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氫能
宇宙中分布最廣泛的物質
氫能簡介
二次能源是聯(lián)系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”。由于“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(xiàn)代交通運輸工具就無法大量使用從發(fā)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(fā)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(guī)能源危機的出現(xiàn)、在開發(fā)新的二次能源的同時人們期待的新的二次能源。
特點
（3）氫是自然界存在最普遍的元素，據(jù)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(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質。據(jù)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(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）氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，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(huán)境有害的污染物質，少量的氨氣經(jīng)過適當處理也不會污染環(huán)境，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)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(fā)動機中產生機械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉換成固態(tài)氫用作結構材料。用氫代替煤和石油，不需對現(xiàn)有的技術裝備作重大的改造現(xiàn)有的內燃機稍加改裝即可使用。
（8）氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的氫化物出現(xiàn)，能適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求。
行業(yè)發(fā)展前景
氫能被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，人類對氫能應用?00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(qū)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(jīng)濟”的概念。1976年美國斯坦福研究院就開展了氫經(jīng)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(jīng)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(xù)的新能源，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗侨祟惖膽?zhàn)略能源發(fā)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(yè)化的方面已經(jīng)出現(xiàn)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(fā)電、航行器、機車），但氫能在小汽車、卡車、公共汽車、出租車、摩托車和商業(yè)船上的應用已經(jīng)成為焦點。
中國對氫能的研究與發(fā)展可以追溯到20世紀60年代初，中國科學家為發(fā)展本國的航天事業(yè)，對作為火箭燃料的液氫的生產、H2/O2燃料電池的研制與開發(fā)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(tǒng)進行開發(fā)，則是從20世紀70年代開始的。為進一步開發(fā)氫能，推動氫能利用的發(fā)展，氫能技術已被列入《科技發(fā)展“十五”計劃和2015年遠景規(guī)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(fā)和應用的重要基地，包括上汽、上海神力、同濟大學等企業(yè)、高校，也一直在從事研發(fā)氫燃料電池和氫能車輛。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車工業(yè)已經(jīng)成為中國的支柱產業(yè)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，約占中國石油總需求量的1/4。在能源供應日益緊張的當下，發(fā)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(fā)動機的關鍵技術基本已經(jīng)被突破，但是還需要更進一步對燃料電池產業(yè)化技術進行改進、提升，使產業(yè)化技術成熟。這個階段需要政府加大研發(fā)力度的投入，以保證中國在燃料電池發(fā)動機關鍵技術方面的水平和領先優(yōu)勢。這包括對掌握燃料電池關鍵技術的企業(yè)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(yōu)勢，帶動燃料電池產業(yè)鏈的延伸。同時政府還應給予相關的示范應用配套設施，并且支持對燃料電池相關產業(yè)鏈予以培育等，以加快燃料電池車示范運營相關的法規(guī)、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范運營。有政府的大力支持，氫能汽車一定能成為朝陽產業(yè)。
開發(fā)利用
（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，此后從氫出發(fā)，尋找與氫元素之間的關系，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，制造了世界上第一艘“LZ-127齊柏林”號飛艇，首次把人們從德國運送到南美洲，實現(xiàn)了空中飛渡大西洋的航程。大約經(jīng)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，這是氫氣的奇跡。
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(fā)動機，實現(xiàn)了氫能飛機上天。特別是1957前蘇聯(lián)宇航員加加林乘坐人造地球衛(wèi)星遨游太空和1963年美國的宇宙飛船上天，緊接著1968年阿波羅號飛船實現(xiàn)了人類首次登上月球的創(chuàng)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(yè)運營的日子已為時不遠。過去帝王的夢想將被現(xiàn)代的人們實現(xiàn)。
以氫氣代替汽油作汽車發(fā)動機的燃料，已經(jīng)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，幾乎等于汽油燃燒的2.8倍。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，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(huán)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(fā)動機冷卻水和尾氣余熱提供。現(xiàn)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(fā)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(jié)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。德國奔馳汽車公司已陸續(xù)推出各種燃氫汽車，其中有面包車、公共汽車、郵政車和小轎車。以燃氫面包車為例，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(xù)行車130多公里。德國奔馳公司制造的摻氫汽車，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(qū)工作，能改善整個發(fā)動機的燃燒狀況。在中國許當城市交通擁擠，汽車發(fā)動機多處于部分負荷下運行、采用摻氫汽車尤為有利。特別是有些工業(yè)余氫（如合成氨生產）未能回收利用，若作為摻氫燃料，其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都是可取的。
（3）氫能發(fā)電
