氢能：最理想的绿色能源

氢能：最理想的绿色能源
———访大连海事大学材料工艺研究所所长、教授孙俊才

　　由氢气和其他化合物反应产生的氢能是一种理想的洁净能源。发展氢能是我国能源战略的重要组成部分记者：何谓氢能？氢能产生的原理是什么？氢、氢气、氢能以及氢经济是怎样的一种关系？

　　孙俊才：氢能，简单理解就是由氢作为能量载体的一种能源。它产生的原理并不复杂：氢气和氧气发生反应产生水和能量。所以我们说，氢是一种化学元素，氢气是一种单质自然物质。在自然界中，氢主要以化合物的形式存在，也就是与其它元素形成化合物，例如最常见的水就是氢的化合物。氢能是由氢气和氧反应产生的能量，而氢能和其他可再生能源结合在一起形成一个可再生的完整的能源系统，基于这个能源系统上的经济活动就是“氢经济”，或者可以说“氢经济”就是以氢为能源而驱动的经济发展。发展“氢经济”的基础是建立一个完整的氢能生产、运输、存储、转化、应用体系，该体系能够给社会提供较目前化石能源体系更为经济、清洁、高效、便捷的能源。

　　记者：早在十几年前氢能就为人所看好，被认为是未来最理想的绿色能源，世界各国纷纷花力气进行研发，那么氢能作为一种二次能源有何特点？发展氢能的重大意义体现在哪里？

　　孙俊才：氢能的主要特点是资源丰富、热值高和无污染。由于氢以诸如水和烃类化合物等化合物形态存在，因此地球上的氢资源极其丰富。氢是元素周期表中最轻的元素,具有最高的质量比能量。氢的燃烧值远比烃类和醇类化合物高，约为汽油或天然气的2.7倍和煤的3.5倍。与化石燃料燃烧时排放大量污染物和温室气体不同，氢气燃烧的产物是水，因此它是一种理想的洁净能源。

　　另一方面，化石燃料如石油、煤炭的不可再生性和有限的储量以及巨大的污染性给世界经济发展和社会生活带来了挥之不去的阴影。因此，基于氢能的巨大优点，目前，各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统。有人预计氢能将在本世纪引发一场新的能源革命，使世界最终摆脱“碳氢经济”所带来的诸多困扰，进入清洁、安全、便利的“氢经济”时代。同样，能源已经是制约我国经济和社会可持续发展的瓶颈之一，发展氢能应该成为我国能源战略的重要组成部分。抢先进入氢经济，使我国成为氢能经济主导国是保障我国能源安全、打破西方发达国家百多年来对先进科技垄断的一次绝好切入点。

　　记者：我们了解了氢能的产生，那么，氢能有哪些具体的应用？燃料电池是不是它最重要的应用领域？

　　孙俊才：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，一般来说这是氢的直接燃烧；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（以燃料电池和镍氢电池为代表）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。航天领域的火箭、飞船等以液氢为燃料，是氢用作燃料能源的典型例子。氢除在化工、炼油和食品工艺等领域的常规用途外，作为一种洁净能源，将会获得更为广泛的应用。目前在化工领域大力发展的煤炭动力、燃料、化工品联产系统，既是一种可与氢能利用、削减CO2排放的长远可持续发展目标相容，又可实现煤炭的高效、洁净利用的新一代洁净煤利用技术，它实现了煤气化、氢能、发电、一碳化工、精细化工为一体的新世纪能源综合利用系统。此外，金属氢还将具有潜在的特殊军事用途。燃料电池是未来氢能发展最为重要的领域。

　　氢的规模制备、储运及相应氢化学反应系统这三个关键环节实现技术突破和有机结合才能使氢能迅速走向实用化记者：氢制造的原理并不复杂，氢能又有巨大的优越性，那么，为什么氢能的利用进展相对缓慢，问题出现在哪里？孙俊才：尽管近十几年来人类在氢能应用方面取得了很大进展，氢能已开始应用于交通、电力、供暖等领域，但总的来讲，氢作为能源的应用目前还处在试验阶段，还面临许多困难和挑战，需要进一步发展和完善。简单地说，主要的问题来源于氢气本身———必须先制备出氢气,尔后方能利用氢能。因此，氢的规模制备、储运（合称氢源技术）及相应氢化学反应系统（如燃料电池）是氢能发展在技术方面的三个关键环节。

