航员加加林乘坐人造地球卫星遨游太空和1963年美国的宇宙飞船上天，紧接着1968年阿波罗号飞船实现了人类首次登上月球的创举。这一切都依靠着氢燃料的功劳。面向科学的21世纪，先进的高速远程氢能飞机和宇航飞船，商业运营的日子已为时不远。过去帝王的梦想将被现代的人们实现。

（2）氢动力汽车

以氢气代替汽油作汽车发动机的燃料，已经过日本、美国、德国等许多汽世公司的试验，技术是可行的，主要是廉价氢的来源问题。氢是一种高效燃料，每公斤氢燃烧所产生的能量为33.6千瓦小时，几乎等于汽油燃烧的2.8倍。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低（容易点着），所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20%。当然，氢的燃烧主要生成物是水，只有极少的氮氢化物，绝对没有汽油燃烧时产生的一氧化碳、二氧化硫等污染环境的有害成分。氢能汽车是最清洁的理想交通工具。

氢能汽车的供氢问题，是将以金属氢化物为贮氢材料，释放氢气所需的热可由发动机冷却水和尾气余热提供。现有两种氢能汽车，一种是全烧氢汽车，另一种为氢气与汽油混烧的掺氢汽车。掺氢汽车的发动机只要稍加改变或不改变，即可提高燃料利用率和减轻尾气污染。使用掺氢5%左右的汽车，平均热效率可提高15%，节约汽油30%左右。因此，近期多使用掺氢汽车，待氢气可以大量供应后，再推广全燃氢汽车。德国奔驰汽车公司已陆续推出各种燃氢汽车，其中有面包车、公共汽车、邮政车和小轿车。以燃氢面包车为例，使用200公斤钛铁合金氢化物为燃料箱，代替65升汽油箱，可连续行车130多公里。德国奔驰公司制造的掺氢汽车，可在高速公路上行驶，车上使用的储氢箱也是钛铁合金氢化物。

掺氢汽车的特点是汽油和氢气的混合燃料可以在稀薄的贫油区工作，能改善整个发动机的燃烧状况。在中国许当城市交通拥挤，汽车发动机多处于部分负荷下运行、采用掺氢汽车尤为有利。特别是有些工业余氢（如合成氨生产）未能回收利用，若作为掺氢燃料，其经济效益和环境效益都是可取的。

（3）氢能发电

大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但是各种用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电就最适合抢演这个角色。利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，维修方便，启动迅速，要开即开，欲停即停。在电网低负荷时，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。另外，氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电，利用液氢冷却发电装置，进而提高机组功率等。

更新的氢能发电方式是氢燃料电池。这是利用氢和氧（成空气）直接经过电化学反应而产生电能的装置。换言之，也是水电解槽产生氢和氧的逆反应。70年代以来，日美等国加紧研究各种燃料电池，现已进入商业性开发，日本已建立万千瓦级燃料电池发电站，美国有30多家厂商在开发燃料电池.德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究，这种新型的发电方式已引起世界的关注。

燃料电池的简单原最巧是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能源转换效率可达60%-80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。最早，这种发电装置很小，造价很高，主要用于宇航作电源。现已大幅度降价，逐步转向地面应用。燃料电池的种类很多，主要有以下几种：

（4）磷酸盐型燃料电池

磷酸盐型燃料电池是最早的一类燃料电池，工艺流程基本成熟，美国和日本已分别建成4500千瓦及11 000千瓦的商用电站。这种燃料电池的操作温度为200℃，最大电流密度可达到150毫安/平方厘米，发电效率约45%，燃料以氢、甲醇等为宜，氧化剂用空气，但催化剂为铂系列，发电成本尚高，每千瓦小时约40～50美分。

（5）融熔碳酸盐型燃料

融熔碳酸盐型燃料电池一般称为第二代燃料电池，其运行温度650℃左右，发电效率约55%，日本三菱公司已建成10千瓦级的发电装置。这种燃料电池的电解质是液态的，由于工作温度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氢、一氧化碳、天然气等均可。氧化剂用空气。发电成本每千瓦小时可低于40美分。

（6）固体氧化物电池

固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池，其操作温度1000℃左右，发电效率可超过60%，不少国家在研究，它适于建造大型发电站，美国西屋公司正在进行开发，可望发电成本每千瓦小时低于20美分。

此外，还有几种类型的燃料电池，如碱性燃料电池，运行温度约200℃，发电效率也可高达60%，且不用贵金属作催化剂，瑞典已开发200千瓦的一个装置用于潜艇。美国最早用于阿波罗飞船的一种小型燃料电池称为美国型，实为离子交换膜燃料电池，它的发电效率高达75%，运行温度低于100℃，但是必需以纯氧作氧化剂。后来，美国又研制一种用于氢能汽车的燃料电池，充一次氢可行300公里，时速可达100公里，这是一种可逆式质子交换膜燃料电池，发电效率最高达80%。

