摘要 文章綜述了氫能利用的巨大潛能，氫能在實(shí)際生活中的主要應(yīng)用以及在國防工業(yè)中的應(yīng)用.氫能在未來的能源戰(zhàn)略中處于重要地位
關(guān)鍵詞 氫能源 氫氣能發(fā)電 燃料電池 氫氣能發(fā)電 氣體壓縮技術(shù)
氫是二次能源，不可能自己存在，必須用分離的方法。目前使用最多的方法就是電解水，此外，還有一些生物制備方法也可以作為產(chǎn)氫的方案。風(fēng)能、潮汐能、核能和太陽能等都要先轉(zhuǎn)化成電能然后再通過電解的方法分解出氫。氫能的最大優(yōu)勢就是可以儲存，而電能則無法儲存。同時(shí)，氫很輕，1立方米的液氫只有約70千克，但是能量密度很高。
當(dāng)今世界開發(fā)新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然氣、煤，均屬不可再生資源，地球上存量有限，而人類生存又時(shí)刻離不開能源，所以必須尋找新的能源。
氫作為能源有許多優(yōu)越性。水通過光分解可制得氫，水是取之不盡，用之不竭的原料，又十分低廉，地球的表面有 是水，儲量很大。氫燃料燃燒后又生成水，是一種燃燒無害、十分清潔的能源。氫在儲存、輸送上比電力損失小，而且氫燃燒熱值高，1kg氫燃燒產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于3kg汽油或4.5 kg焦炭的發(fā)熱量。但是在實(shí)際的應(yīng)用中氫的存儲與運(yùn)輸，以及利用太陽能分解水制取氫，一直是制約氫能發(fā)展的問題。
時(shí)至今日，氫能的利用已有長足進(jìn)步。自從1965年美國開始研制液氫發(fā)動機(jī)以來，相繼研制成功了各種類型的噴氣式和火箭式發(fā)動機(jī)。美國的航天飛機(jī)已成功使用液氫做燃料。我國長征2號、3號也使用液氫做燃料。利用液氫代替柴油，用于鐵路機(jī)車或一般汽車的研制也十分活躍。氫汽車靠氫燃料、氫燃料電池運(yùn)行也是溝通電力系統(tǒng)和氫能體系的重要手段。
目前，世界各國正在研究如何能大量而廉價(jià)的生產(chǎn)氫。利用太陽能來分解水是一個(gè)主要研究方向，在光的作用下將水分解成氫氣和氧氣，關(guān)鍵在于找到一種合適的催化劑。如今世界上有50多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行研究，至今尚未有重大突破，但它蘊(yùn)育著廣闊的前景。
發(fā)展氫能源，將為建立一個(gè)美好、無污染的新世界邁出重要一步
一.氫能源的開發(fā)利用現(xiàn)狀
1.依靠氫能可上天
古代，秦始皇統(tǒng)一中國，他想長生不老，曾積極支持煉丹術(shù)。其實(shí)煉丹術(shù)士最早接觸的就是氫的金屬化合物。無奈多少帝王夢想長生不老，或幻想遨游太空，都受當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平所限，真是登天無梯。到后來，1869年俄國著名學(xué)者門捷列夫整理出化學(xué)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(guān)系，為眾多的元素打下了基礎(chǔ)，人們則氫的研究和利用也就更科學(xué)化了。至1928年，德國齊柏林公司利用氫的巨大浮刀，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(yùn)送到南美洲，實(shí)現(xiàn)了空中飛渡大西洋的航程。大約經(jīng)過了十年的運(yùn)行，航程16萬多公里，使1.3萬人領(lǐng)受了上天的滋味，這是氫氣的奇跡。
然而，更先進(jìn)的是本世紀(jì)50年代，美國利用液氫作超音速和亞音速飛機(jī)的燃料，使B57雙引擎輟炸機(jī)改裝了氫發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氫能飛機(jī)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(shí)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(xué)的21世紀(jì)，先進(jìn)的高速遠(yuǎn)程氫能飛機(jī)和宇航飛船，商業(yè)運(yùn)營的日子已為時(shí)不遠(yuǎn)。過去帝王的夢想將被現(xiàn)代的人們實(shí)現(xiàn)。