　　氢的规模制备是氢能应用的基础，氢的规模储运是氢能应用的关键，氢燃料电池汽车是氢能应用的主要途径和最佳表现形式，三方面只有有机结合才能使氢能迅速走向实用化。

　　记者：原来氢能产生的第一步———氢气的来源就是个大问题，那么制氢方面存在的主要问题是什么？如何解决？

　　孙俊才：氢能的开发利用首先必须解决氢源问题，世界上的以单质态存在的氢很少，所以要将氢从其化合物(化石燃料、水和生物质)中“经济实惠”地提取出来。一般说来，生产氢要消耗大量的能量，目前，世界上靠燃烧化石燃料为电解水和热化学制氢提供电能和热能，这一过程同样存在环境污染和温室效应。欲实现能源生产的无污染、零排放，必须寻找可持续利用的洁净的一次能源作为制氢的来源。随着核能、风能、太阳能、生物质能等大规模发展，可以为电解水提供电力，又为热化学制氢提供高温热源，其中核能与氢能的结合前景广阔，将使能源生产和利用的全过程基本实现洁净化。因此，必须寻找一种低能耗、高效率的制氢方法。热化学制氢和电解水是目前制氢的主要方法。从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气的技术已经相对成熟，虽已有规模化生产，但从长远观点看，这不符合可持续发展的需要。目前，电解水制氢的主要问题是能耗高、效率低。各国科学家正在研究降低制氢电耗有关的科学问题即高效水电解法。例如，日本开发的高温(120℃)加压(20大气压)水电解法，效率达到75%；美国通用电气公司开发的SPE法，效率达90%。我国的氢能技术正在蓬勃发展，高压水电解技术、稀土合金储氢和火箭用氢发动机技术已达到世界先进水平，研制出生物制氢等极具潜力的氢能技术。

　　记者：氢气具有可燃性，这就给氢气存储和运输过程中的安全性提出了严峻的要求，这个问题不解决，势必影响氢能的产生和应用，这一问题如何解决？

　　孙俊才：由于氢气在一般条件下是气态，这就为其储运带来了很大的困难。可以说储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键。一般情况下，氢气的储存采取氢化物和瓶装储存。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，纳米复合物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，应积极探索纳米复合物作为规模储氢材料的可能性。

　　燃料电池是氢能发电最重要的形式，具有高效率、无噪声、无污染的特点，有望成为航天、电动车辆和分散式供电的首选电源，各国正在大力研发记者：据介绍，燃料电池是氢能最重要的应用形式和发展领域，在交通运输领域有着广阔的应用前景，那么燃料电池的实质是什么？它的工作原理是什么？

　　孙俊才：氢能发电有多种形式,以燃料电池最为重要，它实质是一种将氢化学能直接转化为电能的装置，能量转化效率理论上可达90%，其反应的唯一副产物是水，能有效地避免环境污染，所以，氢燃料电池作为汽车动力系统是通过化学反应产生电能来推动汽车，从本质上不同于内燃机通过燃烧产生热能来推动汽车。作为高效率、无噪声、无污染的电源，燃料电池有望成为航天、电动车辆和分散式供电的首选电源。这些独特优点使它被列为未来世界十大科技之首。燃料电池的原理是利用电分解水时的逆反应，使氢气与空气中的氧气产生化学反应，产生水和电，从而实现高效率的低温发电，且余热的回收与再利用也简单易行。

