绿色能源--氢能

引言
　　煤炭石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威
胁。同时矿物燃料的存量，是一个有限量，也会随着过度开采而枯竭。因此，当前在设法降低现有常
规能源（如煤、石油等）造成污染环境的同时，清洁能源的开发与应用是大势所趋。氢能是理想的清洁能源之一，已广泛引起人们的重视。氢不仅是一种清洁能源而且也是一种优良的能源载体，具有可储的特性。储能是合理利用能量的一种方式。太阳能、风能分散间歇发电装置及电网负荷的峰谷差或
有大量廉价电能能都可以转化为氢能储存，供需要时再使用，这种储能方式分散灵活。氢能也具有可
输的特性，如在一定条件下将电能转化为氢能，输氢较输电有一定的优越性。科学家认为，氢能在二
十一世纪能源舞台上将成为一种举足轻重的能源。
l、氢的产生途径
　　1.1电解水制氢．
　　水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的
逆过程，因此只要提供一定形式一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在
75-85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。利用电网峰谷差电解水制氢，作为一种贮能手段也具有特点。我国水力资源丰富，利用水电发电，电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽，其中利用光电制氢的方法即称为太阳能氢能系统，国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量效率的提高，成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。同时，太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节，贮存转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的。我国各种规模的水电解制氢装置数以百计，但均为小型电解制氢设备，其目的均为制提氢气作料而非作为能源。随着氢能应用的逐步扩大，水电解制氢方法必将得到发展。
　　1．2矿物燃料制氢
　　以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。
　　（1）煤为原料制取氢气
　　在我国能源结构中，在今后相当长一段时间内，煤炭还将是主要能源。如何提高煤的利用效率及
减少对环境的污染是需不断研究的课题，将煤炭转化为氢是其途径之一。
　　以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化（或称高温干馏），二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在90－1000℃制取焦碳副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60％（体积）甲烷23-27％、一氧化碳6-8％等。每吨煤可得煤气300－350m3，可作为城市煤气，
亦是制取氢气的原料。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。气化
剂为水蒸汽或氧所（空气），气体产物中含有氢有等组份，其含量随不同气化方法而异。我国有大批中小型合成氢厂，均以煤为原料，气化后制得含氢煤气作为合成氨的原料。这是一种具有我国特点的取得氢源方法。采用OGI固定床式气化炉，可间歇操作生产制得水煤气。该装置投资小，操作容易，其气体产物组成主要是氢及一氧化碳，其中氢气可达60％以上，经转化后可制得纯氢。采用煤气化制氢方法，其设备费占投资主要部分。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视。地下气化技术具有煤
资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。中国矿业大学余力等开发并完善了"长通道、大断
面、两阶段地下煤气化"生产水煤气的新工艺，煤气中氢气含量达50％以上，在唐山刘庄已进行工业性试运转，可日产水煤气5万m3，如再经转化及变压吸附法提纯可制得廉价氢气，该法在我国具有一定开发前景．我国对煤制氢技术的掌握已有良好的基础，特别是大批中小型合成氨厂的制氢装置遍布各地，为今后提供氢源创造了条件。我国自行开发的地下煤气化制水煤气获得廉价氢气的工艺已取得
阶段成果，具有开发前景，值得重视。
　　（2）以天然气或轻质油为原料制取氢气
　　该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。主要发生下述反应：
　　　CH4＋H2O→CO＋H2
　　　CO＋H2O→COZ＋HZ
　　　CnH2h＋2＋Nh2O→nCO＋（Zh＋l）HZ
　　反应在800-820℃下进行。从上述反应可知，也有部分氢气来自水蒸汽。用该法制得的气体组
