氫能

二次能源是聯繫一次能源和能源用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“含能體能源”。當今電能就是應用最廣的“過程性能源”；柴油、汽油則是應用最廣的“含能體能源”。由於“過程性能源”很難大量地直接貯存，因此汽車、輪船、飛機等機動性強的現代交通運輸工具就無法大量使用從發電廠輸出來的電能，只能大量使用像柴油、汽油和天然氣這一類“含能體能源”。但是隨著電動汽車、混合動力車的發展，"過程性能源"也可以部分替代“含能體能源”。隨著，人們將目光也投向尋求新的“含能體能源”，作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生產出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能、核燃料等均可直接生產電能。而作為二次能源的汽油和柴油等則不然，生產它們幾乎完全依靠化石燃料。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規能源危機的出現、在開發新的二次能源的同時人們期待的新的二次能源。

氫位於元素周期表之首，它的原子序數為1，在常溫常壓下為氣態，在超低溫高壓下又可成為液態。作為能源，氫有以下特點：

（l）所有元素中，氫重量最輕。在標準狀態下，它的密度為0.0899g/L；在-252.7°C時，可成為液體，若將壓力增大到數百個大氣壓，液氫就可變為固體氫。

（2）所有氣體中，氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的導熱係數高出10倍，因此在能源工業中氫是很好的傳熱載體。

（3）氫是自然界存在最普遍的元素，據估計它構成了宇宙質量的75%，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態貯存於水中，而水是地球上最廣泛的物質。據推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。

（4）除核燃料外氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142,351kJ/kg，是汽油發熱值的3倍。

（5）氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃範圍，而且燃點高，燃燒速度快。

（6）氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氨氣外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質，少量的氨氣經過適當處理也不會污染環境，而且燃燒生成的水還可繼續制氫，反覆循環使用。

（7）氫能利用形式多，既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械功，又可以作為能源材料用於燃料電池，或轉換成固態氫用作結構材料。用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造現有的內燃機稍加改裝即可使用。

（8）氫可以以氣態、液態或固態的氫化物出現，能適應貯運及各種應用環境的不同要求。

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，人類對氫能應用自200年前就產生了興趣，到20世紀70年代以來，世界上許多國家和地區就廣泛開展了氫能研究。

早在1970年，美國通用汽車公司的技術研究中心就提出了“氫經濟”的概念。1976年美國斯坦福研究院就開展了氫經濟的可行性研究。20世紀90年代中期以來多種因素的匯合增加了氫能經濟的吸引力。這些因素包括：持久的城市空氣污染、對較低或零廢氣排放的交通工具的需求、減少對外國石油進口的需要、CO2排放和全球氣候變化、儲存可再生電能供應的需求等。氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續的新能源，被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，是人類的戰略能源發展方向。世界各國如冰島、中國、德國、日本和美國等不同的國家之間在氫能交通工具的商業化的方面已經出現了激烈的競爭。雖然其它利用形式是可能的（例如取暖、烹飪、發電、航行器、機車），但氫能在小汽車、卡車、公共汽車、計程車、摩托車和商業船上的應用已經成為焦點。

中國對氫能的研究與發展可以追溯到20世紀60年代初，中國科學家為發展本國的航天事業，對作為火箭燃料的液氫的生產、H2/O2燃料電池的研製與開發進行了大量而有效的工作。將氫作為能源載體和新的能源系統進行開發，則是從20世紀70年代開始的。為進一步開發氫能，推動氫能利用的發展，氫能技術已被列入《科技發展“十五”計劃和2015年遠景規劃（能源領域）》。

氫燃料電池技術，一直被認為是利用氫能，解決未來人類能源危機的終極方案。上海一直是中國氫燃料電池研發和應用的重要基地，包括上汽、上海神力、同濟大學等企業、高校，也一直在從事研發氫燃料電池和氫能車輛。隨著中國經濟的快速發展，汽車工業已經成為中國的支柱產業之一。2007年中國已成為世界第三大汽車生產國和第二大汽車市場。與此同時，汽車燃油消耗也達到8000萬噸，約佔中國石油總需求量的1/4。在能源供應日益緊張的當下，發展新能源汽車已迫在眉睫。用氫能作為汽車的燃料無疑是最佳選擇。