2.燃燒氫氣能發(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(fù)荷不同，電網(wǎng)有時(shí)是高峰，有時(shí)是低谷。為了調(diào)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(gè)角色。利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫氧發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組是火箭型內(nèi)燃發(fā)動機(jī)配以發(fā)電機(jī)，它不需要復(fù)雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，啟動迅速，要開即開，欲停即停。在電網(wǎng)低負(fù)荷的，還可吸收多余的電來進(jìn)行電解水，生產(chǎn)氫和氧，以備高峰時(shí)發(fā)電用。這種調(diào)節(jié)作用對于用網(wǎng)運(yùn)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(jī)組的運(yùn)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(jìn)而提高機(jī)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(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。換言之，也是水電解槽產(chǎn)生氫和氧的逆反應(yīng)。70年代以來，日美等國加緊研究各種燃料電池，現(xiàn)已進(jìn)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(guān)注。
燃料電池的簡單原最巧是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，能源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(jià)很高，主要用于宇航作電源。現(xiàn)在已大幅度降價(jià)，逐步轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。目前，燃料電池的種類很多，主要有以下幾種：
3.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(dá)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，目前發(fā)電成本尚高，每千瓦小時(shí)約40～50美分。
4.融熔碳酸鹽型燃料電池
融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱為第二代燃料電池，其運(yùn)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(zhì)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(shí)可低于40美分。
5.固體氧化物型燃料電池
固體氧化物型燃料電池被認(rèn)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%，目前不少國家在研究，它適于建造大型發(fā)電站，美國西屋公司正在進(jìn)行開發(fā)，可望發(fā)電成本每千瓦小時(shí)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(yùn)行溫度約200℃，發(fā)電效率也可高達(dá)60%，且不用貴金屬作催化劑，瑞典已開發(fā)200千瓦的一個(gè)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(shí)為離子交換膜燃料電池，它的發(fā)電效率高達(dá)75%，運(yùn)行溫度低于100℃，但是必需以純氧作氧化劑。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(shí)速可達(dá)100公里，這是一種可逆式質(zhì)子交換膜燃料電池，發(fā)電效率最高達(dá)80％。
燃料電池理想的燃料是氫氣，因?yàn)樗请娊庵茪涞哪娣磻?yīng)。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，因此也是今后氫能利用的孿生兄弟。
6.家庭用氫真方便
隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用遲早將進(jìn)入家庭，首先是發(fā)達(dá)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(gè)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(diào)機(jī)等等，并且在車庫內(nèi)與汽車充氫設(shè)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(wù)。
二.國際氫能開發(fā)利用現(xiàn)狀