成中，氢气含量可达74％（体积），其生产成本主要取决于原料价格，我国轻质油价格高，制气成本贵，采用受到限制。大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然气为原料，催化水蒸汽转化制氢的工艺。我国在该领域进行了大量有成效的研究工作，并建有大批工业生产装置。我国曾开发采用间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺，制取小型合成氨厂的原料，这种方法不必用采高温合金转化炉，装置投资成本低。以石油及天然气为原料制氢的工艺已十分成熟，但因受原料的限制目前主要用于制取化工原
料。
　　（3）以重油为原料部分氧化法制取氢气
　　重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油，重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢
气体产物。部分重油燃烧提供转化吸热反应所需热量及一定的反应温度。该法生产的氢气产物成本
中，原料费约占三分之一，而重油价格较低，故为人们重视。我国建有大型重油部分氧化法制氢装置，用于制取合成氢的原料。
　　1．3生物质制氢
　　生物质资源丰富，是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物制氢。
　　（1）生物质气化制氢
　　将生物质原料如薪柴、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料。我国在生物质气化技术领域的研究已取得一定成果，在国外，由于转化技术的提高，生物质气化已能大规模生产水煤气，其氢气含量大大提高。
　　（2）微生物制氢
　　微生物制氢技术亦受人们的关注。利用微生物在常温常压下进行酶催反应可制得氢气。生物质
产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。属于化能营养微生物的是各种发酵类型的
一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌）发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等。目前已有
利用碳水化合物发酵制氢的专利，并利用所产生的氢气作为发电的能源。光合微生物如微型藻类和
光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系，称光合产氢。
　　1．4其它合氢物质制氢
　　国外曾研究从硫化氢中制取氢气。我国有丰富的H25资源，如河北省赵兰庄油气田开采的天然气中H多含量高达90％以上，其储量达数千万吨，是一种宝贵资源，从硫化氢中制氢有各种方法，我国在90年代开展了多方面的研究，各种研究结果将为今后充分合理利用宝贵资源，提供清洁能源及
化工原料奠定基础。
　　1．5各种化工过程副产氢气的回收
　　多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量
副产氢气，如能采取适当的措施进行氢气的分离回收，每年可得到数亿立方米的氢气。这是一项不容
忽视的资源，应设法加以回收利用。目前化工厂副产氢气的回收，可提供一种较为廉价的氢源，应予
以重视。
　　2、氢的解和运输
　　氢在一般条件下是以气态形式存在的，这就为贮存和运输带来了很大的困难。氢的贮存有三种
方法：高压气态贮存；低温液氢贮存；金属氢化物贮存。
　　2．l气态贮存
　　气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中，为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为 20mp的高压钢瓶贮氢重量占只1.6％；供太空用的钛瓶储氢重量
也仅为5％。为提高贮氢量，目前正在研究一种微孔结构的储氢装置，它是一微型球床。微型球系薄
壁（1—10um），充满微孔（l0－10um），氢气贮存在微孔中，微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。
　　2．2、低温液氢贮存
　　将氢气冷却到-253℃，即可呈液态，然后，将其贮存在高真空的绝热容器中，液氢贮存工艺首先
用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技术也比较复杂．高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点，现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠导热系数极小，其颗粒又非常细
可完全抑制颗粒间的对流换热，将部分镀铝微珠（一般约为3％-5％）混入不镀铝的微珠中可有效地
切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普遍高真空的绝热容器，是一
种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。
　　2．3、金属氢化物贮存
　　氢与氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并