雖然燃料電池發動機的關鍵技術基本已經被突破，但是還需要更進一步對燃料電池產業化技術進行改進、提升，使產業化技術成熟。這個階段需要政府加大研發力度的投入，以保證中國在燃料電池發動機關鍵技術方面的水平和領先優勢。這包括對掌握燃料電池關鍵技術的企業在資金、融資能力等方面予以支持。除此之外，國家還應加快對燃料電池關鍵原材料、零部件國產化、批量化生產的支持，不斷整合燃料電池各方面優勢，帶動燃料電池產業鏈的延伸。同時政府還應給予相關的示範應用配套設施，並且支持對燃料電池相關產業鏈予以培育等，以加快燃料電池車示範運營相關的法規、標準的制定和加氫站等配套設施的建設，推動燃料電池汽車的載客示範運營。有政府的大力支持，氫能汽車一定能成為朝陽產業。

（1）依靠氫能

1869年俄國著名學者門捷列夫整理出化學元素周期表，他把氫元素放在周期表的首位，此後從氫出發，尋找與氫元素之間的關係，為眾多的元素打下了基礎，人們則氫的研究和利用也就更科學化了。至1928年，德國齊柏林公司利用氫的巨大浮力，製造了世界上第一艘“LZ-127齊柏林”號飛艇，首次把人們從德國運送到南美洲，實現了空中飛渡大西洋的航程。大約經過了十年的運行，航程16萬多公里，使1.3萬人領受了上天的滋味，這是氫氣的奇迹。

然而，更先進的是本世紀50年代，美國利用液氫作超音速和亞音速飛機的燃料，使B57雙引擎輟炸機改裝了氫發動機，實現了氫能飛機上天。特別是1957前蘇聯宇航員加加林乘坐人造地球衛星遨遊太空和1963年美國的宇宙飛船上天，緊接著1968年阿波羅號飛船實現了人類首次登上月球的創舉。這一切都依靠著氫燃料的功勞。面向科學的21世紀，先進的高速遠程氫能飛機和宇航飛船，商業運營的日子已為時不遠。過去帝王的夢想將被現代的人們實現。

（2）氫動力汽車

以氫氣代替汽油作汽車發動機的燃料，已經過日本、美國、德國等許多汽世公司的試驗，技術是可行的，主要是廉價氫的來源問題。氫是一種高效燃料，每公斤氫燃燒所產生的能量為33.6千瓦小時，幾乎等於汽油燃燒的2.8倍。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰傳播速度快，點火能量低（容易點著），所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高20%。當然，氫的燃燒主要生成物是水，只有極少的氮氫化物，絕對沒有汽油燃燒時產生的一氧化碳、二氧化硫等污染環境的有害成分。氫能汽車是最清潔的理想交通工具。

氫能汽車的供氫問題，是將以金屬氫化物為貯氫材料，釋放氫氣所需的熱可由發動機冷卻水和尾氣餘熱提供。現有兩種氫能汽車，一種是全燒氫汽車，另一種為氫氣與汽油混燒的摻氫汽車。摻氫汽車的發動機只要稍加改變或不改變，即可提高燃料利用率和減輕尾氣污染。使用摻氫5%左右的汽車，平均熱效率可提高15%，節約汽油30%左右。因此，近期多使用摻氫汽車，待氫氣可以大量供應后，再推廣全燃氫汽車。德國賓士汽車公司已陸續推出各種燃氫汽車，其中有麵包車、公共汽車、郵政車和小轎車。以燃氫麵包車為例，使用200公斤鈦鐵合金氫化物為燃料箱，代替65升汽油箱，可連續行車130多公里。德國賓士公司製造的摻氫汽車，可在高速公路上行駛，車上使用的儲氫箱也是鈦鐵合金氫化物。

摻氫汽車的特點是汽油和氫氣的混合燃料可以在稀薄的貧油區工作，能改善整個發動機的燃燒狀況。在中國許當城市交通擁擠，汽車發動機多處於部分負荷下運行、採用摻氫汽車尤為有利。特別是有些工業餘氫（如合成氨生產）未能回收利用，若作為摻氫燃料，其經濟效益和環境效益都是可取的。

