氢   能

    氢,位于元素周期表之首，原子序数为1，相对原子质量仅为1.0079，常温常压下为气态，无色，超低温高压下为液态。它具有以下特点：（1）所有元素中，氢重量最轻，携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料；（2）所有气体中，氢气的导热性最好，在能源工业中氢是极好的传热载体；（3）氢是自然界存在最普遍的元素；（4）具有高挥发性、高能量，是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；（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，而且产物无腐蚀性，对设备无损；（7）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求；（8）氢在储存、输送上的无效损耗比电力小。

    氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水和少量氮化氢，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，是世界上相对最清洁的能源。氢能是通过一定的方法利用其它能源制取的，是一种二次能源，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采、几乎完全依靠化石燃料。

    氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作航天、汽车等的燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。

    用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。重要的是，只要在汽油中加入4％的氢气，用它作为汽车发动机燃料，就可节油40％，而且无需对汽油发动机作多大的改进。

    氢是宇宙中含量最高的元素，宇宙物质中约75%是氢。氢在自然界多以化合物形态出现，在地壳十公里范围内（包括海洋和大气）化合态氢的重量组成约占据1%，原子组成占据15.4%。除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水和有机物（石油、煤炭、天然气及生命体等）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。氢的最大来源是水，特别是海水，而且氢与氧的燃烧产物就是水，由此可见，如果以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环，真是取之不尽，用之不竭。

    由于氢能的用途广泛、前景光明，目前国外氢能的发展已经不单纯停留在技术领域上，由于氢能系统技术在国民经济中的重要作用，产生了“氢能经济(Hydrogen Economy)”的新经济模式的概念。最近又有专家提出未来要发展到“氢能文明社会”的新阶段。目前氢能经济已经被美国、欧盟、日本等列上了发展日程。不过，氢能商业化进展仍然很慢，目前仍处于示范阶段。

    目前世界各国推出的燃料电池动力车，可用于手提电脑、播放器、手机的小型燃料电池等利用氢能的产品已经非常多。目前欧洲已有22 座加氢站，而在美国、日本建立的加氢站则更多。美国联邦政府计划在2004～2008年投入12亿美元用于实施“氢能技术研究、开发与示范行动计划”。加拿大于2004年4月开始实施“氢公路”计划，其内容是：在温哥华到2010年冬奥会主办城市惠斯勒120千米的公路上建立5个燃料电池车的加氢站，由氢燃料电池车承担2010年冬奥会期间温哥华机场与惠斯勒之间的人员运输任务。2003年，欧盟委员会宣布，将在未来5年内投入20亿欧元进行氢相关技术的研究，并制定了欧盟氢能和燃料电池发展路线图。日本于1993 年启动了一个项目，计划到2023年投入30亿美元，构建一个环球能源网络，用于氢能源的有效供给、输送与利用，将500万辆燃料电池车投入市场，近期将建成2000多个加氢站。

    目前，我国工业制氢方法主要是以天然气、石油、和煤为原料，在高温下使之与水蒸气反应而制得，也可以用部分氧化法制得。这些制氢方法在工艺上都比较成熟，但是由化石能源和电力来换取氢能，在经济上和资源利用上并不合适。水电解制氢和生物质气化制氢等方法，现已形成规模。其中，低价电电解水制氢方法是当前氢能规模制备的主要方法,但目前电耗过高，一般约为4.5kWh/Nm³H₂，有待待改进。

    电动汽车是科技部“十五”期间12 个重大科技专项之一。2001 年底，燃料电池轿车项目落户上海。2003年1月12日，我国内首台燃料电池汽车“超越一号”在上海问世。目前，由清华大学开发、欧盟资助的氢能大巴863路公交客车已经成功地在北京运营；上海同济大学和上海大众汽车制造厂已成功开发出 10 辆氢能小轿车，并且建成了移动式汽车加氢站，正在建设固定式汽车加氢站。

目前，关于氢能的开发和利用技术主要包括氢能的制取、储存和运输、利用等三方面：

    一是氢的制取。主要方法有：

    （1）电解水制氢：水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。该工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。（2）矿物燃料制氢。以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。该方法的工艺已相当成熟。包括以煤为原料制氢的煤焦化煤气化两种方法、以天然气或轻质油为原料制取氢气和以重油为原料部分氧化法制取氢气。（3）生物质制氢。生物质资源丰富，是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物制氢。①生物质气化制氢。其原理是将生物质原料如薪柴、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料。②微生物制氢，是利用微生物在常温常压下进行酶催反应可制得氢气，包括有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。（4）光化学制氢。其基本原理是在水中放入催化剂，在阳光照射下，催化剂便能激发光化学反应，把水分解成氢和氧。例如，二氧化钛和某些含钌的化合物，就是较适用的光水解催化剂。（5）其他方法制氢，如硫化氢中制取氢气等。6）各种化工过程副产氢气的回收。多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢气。副产氢气的回收是一种较为廉价的制氢方式。