放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储于其中，用来贮氢的氢化金属
大多为由多种元素组成的合金。目前世界上己研究成功多种贮氢合金，它们大致可以分为四类：一是
稀土锎镍等，每公斤锎镍合金可贮氢153L。二是铁一钛系，它是目前使用最多的贮氢材料，其贮氢量
大，是前者的4倍，且价格低，活性大，还可在常温常压下释放氢，给使用带来很大的方便。三是镁系，这是吸氢量最大的金属元素，但它需要在287℃下才能释放氢，且吸收氢十分缓慢，因而使用上受限制。四是钒、铌、锆等多元素系，这类金属本身属稀贵金属，因此进一步研究氢化金属本身的化学物理性质，包括平衡压力一温度曲线、生成食转化反应速度，化学及机械稳定性等，寻求更好的贮氢材料仍是氢开发利用中值得注意的问题。带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式，它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源，也可用于吸收废热，储存太阳能，还可作氢泵或氢压缩机使用。
　　2．4、氢气的运输
　　氢虽然有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液氢，它们在使用过程中都存在在着不可忽视的
特殊问题，首先，由于氢特别轻，与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大，即使液态氢也是如此。其次，氢特别容易泄漏，以氢作燃料的汽车行驶试验证明，即使是真空密封的氢燃料箱，每24h的泄漏率就达2％，而汽油一般一个月才泄漏1％，因此对贮氢容器和输氢管道、接头、阀门都要采取特殊的密封措施。第三，液氢的温度极低，只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤，因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。
3、氢能利用
　　早在第二次世界大战期间，氢即用作A—2火箭发动机的液体推进剂。1960年液氢首次用作航天动力燃料。1970年美国发射的"阿波罗"登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。对现代航天飞机而言，减轻燃料自重，增加有效载何变得更为重要。氢的能量密度很高，是普遍汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2/3，这对航天飞机无疑是极为有利的。今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂，以纯氧分为氧化剂，液氢就装在外部推进剂桶内，每次发射需用 1450m3，重约100t。
　　现在科学家们正在研究一种"固态氢"的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船
的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而"消耗掉"。这样飞船在宇宙
中就能飞行更长的时间。
　　氢是21世纪重要的能源载体。以氢为燃料的燃料电池，燃烧时氢与氧结合生成水，是一种洁净的发电技术，顺应了全球的环保大趋势。
　　当前，世界著名的汽车厂商，为发展环保型汽车，加紧更新传统的车用燃料，纷纷决定采用氢能，掀起了一场氢能汽车开发的热潮。实验证明，使用氢燃料电池的汽车排放的碳仅为常规内燃机的
30％，造成的大气污染仅为内燃机的5％，美国汽车工业协会预测，到2002年，美国将生产约50万-
100万辆氢能汽车。
　　除汽车外，200年开始，美国、欧洲和日本将在飞机上推广氢燃料。据欧洲空中客车飞机公司预
测，最迟将于2002年，欧洲生产的飞机可大规模采用液氢为燃料。由于液态氢的工作温度为-253℃，因此必须改进目前的飞机燃料系统。德国戴姆勒一奔驰航空公司和俄罗斯航空公司已从1996年开始进行试验，证实在配备有双发动机的喷气机中使用液氢，其安全性有足够的保证。另外，由于同等重量的氢和汽油相比，氢提供的能量是汽油的3倍，但即使液态氢也需要4倍于汽油的容积，从而飞机设计师们面临的任务是将传统的机翼设计成可以容纳更多液氢的新型构造。
　　氢能的开发与应用研究在我国尚处于起步阶段，但随着技术进步，环境对清洁能源的要求不断提
高，氢能利用是发展的必然趋势，对氢源供应的要求必将日益增加。在发展过程中，应结合我国情况
积极开展扩大氢源、降低价格的研究，以便取得较好的经济效益和社会效益。
4、结束语
　　不久的将来，"氢经济社会"节省下石油、煤炭等化石燃料资源，基本废除内燃机动力系统，实现无污染排放，缓解温室效应，让环境更洁净、空气更清新。同时，氢能的使用也会带动可再生能源设备：电解水设备、燃料电池、储氢器等一系列新兴制造产业，全面推动经济发展。而核聚变电站、太阳能电站、风力电站及潮汐电站的发展又可以与氢能技术进一步结合，把人类利用能源的水平提高到新的水平。
　　总之，氢能的研究与开发有广宽的前景，随着氢能应用领域的逐步成熟与扩大，必然推动制氢方
法研究与开发。适合我国国情的廉价的氢源供应又将会进一步促进氢能的应用，为改善环境造福人
民作出贡献。