（3）氫能發電

大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發出的電送往電網，由電網輸送給用戶。但是各種用電戶的負荷不同，電網有時是高峰，有時是低谷。為了調節峰荷、電網中常需要啟動快和比較靈活的發電站，氫能發電就最適合搶演這個角色。利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫氧發電機組。這種機組是火箭型內燃發動機配以發電機，它不需要複雜的蒸汽鍋爐系統，因此結構簡單，維修方便，啟動迅速，要開即開，欲停即停。在電網低負荷時，還可吸收多餘的電來進行電解水，生產氫和氧，以備高峰時發電用。這種調節作用對於用網運行是有利的。另外，氫和氧還可直接改變常規火力發電機組的運行狀況，提高電站的發電能力。例如氫氧燃燒組成磁流體發電，利用液氫冷卻發電裝置，進而提高機組功率等。

更新的氫能發電方式是氫燃料電池。這是利用氫和氧（成空氣）直接經過電化學反應而產生電能的裝置。換言之，也是水電解槽產生氫和氧的逆反應。70年代以來，日美等國加緊研究各種燃料電池，現已進入商業性開發，日本已建立萬千瓦級燃料電池發電站，美國有30多家廠商在開發燃料電池。德、英、法、荷、丹、意和奧地利等國也有20多家公司投入了燃料電池的研究，這種新型的發電方式已引起世界的關注。

燃料電池的簡單原最巧是將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，能源轉換效率可達60%-80%，而且污染少，雜訊小，裝置可大可小，非常靈活。最早，這種發電裝置很小，造價很高，主要用於宇航作電源。現已大幅度降價，逐步轉向地面應用。燃料電池的種類很多，主要有以下幾種：

（4）磷酸鹽型燃料電池

磷酸鹽型燃料電池是最早的一類燃料電池，工藝流程基本成熟，美國和日本已分別建成4500千瓦及11 000千瓦的商用電站。這種燃料電池的操作溫度為200℃，最大電流密度可達到150毫安/平方厘米，發電效率約45%，燃料以氫、甲醇等為宜，氧化劑用空氣，但催化劑為鉑系列，發電成本尚高，每千瓦小時約40～50美分。

（5）融熔碳酸鹽型燃料

融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱為第二代燃料電池，其運行溫度650℃左右，發電效率約55%，日本三菱公司已建成10千瓦級的發電裝置。這種燃料電池的電解質是液態的，由於工作溫度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氫、一氧化碳、天然氣等均可。氧化劑用空氣。發電成本每千瓦小時可低於40美分。

（6）固體氧化物電池

固體氧化物型燃料電池被認為是第三代燃料電池，其操作溫度1000℃左右，發電效率可超過60%，不少國家在研究，它適於建造大型發電站，美國西屋公司正在進行開發，可望發電成本每千瓦小時低於20美分。

此外，還有幾種類型的燃料電池，如鹼性燃料電池，運行溫度約200℃，發電效率也可高達60%，且不用貴金屬作催化劑，瑞典已開發200千瓦的一個裝置用於潛艇。美國最早用於阿波羅飛船的一種小型燃料電池稱為美國型，實為離子交換膜燃料電池，它的發電效率高達75%，運行溫度低於100℃，但是必須以純氧作氧化劑。後來，美國又研製一種用於氫能汽車的燃料電池，充一次氫可行300公里，時速可達100公里，這是一種可逆式質子交換膜燃料電池，發電效率最高達80%。

燃料電池理想的燃料是氫氣，因為它是電解制氫的逆反應。燃料電池的主要用途除建立固定電站外，特別適合作移動電源和車船的動力，因此也是今後氫能利用的孿生兄弟。

（7）家庭用氫

隨著制氫技術的發展和化石能源的缺少，氫能利用遲早將進入家庭，首先是發達的大城市，它可以像輸送城市煤氣一樣，通過氫氣管道送往千家萬戶。每個用戶則採用金屬氫化物貯罐將氫氣貯存，然後分別接通廚房灶具、浴室、氫氣冰箱、空調機等等，並且在車庫內與汽車充氫設備連接。人們的生活靠一條氫能管道，可以代替煤氣、暖氣甚至電力管線，連汽車的加油站也省掉了。這樣清潔方便的氫能系統，將給人們創造舒適的生活環境，減輕許多繁雜事務。

氫的儲存是一個至關重要的技術，已經成為氫能利用走向規模化的瓶頸。儲氫問題涉及氫生產、運輸、最終應用等所有環節，儲氫問題不解決，氫能的應用則難以推廣。氫是氣體，它的輸送和儲存比固體煤、液體石油更困難。一般而論，氫氣可以氣體、液體、化合物等形態儲存。氫的儲存方式主要有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和儲氫材料儲氫等。