　　记者：燃料电池分为哪几种类型？各有哪些特点？

　　孙俊才：根据燃料电池所采用的电解质类型可以将燃料电池分为以下几类，一是质子交换膜燃料电池（PEMFC），采用极薄的聚合物薄膜作为其电解质。这种燃料电池是目前最成熟的燃料电池类型，已经投入到电动汽车和船舶、通讯等领域的示范应用。它具有能量转换效率高（实际效率达到45%~70%）、功率高、工作在相对温和的条件下、工作寿命长、可靠性好、良好的环境效益、操作性能好、灵活性高的特点，是一种性能优异的电源，可作为固定电站、可移动便携式动力源、潜艇AIP推进动力源，特别是在电动交通工具动力源上，具有诱人的应用前景和巨大的发展潜力，受到人们的广泛关注。目前主要的技术难关为参与化学反应的催化剂铂是一种贵重的金属，科学家正在积极寻找替代品以降低成本。第二种是二固体氧化物燃料电池（SOFC），采用的是氧化物固态电解质，由于其工作温度约为600℃至1000℃，在燃料电池工作过程中，可以实现对碳氢燃料的内部重整，因而可使用的燃料广泛，包括各种碳氢化合物燃料、天然气、生物质气等等，同时可以实现热电联供，是一种非常有前途和无需大量新建基础设施投入的商业化技术，也是适用于固定式分散供电系统和船舶热电联供系统。这种电池技术需要攻克的难关是努力降低工作温度。另外还有磷酸燃料电池（PAFC）等，采用200℃高温下的磷酸作为其电解质，很适合用于分散式的热电联产系统。

　　记者：我国燃料电池的研究水平如何？燃料电池电动车是否已经上路？离我们生活还有多远？孙俊才：近年来，我国燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，中科院大连化物所等科研单位陆续开发出60千瓦、75千瓦等多种规格的质子交换膜燃料电池组，使我国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。就目前的技术来看已经成熟。燃料电池电动汽车的研制不论在整车技术上，还是在核心技术上，都取得了可喜进展。2004年10月，在上海举行的必比登国际清洁能源汽车挑战赛中，来自50多个国家的150多辆电动车同台竞技。其中，由同济自主研发、装备的上海神力科技公司的第二代轿车用燃料电池发动机的“超越二号”燃料电池轿车，获得5个A的最好综合成绩，与世界最高水平相比，在“动力系统表现及节能减排”、“车辆结构与操控稳定性”两个主要性能方面毫不逊色，甚至表现更佳。我国研制的“京华”牌燃料电池城市客车氢耗指标只有国外的1/4，以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得良好成绩。高性能的燃料电池汽车样车已成功开发出来，目前燃料电池轿车累计运行5000多公里，燃料电池客车累计运行1万多公里。我国已成为第一个燃料电池公共汽车示范运行的发展中国家，在北京2008年奥运期间将投入更多的氢能源车辆。同时也应该看到燃料电池车价格目前还很高，主要有两个原因：一是燃料电池系统相当复杂，其制造还需要贵重金属。二是氢为易挥发、易燃的危险气体，这使燃料电池车的维护和运转费用大幅度提高。

　　“氢经济”前景光明，必须要有战略观点，要充满信心，从现在做起记者：我国对氢能的发展作了哪些规划，制定了哪些战略措施？以上我们谈到了氢能面临的许多问题，那么，如何面对这些问题？

　　孙俊才：在我国中长期科学和技术发展规划战略研究中，氢能被列为重点发展方向之一。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，我国政府在国家基础研究计划、高技术研究发展计划和国家电动汽车重大专项中，设立了一批氢能研究开发与应用示范课题。我国氢能领域的专家和科学工作者在国家经费投入相对不多的条件下，在制氢、储氢和氢能利用等方面仍然取得了不小的进展和成绩，一些研究工作已达到国际先进水平。应该说，“氢经济”前景光明，但距我们仍有相当的路程。技术方面应该不是问题，再经过科研人员一二十年的努力，相信目前面临的难题和障碍都会得到解决。但真正全面实现“氢经济”还要四五十年，因为它更多的是一个社会化的工程，是一个打破现有的化石能源系统、树立新能源的过程。

