氢能源

    一、概况

    众所周知，氢在石油化学工业中有着广泛的用途，氢作为化工原料对发展石油化学工业及农业均有着重要作用。然而，氢对于人类还有着更为重要作用，这就是作为能源使用。中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/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70年代的事。氢能的开发利用首先必须解决氢源问题，大量廉价氢的生产是实现氢能利用的根本。氢是一种高密度能源，一般说来，生产氢要消耗大量的能量。因此，必须寻找一种低能耗、高效率制氢方法。安全、高效、高密度、低成本的储氢技术，是将氢能利用推向实用化、规模化的关键。

    多年来，我国氢能领域的专家和科学工作者在国家经费支持不多的困难条件下，在制氢、储氢和氢能利用等方面，仍然取得了不少的进展和成绩。但是，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，虽在单项技术的研究方面有所成就，甚至有的达到了世界先进水平，并且在储氢合金材料方面已实现批量生产，但就氢能系统技术的总体水平，尚与发达国家有一定差距。

    二、氢的来源与资源评估

    在宇宙中氢是最丰富的物质，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%。化合态氢的最常见形式是水和有机物（如；石油、煤炭、天然气及生命体等）。然而，在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少。因此，欲获得大量的单质氢只有依靠人工制取。其中，天然气、石油、煤炭、生物质能及其它富氢有机物等，都是氢的有效来源。氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，9吨水可以生产出1吨氢（及8吨氧），而且氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，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。

    工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径。据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14′108m3；在氯碱工业中有87′106m3的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、发酵制酒厂及丁醇溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量，估计可达15亿立方米以上。

    由此看来，我国氢的来源是极为丰富的。水电解制氢、生物质气化制氢等制氢方法，现已形成规模。其中低价电电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备的主要方法，但目前电耗过高，亟待改进。因此，欲获得大量廉价的氢能，将取决于是否能实现低能耗低成本的规模制氢方法。

    三、发展现状

    我国实施可持续发展战略，积极推动包括氢能在内的洁净能源的开发和利用。近年来，在氢能领域取得了多方面的进展。我国已初步形成一支由高等院校、中国科学院及石油化工等部门为主的从事氢能研究、开发和利用的专业队伍。在国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中国科学院和中国石油天然气集团公司的支持下，这支队伍承担着氢能方面的国家自然科学基金基础研究项目、国家“863”高技术研究项目、国家重点科技攻关项目及中国科学院重大项目等。科研人员在制氢技术、储氢材料和氢能利用等方面进行了开创性工作，拥有一批氢能领域的知识产权，其中，有些研究工作已达到国际先进水平。

    —制氢技术：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。现有的工业制氢主要是维持目前化工、炼油、冶金、及电子等部门的需要。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，亟待改进。此外，由中科院山西煤炭化学研究所开发的“甲醇重整制氢技术”已投入生产实际应用，目前最大规模为360Nm3/h，并实现系列化、批量化生产。中科院大连化学物理所在国家“九五”科技攻关项目“燃料电池技术”中，承担了燃料电池电动车用“甲醇重整制氢装置”的研制，目前，已形成概念样机。

    为加快氢能的开发利用，有关高等院校和科研院所积极开展了新型制氢方法的研究。石油大学承担的“九五”科技攻关项目“从H2S制取氢气的扩大实验研究”，此方法制氢能耗低，约2.6kWh/Nm3H2，使低电耗制氢技术达到了世界先进水平。中科院感光化学研究所承担了“九五”科技攻关项目“烟气中SOX制氢技术的中试研究”。该所的人工模拟光合作用分解水制氢及非常规资源制氢研究达到了世界先进水平。在光化学、生物质和电化学制氢领域，兰州化学物理所、微生物以及南开大学、天津大学等单位也进行了大量的基础研究工作。

    —储氢技术：目前，氢的储存方法主要有以下几种：常压储氢，高压储氢，液氢储氢，金属氢化物储氢及吸附储氢等。液氢储氢是一种较好的储氢方法，此法储氢密度高。但是，制备1升液氢约需消耗电能3kWh，在储存过程中液氢还有自然挥发，因此能耗较高。金属氢化物的出现为氢的储存、运输及利用开辟一条新的途径。

