一、氫能源簡(jiǎn)介：
氫能是一種二次能源，它是通過一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采、幾乎完全依靠化石燃料。隨著石化燃料耗量的日益增加，其儲(chǔ)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(chǔ)量豐富的新的含能體能源。氫正是這樣一種在常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)和開發(fā)新的二次能源的同時(shí)，人們期待的新的二次能源。 氫位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1，常溫常壓下為氣態(tài)，超低溫高壓下為液態(tài)。作為一種理想的新的合能體能源，它具有以下特點(diǎn)：
l、重量最輕的元素。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，密度為 0.8999g/l，－252.7℃時(shí)，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓，液氫可變?yōu)榻饘贇洹?
2、導(dǎo)熱性最好的氣體，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍。
3、自然界存在最普遍的元素。據(jù)估計(jì)它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的 75％，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)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(fā)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(fā)熱值的3倍。
5、燃燒性能好，點(diǎn)燃快，與空氣混合時(shí)有廣泛的可燃范圍，而且燃點(diǎn)高，燃燒速度快。
6、無毒，與其他燃料相比氫燃燒時(shí)最清潔滁生成水和少量氮化氫外不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔铩U化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過適當(dāng)處理也不會(huì)污染環(huán)境，且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用。產(chǎn)物水無腐蝕性，對(duì)設(shè)備無損。
7、利用形式多。既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。
8、可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。
9、可以取消遠(yuǎn)距離高壓輸電，代以遠(yuǎn)近距離管道輸氫，安全性相對(duì)提高，能源無效損耗減小。
10、氫取消了內(nèi)燃機(jī)噪聲源和能源污染隱患，利用率高。
11、氫可以減輕燃料自重，可以增加運(yùn)載工具有效載荷，這樣可以降低運(yùn)輸成本從全程效益考慮社會(huì)總效益優(yōu)于其他能源。
二、我國發(fā)展氫能源的必要性：
石油、煤炭、天然氣燃燒產(chǎn)物是二氧化碳，是溫室氣體，造成地球溫度逐年升高。專業(yè)機(jī)構(gòu)的最新研究結(jié)果表明全球氣候變暖已導(dǎo)致非洲乞力馬扎羅山的山頂冰蓋消融80％，如這一趨勢(shì)得不到遏制，100年后山頂冰雪將完全消失。德國漢諾威大學(xué)的植物研究所科學(xué)家瓦爾特指出，盡管目前全球氣溫僅上升0.6℃，但對(duì)生態(tài)造成的影響已經(jīng)明顯危機(jī)到動(dòng)物和植物的生存，現(xiàn)在，春天的來臨及許多植林的生長期正在提前，較長時(shí)間后動(dòng)物食物鏈可能發(fā)生混亂。 同時(shí)，化石燃料中有雜質(zhì)，特別是疏、氮、磷、砷等，燃燒產(chǎn)物酸性，造成大氣污染和酸雨。酸雨不僅傷害農(nóng)作物和蔬菜的葉片，而且能夠降低農(nóng)作物和蔬菜種子的發(fā)芽率，降低大豆蛋白質(zhì)含量。闊葉林和針葉林的冠層在酸雨作用下，鈣、鎂等離子在冠層雨溶液中富集，造成葉子中營養(yǎng)離子的大量淋失，進(jìn)而加速根部營養(yǎng)的吸收和遷移，重新吸收的營養(yǎng)離子也會(huì)從植物體大量析出；如此循環(huán)，就會(huì)造成營養(yǎng)虧缺，直接影響森林生長，威脅森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)，而且這個(gè)過程隨酸雨的強(qiáng)度增加而增加。酸雨還造成土壤中鋁的大量釋放和鎂等有毒金屬元素的沉降和積累，對(duì)樹木形成毒害，同時(shí)，直接影響和危害土壤表層，干擾微生物正常生化活性，森林枯枝落葉的分解和物質(zhì)再循環(huán)受到破壞；降低土壤的AO和A1層的PH值，使適中偏堿性菌類活動(dòng)受到遏止,N元素的同化和固定減少，土壤肥力下降。同時(shí)，酸雨使湖泊酸化，將土壤中的活性鋁沖洗到河流、湖泊中，毒害魚類，改變整個(gè)水體生態(tài)系統(tǒng)，使水體中的生物種類和數(shù)量大大減少，而且還導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，刺激皮膚，引起哮喘等多種呼吸道疾病。 