１．老朋友、新能源。

　　人们对氢并不陌生，氢是我们的老朋友。大约２５０年前人们就发现了氢，约１５０年前就开始在工业中应用氢。城里人用来取暖、做饭和照明的煤气中，氢含量高达５０％～６０％。现代航天工业大量使用并依赖氢能。此外，氢在氨、甲醇合成、电子器件或玻璃生产等过程中也有着广泛的应用。

　　过去，人们对氢作为能源的认识并不深刻，今天，由于化石能源的资源日益枯竭，化石能源造成的污染危害日益严重，使得人们更加关注氢能。说氢能是人类未来的新能源，是因为氢能具备其它能源所没有的一些特点：

　　资源丰富。地球上的氢主要以化合物如水、石油、天然气等形式存在。水是地球的主要资源，地球表面的７０％以上被水所覆盖，即使在大陆，也有丰富的地表和地下水。水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，１８公斤水就有两公斤氢。水就是地球上无处不在的“氢矿”。

　　获取途径多样。氢既可以通过各种化石燃料如天然气、煤、煤层气来制取，也可以用可再生能源如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热或者二次能源（如电力）来开采。

　　清洁环保。利用低温燃料电池、通过电化学反应将氢转化为电能和水的过程中不排放二氧化碳和氮氧化物，没有任何污染。使用氢燃料内燃机，也是显著减少污染的有效方法。

　　可储存。氢气可以像天然气一样被大规模储存，这是氢能和电能、热能最大的不同之处。

　　可再生。氢由化学反应产生电能（或热能）并生成水，而水又可以由电解再转化为氢和氧，如此循环，永无止境。

　　此外，由于化石能源分布极不均匀，常常引起各国间的激烈争夺，甚至发生战争。而氢能既可再生又来源广泛，每个国家都有丰富的“氢矿”，因此氢能有“和平”能源的称号。

　　能源是我国可持续发展的基础。目前我国化石能源供求有巨大的缺口，以煤为主的能源结构对环境产生了严重影响。今后要建立能源供应和安全保障体系，改善能源利用对环境的影响，就不能不研究氢能，不能不利用氢能。

　　２．怎样使用氢？

　　现阶段氢能的主要使用方式是氢的直接燃烧和氢燃料电池的电化学转换。

　　——直接燃烧方式。燃烧纯氢气，其火焰温度超过２０００℃，一般的设备承受不了；氢火焰没有颜色，容易烧伤人，给使用带来不便。如果将氢按一定比例添加到天然气、汽油中作为民用生活燃料或汽车燃料，不必改变用户的任何设备，就能使氢大有用武之地。氢—天然气、氢—汽油、氢—柴油等混合燃料，因排放污染物少，成本低廉，易于推广，在近期更适合我国的国情，应该给予特别的重视。北京市目前有约３０００辆天然气公共汽车，预计到２００８年将有８０００辆天然气公共汽车，如果掺入２０％（体积）的氢，则相当于有千余辆燃烧纯氢的公共汽车，这将给首都的能源供应、环境保护带来相当大的好处。

　　——燃料电池方式。燃料电池是将氢的化学能转化为电能与热能的电化学装置。英国人威廉·格罗夫（ＷｉｌｌｉａｍＧｒｏｖｅ，１８１１—１８９６）是第一个试验燃料电池的人。燃料电池采用模块化能源转换器，运行时无噪音，结构紧凑，没有移动部件，无振动。燃料电池的效率很高，总的能源使用率在８０％以上。同时，以纯氢作燃料时，排放的是温暖的气体和水蒸气，根本不产生污染物。

　　氢燃料电池技术将引发一场汽车技术革命。采用燃料电池发动机作为汽车的动力之后，汽车的外形看似不变，但其内部结构发生了重大变化。燃料电池汽车根本没有常规的发动机、离合器、变速箱、传动轴、万向轴等，成千上万的汽车机械零件将被省略。如果说汽车工业的前１００年是内燃机的天下，那么今后将是燃料电池的舞台。据估计，目前，全球有６００—８００辆各式各样的燃料电池车正在试验中，有近百座氢燃料加注站投入运转。１９９９年，在德国的慕尼黑国际机场，一个机器人液体氢加氢站已经开始运行。可以推测，如一切顺利，完全由氢支持的陆地交通运输可望在２０３０年左右实现。