大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng)，由電網(wǎng)輸送給用戶。但是各種用電戶的負荷不同，電網(wǎng)有時是高峰，有時是低谷。為了調節(jié)峰荷、電網(wǎng)中常需要啟動快和比較靈活的發(fā)電站，氫能發(fā)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(fā)電機組。這種機組是火箭型內燃發(fā)動機配以發(fā)電機，它不需要復雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，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(wǎng)低負荷時，還可吸收多余的電來進行電解水，生產氫和氧，以備高峰時發(fā)電用。這種調節(jié)作用對于用網(wǎng)運行是有利的。另外，氫和氧還可直接改變常規(guī)火力發(fā)電機組的運行狀況，提高電站的發(fā)電能力。例如氫氧燃燒組成磁流體發(fā)電，利用液氫冷卻發(fā)電裝置，進而提高機組功率等。
更新的氫能發(fā)電方式是氫燃料電池。這是利用氫和氧（成空氣）直接經(jīng)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(xiàn)已進入商業(yè)性開發(fā)，日本已建立萬千瓦級燃料電池發(fā)電站，美國有30多家廠商在開發(fā)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(fā)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，噪聲小，裝置可大可小，非常靈活。最早，這種發(fā)電裝置很小，造價很高，主要用于宇航作電源?，F(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)電效率約55%，日本三菱公司已建成10千瓦級的發(fā)電裝置。這種燃料電池的電解質是液態(tài)的，由于工作溫度高，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(fā)電成本每千瓦小時可低于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(fā)電效率可超過60%，不少國家在研究，它適于建造大型發(fā)電站，美國西屋公司正在進行開發(fā)，可望發(fā)電成本每千瓦小時低于20美分。
此外，還有幾種類型的燃料電池，如堿性燃料電池，運行溫度約200℃，發(fā)電效率也可高達60%，且不用貴金屬作催化劑，瑞典已開發(fā)200千瓦的一個裝置用于潛艇。美國最早用于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(fā)電效率高達75%，運行溫度低于100℃，但是必須以純氧作氧化劑。后來，美國又研制一種用于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(fā)電效率最高達80%。
（7）家庭用氫
隨著制氫技術的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用遲早將進入家庭，首先是發(fā)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。每個用戶則采用金屬氫化物貯罐將氫氣貯存，然后分別接通廚房灶具、浴室、氫氣冰箱、空調機等等，并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(tǒng)，將給人們創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，減輕許多繁雜事務。
氫能的儲存
氫的儲存是一個至關重要的技術，已經(jīng)成為氫能利用走向規(guī)模化的瓶頸。儲氫問題涉及氫生產、運輸、最終應用等所有環(huán)節(jié)，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(tài)儲存。氫的儲存方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和儲氫材料儲氫等。
高壓氣態(tài)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(shù)）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(yè)應用。
低溫液念儲氫是指在在101kPa下，氫氣冷凍到-253℃以下即變?yōu)?/span>液態(tài)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(tài)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(tài)氫的蒸發(fā)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(tài)氫的氣化。罐的表面積與半徑的二次方成正比，而液態(tài)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(tài)氫氣化比例要比小型罐的小。因此，液態(tài)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
氫能的運輸主要包括壓縮氫氣的運輸、液態(tài)氫的運輸、利用儲氫介質輸送、利用管道輸送和制造原料的輸送。壓縮氫氣的運輸是把氫氣壓縮成高壓氣體后進行的輸送，適用于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(fā)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(guī)模場合，一般可采用氫氣瓶來輸送壓縮氫氣，而加氫站的場合則需要大規(guī)模的輸送方法，為此開發(fā)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。由于鋼制容器過重，無法提高裝載量，正努力實現(xiàn)輕型化及高壓化，從而提高氫氣裝載量。
液態(tài)氫輸送的原理和壓縮氫氣差不多，主要區(qū)別是儲存罐裝的是液態(tài)氫，對保溫性能要求更高。因為液態(tài)氫制造時的液化效率低，因此會導致整體輸送的能量效率降低。另外，將液態(tài)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(tài)氫溫度時的蒸發(fā)損失。此外，防止水蒸氣、氮氣、氧氣等可能聚集于液氫罐內的物質的混入也是很重要的?？梢钥闯?，當運輸?shù)囊?guī)模較大時，有利于提高能量效率，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于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?？芍?，運輸過程中為了降低運輸成本，質量的重要性要高于體積，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(huán)己烷進行反應生成液態(tài)的苯，之后將苯儲存在油罐中，然后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(yè)聯(lián)合企業(yè)，氫氣的管道輸送已被實用化。人們正在研究發(fā)揮管道特色的新組合j例如，利用現(xiàn)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(jù)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。由于氫氣的儲存輸送有著或多或少技術問題或者經(jīng)濟問題，所以可以直接把制氫原料運送到加氫站，然后制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(guī)模較大，才有較好的效益。
參考資料
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武漢全力加速氫能汽車核心技術產業(yè)化2020-09-15T08:57:05+08:00[引用日期2022-06-01 10:33:29]
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報告｜全球氫能市場——誰將主宰未來的競賽？（附4個相關報告下載）2021-07-01T10:16:10+08:00[引用日期2022-06-01 10:33:46]
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嘉興嘉善打造長三角一體化區(qū)域氫能產業(yè)基地2019-02-23T10:35:00+08:00[引用日期2022-06-01 10:33:48]
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