我國的能源結(jié)構(gòu)以煤為主（約占75％左右），且隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，能源的消耗量日益增加。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年全國煤炭消耗量為10.52億噸，1995年增到12.8億噸。1995年燃煤排放的二氧化硫達(dá)2370萬噸，超過歐洲和美國，居世界首位。據(jù)國家環(huán)保局對(duì)全國2177個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站3年（1991－1993）的監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，表明有62.3％的城市二氧化硫年平均濃度超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（0.06mg/m3）日平均濃度超過國家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.225mg/m3），造成年降水 PH值低于 5.6的酸雨覆蓋面約占國土的30％，粉塵爆炸、粉塵污染嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)受到影響。 我國北方地區(qū)冬寒漫長，大多數(shù)采用鍋爐供暖，由于能源結(jié)構(gòu)以煤為主，就使得煙塵污染成了又一環(huán)境問題。國家對(duì)于煙塵排放有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。 例如：國家GWPB3－1999標(biāo)準(zhǔn)中的一類地區(qū)II時(shí)段指標(biāo)
針對(duì)這些情況，我們必須找到一種儲(chǔ)量大、后續(xù)性強(qiáng)、熱效率高、儲(chǔ)存形式多的環(huán)保型清潔能源，氫能源正是這樣一種優(yōu)質(zhì)能源。在石化燃料日益減少的情況下，我國能源本來就不占優(yōu)勢(shì)再加之人均資源占有不足，這就勢(shì)必要求我國必須比其他國家更重視后續(xù)能源的開發(fā)利用，而汽車、飛機(jī)、輪船等機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的現(xiàn)代交通工具只能采用“含能體能源”，所以氫能源無疑成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)。
三、我國發(fā)展氫能源的優(yōu)劣勢(shì)分析：
中國對(duì)氫能的研究與發(fā)展可以追溯到60年代初，中國科學(xué)家為發(fā)展本國的航天事業(yè)，對(duì)作為火箭燃料的液氫的生產(chǎn)，H2/O2。燃料電池的研制與開發(fā)進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，是70年代的事。多年來，我國氫能領(lǐng)域的專家和科學(xué)工作者在國家經(jīng)費(fèi)支持不多的困難條件下，在制氫、儲(chǔ)氫和氫能利用等方面取得了不少進(jìn)展和成績(jī)。氫作為能源利用應(yīng)包括以下三個(gè)方面：利用氫和氧化劑發(fā)生反應(yīng)放出的熱能，利用氫和氧化劑在催化劑作用下的電化學(xué)反應(yīng)直接獲取電能及利用氫的熱核反應(yīng)釋放出的核能。 我國早已試驗(yàn)成功的氫彈就是利用了氫的熱核反應(yīng)釋放出的核能，是氫能的一種特殊應(yīng)用。我國航天領(lǐng)域使用的以液氫為燃料的液體火箭，是氫用作為燃料能源的典型例子。近年來，我國科學(xué)工作者在這方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究和開發(fā)性工作。西安交通大學(xué)曾進(jìn)行過“氫燃燒和動(dòng)力循環(huán)的研究”及“氫燃燒流場(chǎng)的研究及氫火焰性能評(píng)價(jià)”。
浙江大學(xué)新材料所與內(nèi)燃機(jī)所合作成功的改裝了一輛燃用氫一汽油混合燃料的中巴車，通過添加約4.7Wt％氫氣進(jìn)行的氫一汽油混合燃料燃燒，平均節(jié)油率達(dá)44％。我國自行研制的30kw氫燃料電池電動(dòng)汽車，計(jì)劃在2000年完成。目前，PEMFC電源系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，將成為推動(dòng)氫能利用的新動(dòng)力。 我國工業(yè)制氫方法主要是以天然氣、石油、和煤為原料，在高溫下使之與水蒸氣反應(yīng)而制得，也可以用部分氧化法制得。這些制氫方法在工藝上都比較成熟，但是由化石能源和電力來換取氫能，在經(jīng)濟(jì)上和資源利用上并不合適。現(xiàn)有的工業(yè)制氫主要是維持目前化工、煉油、冶金、及電子等部門的需要。水電解制氫和生物質(zhì)氣化制氫等方法，現(xiàn)已形成規(guī)模。其中，低價(jià)電電解水制氫方法是當(dāng)前氫能規(guī)模制備的主要方法，但目前電耗過高，一般約為 4.skwh/Nm3H2，亟待改進(jìn)。