    二是氢的储存和运输。

    （1）氢的储存。工业实际应用中大致有五种储存方法：①常压贮存，如湿式气柜、地下储仓；②高压容器，如钢制压力容器和钢瓶；③金属氢化物：当用贮氢合金制成的容器冷却和压人氢时，氢即被储存；加热这一贮存系统或降低其内部压力，氢就会释放出来。目前金属氢化物合金体系主要有： LaNi5系合金、MnNi5系合金、TiMn系合金、TiMn系合金（ABZ）、镁系合金、纳米碳等。 

    （2）氢气的运输。氢虽然有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液氢，它们在使用过程中都存在在着不可忽视的特殊问题：①与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大。②氢特别容易泄漏，即使是真空密封的氢燃料箱，每24h的泄漏率就达2％，而汽油一般一个月才泄漏1％。③液氢的温度极低，只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤。目前，除管道输送外，高压容器和液氢槽车也是目前工业上常规应用的氢气输送方法。

    三是氢的利用。氢能利用方面很多，有的已经实现，有的人们正在努力追求。为了达到清洁新能源的目标，氢的利用将充满人类生活的方方面面。

    （1）燃料电池：氢燃料电池是氢能利用的主要方式。最开始的氢燃料电池仅应用于航天工程，目前，越来越多的燃料电池应用于各个不同的领域。其中尤以氢氧PEMFC燃料电池最为人们所看好。其主要的优点表现为：①最大效率为83%，实际效率在50%～70%之间，远比内燃机的实际效率高30%，且反应在低温下就能启动，是十分理想的汽车能源。②实验也证明，使用氢燃料电池的汽车排放的碳仅为常规内燃机30％，造成的大气污染仅为内燃机的5％。③氢能的安全存储性也大大高于燃油，由于氢。④氢燃料电池汽车的尾气排放物是水，对空气和环境的污染为零。正是由于氢燃料电池的这些优点，国家大汽车公司纷纷参与氢燃料电池的研发，已经开发研制成功氢燃料电池汽车的汽车厂商包括通用、福特、丰田、奔驰、宝马、克莱斯勒等大公司。由于目前氢燃料电池的造价昂贵，将其作为汽车能源大规模应用还需要一段时间，当具有广阔的前景。

    （2）氢内燃机。目前已有不少汽车制造公司生产出了氢内燃机汽车。其中宝马公司所作出的努力和取得的成就最为瞩目。BMW 公司有15 辆使用液氢燃料的大型高级轿车，发动机功率为250kW,最高速度可达250km/h,百公里耗氢2.3kg,储氢器容量190L，一次加氢可行驶580km。

    （3）核聚变。目前世界上的核能基本都来源于重核裂变。而以氢的同位素为原料的核聚变反应由于难以人为控制尚在应用的门前徘徊。其实，核聚变一旦能被人类所控制，其能量远远大于核裂变所放出的。1kg 氘氚聚变反应放出的能量等于12600t 煤完全燃烧放出的热能，而1kg铀235 发生裂变后相当于3000t 煤完全燃烧放出的热能。目前，科学家已经研制出各种各样的装置来加以约束控制高温等离子体，但若将其产业化仍有很多尚待研究解决得问题。

    虽然目前氢的制取、储存和运输、利用等方面已经积累的大量的经验和技术，然而，仍存在不可忽视的问题：

    （1）安全问题。它的问题出在很容易燃烧和爆炸，氢在低至20K的温度就达到引燃点，其混合气体的引爆范围非常广，在空气中含有 3～75％体积的氢气都可引发气爆，而天然气的范围是5～15％。除了前述问题之外，由于氢是分子量最小的气体，渗透性也最强，因此所有的管线或储存槽的界面连接都须非常严紧，否则很容易产生漏气问题。一般天然气的规范已不适用，氢气的处理另有它的安全规范。任何含有高能量的燃料都具有危险性，只要有适当的安全措施，氢并不比其他燃料危险。实际上氢气燃烧得很快，去的也快，不会有延烧的问题。一旦发生意外，后果是不会比汽油等更严重的。