    70年代后期，南开大学、北京有色金属研究总院、浙江大学和中国科学院上海冶金研究所等就开始了储氢材料的基础研究。其中，化学法制备合金储氢材料在国际上处于领先水平。近年来，我国在金属氢化物储氢技术领域又取得了新的进展。浙江大学新材料研究所承担的“九五”国家“863”高技术项目“燃料电池氢源合金及氢燃料箱研究”，已研制出三类新的储氢合金，其储氢能力分别为1.61wt%、1.8wt%和2.1wt%。此外，还设计并试制成功容量为700L和4.0Nm3的便携式氢源样机，可适用于1kW及5kWPEMFC电池。浙江大学还进行了金属氢化物储氢技术的工程应用研究和装置开发，主要有340Nm3氢化物氢集装箱，MHPC－24型氢净化压缩装置及3600kcal/h金属氢化物式空调机。北京有色金属研究总院承担了国家“九五”科技攻关项目“储氢合金及储氢应用技术的研究”，开展氢能和燃料电池用氢源合金及金属氢化物储氢器的应用研究。其中，小型储氢器已供国内数家单位在太阳能及燃料电池领域的研究与开发中使用。

    近年来，清华大学、中科院金属所、防化研究院及西北核技术研究所等单位开始对新型储氢技术—纳米碳材料的储氢进行了多项基础性研究。其中，清华大学、中科院金属所和防化研究院都在室温下得到了储氢重量比在12MPa时为8%左右的纳米碳材料。

    —氢能利用：氢作为能源利用应包括以下三个方面：利用氢和氧化剂发生反应放出的热能；利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能及利用氢的热核反应释放出的核能。我国早已试验成功的氢弹就是利用了氢的热核反应释放出的核能，是氢能的一种特殊应用。我国航天领域使用的以液氢为燃料的液体火箭，是氢用作为燃料能源的典型例子。近年来，我国科学工作者在这方面进行了大量的基础性研究和开发性工作。西安交通大学曾进行过“氢燃烧和动力循环的研究”及“氢燃烧流场的研究及氢火焰性能评价”。浙江大学新材料所与内燃机所合作成功的改装了一辆燃用氢—汽油混合燃料的中巴车，通过添加约4.7wt%氢气进行的氢—汽油混合燃料燃烧，平均节油率达44%。我国自行研制的30kW氢燃料电池电动汽车，计划在2000年完成。目前，PEMFC电源系统的应用开发，将成为推动氢能利用的新动力。

    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）》。

    四、发展预测

    氢能开发利用首要解决的是廉价的氢源问题。从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气，国内虽已有规模化生产，但从长远观点看，这已不符合可持续发展的需要。从非化石燃料中制取氢气才是正确的途径。在这方面电解水制氢已具备规模化生产能力，研究降低制氢电耗有关的科学问题，是推广电解水制氢的关键。光解水制氢其能量可取自太阳能,这种制氢方法适用于海水及淡水，资源极为丰富，是一种非常有前途的制氢方法。

    储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键。根据技术发展趋势，今后储氢研究的重点是在新型高性能规模储氢材料上。国内的储氢合金材料已有小批量生产，但较低的储氢质量比和高的价格仍阻碍其大规模应用。镁系合金虽有很高的储氢密度，但放氢温度高，吸放氢速度慢，因此研究镁系合金在储氢过程中的关键问题，可能是解决氢能规模储运的重要途径。近年来，纳米碳在储氢方面已表现出优异的性能，有关的研究国内外尚处于初始阶段，应积极探索纳米碳作为规模储氢材料的可能性。

    在氢能利用方面，燃料电池发电系统仍是实现氢能应用的重要途径。在我国质子交换膜燃料电池已有技术基础上，除继续加强大功率PEMFC的关键技术研究外，还应注意PEMFC系统工程关键技术开发和系统技术集成，这是PEMFC发电系统走向实用化过程的关键。此外，天然气重整制氢技术开发与实用化对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义。PEMFC电动汽车具有零排放的突出优点，在各类电动汽车发展中zhan有明显的优势。

    氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输送性能好、应用形式多等诸多优点，赢得了人们的青睐。利用氢能的途径和方法很多，例如：航天器燃料、氢能飞机、氢能汽车、氢能发电、氢介质储能与输送，以及氢能空调、氢能冰箱等等，有的已经实现，有的正在开发，有的尚在追求和探索。随着科学技术的进步和氢能系统技术的全面进展，氢能应用范围必将不断扩大，氢能将深入到人类活动的各个方面，直至走进千家万户。

    文章内容转载自《中国新能源与可再生能源1999白皮书》中国计划出版社出版