此外，由中科院山西煤炭化學(xué)研究所開發(fā)的“甲醇重整制氫技術(shù)”已投人生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，目前最大規(guī)模為360Nm3/h，并實(shí)現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn)。中科院大連化學(xué)物理所在國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“燃料電池技術(shù)”中，承擔(dān)了燃料電池電動(dòng)車用“甲醇重整制氫裝置”的研制月前，已形成概念樣機(jī)。石油大學(xué)承擔(dān)的“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“從 H2S制取氫氣的擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)研究”，此方法制氫能耗低，約2.6kwh/Nm3H2，使低電耗制氫技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。
中科院感光化學(xué)研究所承擔(dān)了“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“煙氣中SOX制氫技術(shù)的中試研究”。該所的人工模擬光合作用分解水制氫及非常規(guī)資源制氫研究達(dá)到了世界先進(jìn)水平。在光化學(xué)、生物質(zhì)和電化學(xué)制氫領(lǐng)域，蘭州化學(xué)物理所、微生物以及南開大學(xué)、天津大學(xué)等單位也進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作。 目前，獲得大量單質(zhì)氫的唯一途徑是依靠人工從天然氣、石油、煤炭、生物質(zhì)能及其它富氫有機(jī)物等中制取。氫的最大來源是水，特別是海水，根據(jù)計(jì)算9噸水可以生產(chǎn)出1噸氫（及8噸氧），氫氣燃燒熱是28900千卡/公斤，而且氫與氧的燃燒產(chǎn)物就是水，因而，水可以再生。由此可見，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，取之不盡，用之不竭。據(jù)估計(jì)，我國水能源理論穩(wěn)定蘊(yùn)藏量為7億KW，而開發(fā)量為4億KW，開發(fā)成功后，每年可節(jié)約大量煤炭，減排大量二氧化硫。 工業(yè)副產(chǎn)氫也是向燃料電池提供燃料的有效途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國在合成氨工業(yè)中氫的年回收量可達(dá)標(biāo)14’108m；在氯堿工業(yè)中有87’106 m的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒廠及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計(jì)可達(dá)15億立方米以上。
由此看來，我國氫的來源極為豐富，技術(shù)水平也有了一定的基礎(chǔ)，水電解制氫、生物質(zhì)氣化制氫等制氫方法，現(xiàn)已形成規(guī)模。其中低價(jià)電電解水制氫方法在今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應(yīng)用成本。由此，我國發(fā)展氫能源優(yōu)勢(shì)可見一斑。 任何事物的發(fā)展都具有兩面性。在看到優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，我們也要看到它所面臨的困難。大量廉價(jià)氫的生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)氫能利用的根本。目前，廉價(jià)的制氫技術(shù)和安全可靠的貯氫和輸氫方法是兩大核心問題。獲取氫需要消耗大量的電能將氫和氧進(jìn)行分離（制備1升液氫約需消耗電能3kwh）；而直接從天然氣中獲取氫，需耗汽油，每公里要排放約16克二氧化碳（普通汽油車每公里排放260克二氧化碳），能耗過高。因此，欲獲得大量廉價(jià)的氫能，將取決于是否能實(shí)現(xiàn)低能耗低成本的規(guī)模制氫方法。 雖然，在交通運(yùn)輸方面，美、德、法、日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示范汽車，并進(jìn)行了幾十萬公里的道路運(yùn)行試驗(yàn)。其中美、德、法等國是采用氫化金屬貯氫，而日本則采用液氫。試驗(yàn)證明，以氫作燃料的汽車在經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙。前者使汽車連續(xù)行駛的路程受限制，后者主要是由于液氫供應(yīng)系統(tǒng)費(fèi)用過高造成的。 “生態(tài)氫能”的關(guān)鍵并不是技術(shù)，而是成本。就環(huán)境保護(hù)和市場(chǎng)需求而言，潔凈和成本是二個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，光有潔凈而成本過高就沒有市場(chǎng)，很難推廣。因此，要實(shí)施這一戰(zhàn)略，就必須有目的地降低成本。每百公里所加注氫的價(jià)格與汽油價(jià)格要盡可能接近，否則該技術(shù)只能永遠(yuǎn)停留在實(shí)驗(yàn)室或樣車階段。當(dāng)然，氫能的使用還有其他方面的問題，如作為基礎(chǔ)設(shè)施的氫加注站。