高壓氣態儲氫是最常用的氫氣儲存方式，也是最成熟的儲氫技術，氫氣被壓縮后在鋼瓶里以氣體形式儲存。應用較廣泛的是灌裝壓力為15.2MPa的儲氫鋼瓶，它是一種應用廣泛、簡便易行的儲氫方式，成本低，充放氣速度快，且在常溫下就可以進行。但是，它最大的弱點是單位質量的儲氫密度只有1%（質量分數）左右，無法滿足更高應用的要求。因此，需在滿足安全性的前提下，通過材料和結構的改進來提高容器的儲氫壓力以增大儲氫密度，同時降低儲氫的成本，滿足商業應用。

低溫液念儲氫是指在在101kPa下，氫氣冷凍到-253℃以下即變為液態氫。液化氫氣具有存儲效率高、能量密度大( 12~34MJ/kg)、成本高的特點。氫的液化需要消耗大量的能源。理論上，氫的液化消耗28.9kJ/mol能量，實際過程消耗的能量大約是理論值的2.5倍，每千克液態氫耗能在11.8MJ以上j因為液化溫度與室溫之間有200℃以上的溫差，加之液態氫的蒸發潛熱較小，所以不能忽略從容器滲進來的侵入熱量引起的液態氫的氣化。罐的表面積與半徑的二次方成正比，而液態氫的體積則與半徑的三次方成正比，所以由滲透熱量引起的大型罐的液態氫氣化比例要比小型罐的小。因此，液態儲氫的適用條件是存儲時間長、氣體量大、電價低廉。

氫能的運輸主要包括壓縮氫氣的運輸、液態氫的運輸、利用儲氫介質輸送、利用管道輸送和製造原料的輸送。壓縮氫氣的運輸是把氫氣壓縮成高壓氣體後進行的輸送，適用於往離站制氫型加氫站輸送的場合。該方法的特點是在輸送、儲存、消費過程中不發生相變，能量損失小，但一次輸送的量也比較少，因此適合距離較近、輸送量少的場合。如果是實驗室用等小規模場合，一般可採用氫氣瓶來輸送壓縮氫氣，而加氫站的場合則需要大規模的輸送方法，為此開發出了轉載大型高壓容器的牽引車。對牽引車輸送來說，重要的是一次可輸送的量，，但是行駛在普通道路上的牽引車的大小要受到道路交通法的限制，尤其是對質量和大小的管制。由於鋼製容器過重，無法提高裝載量，正努力實現輕型化及高壓化，從而提高氫氣裝載量。

液態氫輸送的原理和壓縮氫氣差不多，主要區別是儲存罐裝的是液態氫，對保溫性能要求更高。因為液態氫製造時的液化效率低，因此會導致整體輸送的能量效率降低。另外，將液態氫從液氫罐轉移到加氫站儲氫罐里時，不能忽略把配管冷卻到液態氫溫度時的蒸發損失。此外，防止水蒸氣、氮氣、氧氣等可能聚集於液氫罐內的物質的混入也是很重要的。可以看出，當運輸的規模較大時，有利於提高能量效率，降低運輸成本。

利用儲氫介質輸送是利用儲氫技術把氫吸收於載體進行輸送的方法。但是上述的幾種儲氫載體的儲氫質量百分比較低，意味著，運輸相同質量的氫，該種方法總質量更大。可知，運輸過程中為了降低運輸成本，質量的重要性要高於體積，所以這是該方法的主要缺點。以有機氫化物為例介紹該種方法。通過一定的條件將氫氣與環己烷進行反應生成液態的苯，之後將苯儲存在油罐中，然後利用油罐車將苯運送到目的地，再通過一定的化學反應將苯進行脫氫分離得到氫氣。

管道輸送無論在成本上還是在能量消耗上都將是非常有利的方法。在大型工業聯合企業，氫氣的管道輸送已被實用化。人們正在研究發揮管道特色的新組合j例如，利用現有的城市煤氣管道輸送天然氣和氫氣的混合物，在加氫站里根據需要抽取提純氫氣的設想正在探討之中。如果把管道本身的壓力提高，則在加氫站里不需要壓縮機。由於氫氣的儲存輸送有著或多或少技術問題或者經濟問題，所以可以直接把制氫原料運送到加氫站，然後製備氫氣直接進行使用或儲存。常見原料有各種烴類物質、甲醇等，這些原料的運輸技術成熟，成本較低。但是要求加氫站的規模較大，才有較好的效益。