　　记者：您认为除了技术攻关，发展氢能我们还应做哪些具体的工作和努力？

　　孙俊才：“氢经济”不可能一蹴而就，必须要有战略观点，要从现在做起。氢能和燃料电池技术是一项高新技术，有许多的技术难题，需要我们去攻关、去解决，如应用到运输工具上的可靠性问题、电池性能的一致性问题、燃料电池制造成本问题、交通工具的协调问题等等。这些技术难题的解决，需要社会各个方面的联合攻关。目前已经形成的产、学、研界联合的研究模式，是推动电动汽车发展的有效模式。与日本、加拿大等国家相比，我国的投入力度明显不足，急需加大投入，才能在正在兴起的能源革命中不致落伍。电动汽车和电动船舶在形成商品化之前，其经济效益较差，难以吸引企业的积极投入。同时，由于发展氢能可持续发展的问题，在目前的情况下，必须发挥政府行为的积极引导和主导作用，制定相应的优惠政策，加速电动交通工具的推广应用，建立专项基金，对购买清洁能源技术交通工具的用户给予一定的直接补贴。对投入运营的清洁能源技术运输工具在各种收费上给予优惠和扶持。

　　积极开展国际合作，在原有的国际合作基础上，利用政府的合作渠道，继续扩大国际交流与合作的范围和规模；同时，鼓励和支持企业与研究机构之间开展多种形式的国际合作，加快缩短国内外差距，提高我国的自主开发水平。

　　背景

　　从18世纪以前的太阳、动植物热利用到19世纪煤的利用，再到20世纪石油、天然气和核能的开采和使用，每一次新能源的开拓都带给人类生产力质的飞跃。如今到了21世纪，开发以氢能为代表的一代清洁、高效、安全、可持续的新能源，无论对整个世界还是对我国的可持续发展都有着特别重要的意义。

　　众所周知，氢与氧结合产生热能和水。根据此原理制成的氢燃料电池可以发电作为汽车的动力系统，建立分布式能源系统，提供家庭或工业用电。世界上所有大汽车厂商中有超过一半以上已经研制成功或正在研制氢燃料电池汽车，包括奔驰、宝马、福特、通用、克莱斯勒、丰田等均已开发了成品氢燃料电池汽车。各国也纷纷在汽车工业标准和立法上为氢能动力汽车的推广大作宣传、招兵买马和筹集资金。

　　据悉，科技界最近在廉价大量提取高纯度氢的工艺上取得重大理论和实践进展。美国科学家最近发现通过使用镍、铝和锡合金来做催化剂可以从动植物废料中大量提取高纯度氢。廉价提取氢科技正在使氢能时代进一步走近。

　　链接

　　国际氢能研发情况国际上氢能研究从20世纪90年代以来受到特别重视。近年来，美国、日本、欧盟都制定了氢能发展规划和相应计划，投入大量经费支持氢能更加深入和广泛开发以及应用示范活动。美国早在1990年就通过了氢能研究与发展、示范法案。该法案指导美国能源部启动了一系列氢能研究项目。1996年美国国会又通过了氢能前景法案。2004年宣布今后5年政府拨款17亿美元支持氢能开发。欧盟表示，欧盟分别拨出2000万欧元和600万欧元的专款用于氢能的生产、存储、运输和燃料电池研究开发，欧洲10个城市2003年开始便开展了燃料电池公共汽车商业化载客示范运行。

　　日本通产省于1993年启动了We－net项目：到2020年计划投入30亿美元开发氢能系统的关键技术。

　　加拿大计划将燃料电池电动汽车技术发展成国家的支柱产业，2003年就从2002年的2.76亿美元增至2.9亿美元，估计未来5年里，氢能开发还将投入10亿美元以上，在氢能领域拥有的专利2003年就达581项。加拿大的长期目标是抢占世界氢能领域的制高点。2003年以来，加拿大在氢能源技术利用方面，还提出了如下多项开发计划：如：“氢能村计划”，由政府和私营企业在多伦多地区建立氢能村，部署和示范不同的氢设施技术；此外，正在酝酿中的计划有“氢能走廊”，即在温莎与蒙特利尔之间的900公里高速路上设置加氢站；“氢能机场”，即以氢能技术装备机场，使蒙特利尔机场内部交通车辆氢能化。

　　2003年11月，包括中国、美国等15个国家和欧盟共同签署了“氢经济国际合作伙伴计划（IPHE）”参考条款，目标是建立一种合作机制，有效地组织、评估和协调各成员国，为氢能技术研究开发、示范和商业化活动提供一个能推动和制定有关国际技术标准与规范的工作平台。

本报记者刘洪宇