燃料电池理想的燃料是氢气，因为它是电解制氢的逆反应。燃料电池的主要用途除建立固定电站外，特别适合作移动电源和车船的动力，因此也是今后氢能利用的孪生兄弟。

（7）家庭用氢

随着制氢技术的发展和化石能源的缺少，氢能利用迟早将进入家庭，首先是发达的大城市，它可以像输送城市煤气一样，通过氢气管道送往千家万户。每个用户则采用金属氢化物贮罐将氢气贮存，然后分别接通厨房灶具、浴室、氢气冰箱、空调机等等，并且在车库内与汽车充氢设备连接。人们的生活靠一条氢能管道，可以代替煤气、暖气甚至电力管线，连汽车的加油站也省掉了。这样清洁方便的氢能系统，将给人们创造舒适的生活环境，减轻许多繁杂事务。

氢能的储存氢的储存是一个至关重要的技术，已经成为氢能利用走向规模化的瓶颈。储氢问题涉及氢生产、运输、最终应用等所有环节，储氢问题不解决，氢能的应用则难以推广。氢是气体，它的输送和储存比固体煤、液体石油更困难。一般而论，氢气可以气体、液体、化合物等形态储存。氢的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢和储氢材料储氢等。

高压气态储氢是最常用的氢气储存方式，也是最成熟的储氢技术，氢气被压缩后在钢瓶里以气体形式储存。应用较广泛的是灌装压力为15.2MPa的储氢钢瓶，它是一种应用广泛、简便易行的储氢方式，成本低，充放气速度快，且在常温下就可以进行。但是，它最大的弱点是单位质量的储氢密度只有1%（质量分数）左右，无法满足更高应用的要求。因此，需在满足安全性的前提下，通过材料和结构的改进来提高容器的储氢压力以增大储氢密度，同时降低储氢的成本，满足商业应用。

低温液念储氢是指在在101kPa下，氢气冷冻到-253℃以下即变为液态氢。液化氢气具有存储效率高、能量密度大( 12~34MJ/kg)、成本高的特点。氢的液化需要消耗大量的能源。理论上，氢的液化消耗28.9kJ/mol能量，实际过程消耗的能量大约是理论值的2.5倍，每千克液态氢耗能在11.8MJ以上j因为液化温度与室温之间有200℃以上的温差，加之液态氢的蒸发潜热较小，所以不能忽略从容器渗进来的侵入热量引起的液态氢的气化。罐的表面积与半径的二次方成正比，而液态氢的体积则与半径的三次方成正比，所以由渗透热量引起的大型罐的液态氢气化比例要比小型罐的小。因此，液态储氢的适用条件是存储时间长、气体量大、电价低廉。3

氢能的运输氢能的运输主要包括压缩氢气的运输、液态氢的运输、利用储氢介质输送、利用管道输送和制造原料的输送。压缩氢气的运输是把氢气压缩成高压气体后进行的输送，适用于往离站制氢型加氢站输送的场合。该方法的特点是在输送、储存、消费过程中不发生相变，能量损失小，但一次输送的量也比较少，因此适合距离较近、输送量少的场合。如果是实验室用等小规模场合，一般可采用氢气瓶来输送压缩氢气，而加氢站的场合则需要大规模的输送方法，为此开发出了转载大型高压容器的牵引车。对牵引车输送来说，重要的是一次可输送的量，，但是行驶在普通道路上的牵引车的大小要受到道路交通法的限制，尤其是对质量和大小的管制。由于钢制容器过重，无法提高装载量，正努力实现轻型化及高压化，从而提高氢气装载量。

液态氢输送的原理和压缩氢气差不多，主要区别是储存罐装的是液态氢，对保温性能要求更高。因为液态氢制造时的液化效率低，因此会导致整体输送的能量效率降低。另外，将液态氢从液氢罐转移到加氢站储氢罐里时，不能忽略把配管冷却到液态氢温度时的蒸发损失。此外，防止水蒸气、氮气、氧气等可能聚集于液氢罐内的物质的混入也是很重要的。可以看出，当运输的规模较大时，有利于提高能量效率，降低运输成本。

利用储氢介质输送是利用储氢技术把氢吸收于载体进行输送的方法。但是上述的几种储氢载体的储氢质量百分比较低，意味着，运输相同质量的氢，该种方法总质量更大。可知，运输过程中为了降低运输成本，质量的重要性要高于体积，所以这是该方法的主要缺点。以有机氢化物为例介绍该种方法。通过一定的条件将氢气与环己烷进行反应生成液态的苯，之后将苯储存在油罐中，然后利用油罐车将苯运送到目的地，再通过一定的化学反应将苯进行脱氢分离得到氢气。

管道输送无论在成本上还是在能量消耗上都将是非常有利的方法。在大型工业联合企业，氢气的管道输送已被实用化。人们正在研究发挥管道特色的新组合j例如，利用现有的城市煤气管道输送天然气和氢气的混合物，在加氢站里根据需要抽取提纯氢气的设想正在探讨之中。如果把管道本身的压力提高，则在加氢站里不需要压缩机。由于氢气的储存输送有着或多或少技术问题或者经济问题，所以可以直接把制氢原料运送到加氢站，然后制备氢气直接进行使用或储存。常见原料有各种烃类物质、甲醇等，这些原料的运输技术成熟，成本较低。但是要求加氢站的规模较大，才有较好的效益。2

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学