    （2）温室效应。氢气的燃烧产物只有水，初看是绝对符合环保的要求，但实际上并非如此。地球上并没有游离的氢气可供开采，现阶段95％是由水蒸气和碳氢化合物反应而得，副产品就是二氧化碳。即使是电解水生产氢气，仍须消耗大量的电力，而我国大部分的电力来自火力发电，间接产生的二氧化碳很可观。因此使用氢能并非没有温室效应的问题。使用裂解氢的氢燃料电池虽然可减少二氧化碳的排放，但也不是完全干净，制造的二氧化碳大约是传统汽油引擎的38％。唯一可以安慰的是这些二氧化碳排放在人烟稀少的发电厂或生产工厂，不会造成都市的空气污染，但对地球的温度效应是同等的。

    人类对氢的研究和利用其实已经有了很长的历史。在中国古代，秦始皇统一中国后想长生不老，曾积极支持炼丹术。在炼丹中，炼丹术士最早接触的就是氢的金属化合物。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。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。第二次世界大战期间，氢即用作A—2火箭发动机的液体推进剂。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双引擎轰炸机改装了氢发动机。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。

    近年来，美国、日本、欧盟都制定了氢能发展规划，投入大量经费支持氢能开发和应用示范活动。（1）美国：美国一直重视氢能。2003年，布什政府投资17亿美元，启动氢燃料开发计划，该计划提出了氢能工业化生产技术、氢能存储技术、氢能应用等重点开发项目。2004年，美国建立了第一座氢气站，2005年底，加利福尼亚州的一个固定制氢发电装置“家庭能量站第三代”开始试用。这个装置用天然气制造氢气维持燃料电池。第三代比第二代的重量轻了30％，发电量却提高了25％，同时氢气的制造和储存能力提高了50％。（2）欧盟：欧盟也加紧对氢能的开发利用。在2002—2006年欧盟第六个框架研究计划中，对氢能和燃料电池研究的投资为2500万—3000万欧元。北欧五国最近成立了“北欧能源研究机构”，通过生物制氢系统分析，提高生产生物氢能力。欧盟此举旨在把燃料电池和氢能源技术发展成为能源领域的一项战略高新技术，使欧盟在燃料电池和氢能源技术方面处于世界领先地位，欧盟将力争在2020年前建立一个燃料电池和氢能源的庞大市场。（3）日本：研究氢能比较早，目前燃料电池是日本氢能的主要发展方向。日本政府为促进氢能实用化和普及，进一步完善了汽车燃料供给制，全国各地建造了不少“加氢站”，近百辆燃料电池车已经取得牌照上路，计划到2030年，发展到1500万辆。迄今，日本燃料电池的技术开发以及氢的制造、运输、储藏技术已基本成熟。

    我国对氢能的研究与发展可以追溯到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，H₂/0₂燃料电池的研制与开发进行了大量而有效的工作。7O年代，将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发。2003 年11月我国加入了“氢能经济国际合作伙伴”(IPHE) ,成为其首批成员国之一。在我国新公布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《国家“十一五”科学技术发展规划》中都列入了发展氢能和燃料电池的相关内容。

    目前我国已在氢经济相关技术的研发领域取得了多方面的进展。在国家科技部和各部委基金项目的支持下,我国已初步形成了一支由高等院校、中科院、能源公司、燃料电池公司、汽车制造企业等为主的从事氢能与燃料电池研究、开发与利用的专业队伍,研发领域涉及到氢经济相关技术的基础研究、技术开发和示范试验等方面。特别是国家“973”项目“氢能规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”和“利用太阳能规模制氢的基础研究”参与单位众多,影响较大。

    虽然，我国在氢能领域的研究和利用取得了不少的进展和成绩，但由于我国在氢能方面投入资金数量过少，与实际需求相差甚远，尚与发达国家有一定差距，尤其在氢能和燃料电池示范应用方面，还存在较明显的差距，如太阳能制氢、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、燃料电池汽车、氢能基础设施建设等方面。

    当前世界上主要国家都在不遗余力的研发氢能技术和推进氢能经济发展，发展氢能是我国能源可持续发展的重要组成部分，根据我国氢能研究和发展的现状，建议如下：

    （1）密切跟踪国外氢能发展动态，加大研发投入力度。

    （2）制定有利于氢能经济发展的优惠产业政策。

    （3）系统制定氢能经济的发展规划，并纳入国家规划。

    （4）政府组织有实力的科研院所、高等院校和公司企业对对关键技术进行“管产学研”联合攻关。

    （5）尽快组织制定氢能经济的行业标准和市场标准。