　　２０００年，我国汽车工业产值已超过３０００亿元。在未来２０年内，巨大的潜在需求将使汽车产销保持高速增长势头。在高度国际化竞争的汽车市场上，我国的传统内燃机汽车难以同发达国家竞争。而氢燃料电池车国内外都处在研究开发阶段，我们虽然有差距，但只要采取适当的机制，是可以突破障碍，实现跨越式发展的。发展氢能燃料电池汽车是我国汽车工业不可多得的机遇。

　　除用作汽车动力源之外，供电、供热是燃料电池的另一大消费市场。氢燃料电池技术已经对传统的供电、用电方式产生巨大影响。人们逐渐认识到目前的大规模集中式发电和远距离输电的缺点。美国加州大规模停电事件、科索沃战争石墨炸弹可以轻易地破坏电网等，使人们对大发电系统的安全性深感担心。同时，长距离输电的能耗也非常大。氢燃料电池的出现使每一栋楼房和每一家住户都可以成为发电的场所燃料电池系统可安装在任何地方　，由此，可减少发电和输电时的大量能源损耗，并可充分利用发电时产生的热能给住宅供暖、供应热水等。日本不少大公司，如大阪煤气、新日本石油等已经开发出家用１千瓦燃料电池热电设备，每个家庭都可以发电。科学家今天的共识是，大电网和分布式供电系统的联合，才是有效的能源利用模式。

　　３．氢安全吗？

　　作为一种新能源，人们担心它的安全性是完全可以理解的。事实上，从技术方面讲，氢的使用是绝对安全的。氢在空气中的扩散性很强，氢泄漏或燃烧时，可以很快地垂直上升到空气中并消失得无影无踪。氢本身没有毒性及放射性，不会对人体造成伤害，也不会产生温室效应。科学家已经作了大量的氢能安全实验，证明氢是安全的燃料。如在汽车着火实验中，分别将装有氢气和天然气的汽车燃料罐点着，结果氢气作燃料的汽车着火后，氢气剧烈燃烧，但火焰总是向上，对汽车的损坏较缓慢，车内人员有较长的时间逃生。而天然气作燃料的汽车着火后，由于天然气比空气重，火焰向汽车的四周蔓延，很快包围汽车，危及车内人员的安全。再如，用枪射击一个装满氢气的高压气瓶，会发生什么现象？如果你认为气瓶会爆炸，那就错了。实际情况是氢气会呼啸而出，没有火焰，没有爆炸，最后留下一个有弹孔的气瓶。科学、严格、系统的实验提供了氢能安全运行的条件和规程，只要你按规程去做，就没有一点危险。人们已经有过１００多年安全使用氢的经验，今天，更加有效的氢安全系统的整套设备已经商品化，我们还担心什么呢？

　　４．加强国际协作，推动我国的氢能发展。

　　我国是最有希望实现“氢能经济”的国家。燃料电池技术是使用氢能的最佳方法之一。目前，虽然氢燃料电池还未市场化，但各大公司已纷纷准备抢占我国市场。例如，通用汽车公司不但将该公司的氢燃料电池车运到我国来展示，而且还让我国观众亲自驾驶，体会燃料电池车的性能。戴姆勒－克莱斯勒公司、杜邦公司、福特汽车公司等纷纷在我国不同场合召开燃料电池研讨会和论坛，培育中国氢能市场。特别值得指出的是，２００４年５月在北京举行的“第二届国际氢能论坛”上，来自全世界２０个国家的５００多名政治家、实业家和科学家共聚一堂，讨论氢能的发展战略、氢能技术和氢能经济。我国自行研制的氢燃料电池公共汽车和德国的氢燃料电池车一起冒雨开过天安门，到达人民大会堂，引起国内外广泛关注。氢能发展的国际化动向，为我国提供了吸取国际经验的大好机会。我们应该积极参加世界氢能合作，从实际情况出发，发展我国的氢经济，同时推动世界氢经济的发展。在氢能源舞台上，发达国家和我们一样缺乏经验，我们完全有可能超越他们，利用“天时、地利、人和”，在世界能源舞台上，唱一出中国氢能大戏。