氫能源的利用并不是新鮮的事情。在工業(yè)上，氣體壓縮技術(shù)早已成熟，而航天上使用的低溫技術(shù)以及我國為“兩彈一星”進(jìn)行的液氫液氧研究都是對氫能的使用，不過，這屬于高技術(shù)行業(yè)。要真正實(shí)現(xiàn)氫能源的產(chǎn)業(yè)化，從氫能的生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)较嚓P(guān)基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)體系的建設(shè)以及標(biāo)準(zhǔn)化的過程，全世界都還有一條長路要走。在此次國際會議開幕式上，歐盟駐華代表團(tuán)公使銜參贊G. Papageorgiou作了歐盟即將在2007年開始的“框架七”研究計(jì)劃的報(bào)告，鼓勵中國專家與歐盟各國專家通過國際合作在歐盟未來科技發(fā)展計(jì)劃中協(xié)作發(fā)展。在隨后的主題報(bào)告中，眾多來自歐盟、日本和美國以及國內(nèi)的氫能源開發(fā)利用項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和專家介紹了國內(nèi)外當(dāng)前氫能源研究項(xiàng)目的最新進(jìn)展、研究成果以及發(fā)展前景情況，氫能源研究已經(jīng)成為全世界的熱點(diǎn)。 國際氫能源利用目前還處于起步階段，不光在中國，全世界都這樣。但是，國外已經(jīng)開展了眾多的氫能源項(xiàng)目，使用各種方法積極地進(jìn)行氫能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的探索。據(jù)介紹，歐盟此前在氫能源利用方面已經(jīng)支持了多個(gè)實(shí)體計(jì)劃，包括與氫能車運(yùn)行相關(guān)的CUTE、氫能儲存方面的StorHy、氫能運(yùn)輸上的HyWays以及氫能安全HySafe等項(xiàng)目計(jì)劃。在這些研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，歐盟“框架六”設(shè)立了Hyapproval項(xiàng)目，通過以氫能源基礎(chǔ)設(shè)施及其加氫站為主線，在歐盟層面上制定氫能源發(fā)展中具體問題的解決方案，從相關(guān)機(jī)構(gòu)的社會綜合層面建立合理的氫能基礎(chǔ)設(shè)施和加氫站的論證審批程序，向世界推薦加氫站的批準(zhǔn)程序、技術(shù)驗(yàn)證方法以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，以便為氫能產(chǎn)業(yè)制定研發(fā)方向，同時(shí)在氫能基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行管理以及安全問題方面有章可循。
我們可以看到氫燃料的優(yōu)點(diǎn)很多，使用氫燃料主要的優(yōu)點(diǎn)之一是可以使排放的二氧化碳降為零，因此對能源來源和轉(zhuǎn)化技術(shù)評估顯得尤為重要。我們可以通過從原油或生物材料（包括城市的固體廢物或叫MSW）里提取氫原子，或者通過用化石燃料或游離碳能源發(fā)電電解水獲得氫。后者一般比較昂貴，很少被使用。不僅如此，采用混合電流能量電解氫將產(chǎn)生低效、碳基能源產(chǎn)物，這將增加二氧化碳的排放。在不久的將來，除了在那些水電資源特別豐富的國家外，例如：冰島、挪威、瑞典、巴西和加拿大或者那些低消費(fèi)、非高峰能源容易獲得的國家，從天然氣、甲醇、石油或MSW中提取氫將是最廉價(jià)的一種選擇。盡管有二氧化碳排放治理和扣押成本，在大多數(shù)地方從原油中提取氫比電解水制氫要便宜很多。
現(xiàn)階段，對于氣候的變化和石油進(jìn)口依靠的國際化關(guān)注的加大，導(dǎo)致了氫能源市場生存能力示范工程的競爭。各國政府、跨國公司和民間組織對加速氫能源轉(zhuǎn)變起到了重要的作用。要實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)，仍存在許多相關(guān)的問題，例如，集中還是分散生產(chǎn)氫；氫汽車的研究、發(fā)展和市場問題；改進(jìn)燃料電池技術(shù)問題；基礎(chǔ)設(shè)施（燃料運(yùn)輸和加油站）方面問題等等。氫能源的商業(yè)化和市場突破，依賴于這些復(fù)雜的因素的相互影響程度，以及成本、功率、能量存儲密度和車輛的成本、性能、行駛范圍、安全等。而且，如果世界某一部分地區(qū)氫能源和燃料電池發(fā)展得到突破將不可避免的影響全球經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程。
在競爭激烈的電力市場，將氫作為電的存儲介質(zhì)會取得很好的經(jīng)濟(jì)效果，因?yàn)闅淠艽鎯δ軌蚴构彩聵I(yè)系統(tǒng)更加靈活，允許間歇性地使用像風(fēng)力發(fā)電這樣間歇性的電力來源，從而為發(fā)電廠節(jié)省燃料，提高經(jīng)濟(jì)效益；在使用的安全性方面，氫燃料相對其他燃料要安全得多，簡言之，極大多數(shù)情況下，如果點(diǎn)燃的話，氫氣泄漏只會造成燃燒，而不會爆炸。事實(shí)表明，投資氫能源建設(shè)的前景廣闊。
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