葉召陽(yáng)

（佛山市佛鐵實(shí)業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

氫是一種清潔的能量載體，可以從任何一種能源和燃料電池中產(chǎn)生，而燃料電池是高效的能量轉(zhuǎn)換裝置。通過實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)，可以為人類能源的安全利用以及保護(hù)大氣環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

其在運(yùn)輸領(lǐng)域替代燃料是為了減少全球范圍內(nèi)溫室氣體和不可再生能源的開發(fā)，隨著能源技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)界和工業(yè)界找到了發(fā)展全球氫經(jīng)濟(jì)的方法，而這種方法是基于氫可以作為未來能源載體并能發(fā)揮重要作用的假設(shè)。

該文將對(duì)氫能在生產(chǎn)領(lǐng)域、儲(chǔ)存領(lǐng)域以及應(yīng)用領(lǐng)域的各個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 氫是什么

氫是一種能量載體，這意味著它可以用一種易于使用的形式儲(chǔ)存和傳遞能量。作為地球上最豐富的元素之一，氫很容易與其他元素結(jié)合，在很多物質(zhì)中幾乎都有氫存在，如水、碳?xì)浠衔铩⑻烊粴獾取湟泊嬖谟谒袆?dòng)植物的生物量中。

氫還是宇宙中最常見的元素，它的分子H2在任何已知燃料的單位重量中都有最高的能量含量，但它從未在地球上單獨(dú)存在過，因?yàn)樗偸桥c其他元素結(jié)合，如氧（以分子形式水）或碳（形成碳?xì)浠衔铮?。因此，氫需要人們通過加工生產(chǎn)，才能作為一種能源載體與電力結(jié)合使用，使之成為一種新的能源。

2 氫經(jīng)濟(jì)

氫經(jīng)濟(jì)是能源以氫為媒介（儲(chǔ)存、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化）的一種未來的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)想。氫經(jīng)濟(jì)可以運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，因此需要繼續(xù)開發(fā)和研究。電解水是一種潛在的可持續(xù)制氫的方法，但前提是使用可再生能源發(fā)電。如今，全球電力僅一小部分來自可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能和水電發(fā)電。因此，在能夠?qū)崿F(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)設(shè)想以前，電力的來源必須迅速向可再生能源轉(zhuǎn)變。太陽(yáng)能光伏電解水制氫系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在密歇根州的一個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的一個(gè)項(xiàng)目中，將40 個(gè)太陽(yáng)能光伏組件直接連接到電解槽/儲(chǔ)存/分配器系統(tǒng)里面，結(jié)果氫氣的生產(chǎn)效率僅為8.5%，平均每天生產(chǎn)0.5 kg 高壓氫。類似的研究將會(huì)不斷推動(dòng)太陽(yáng)能—?dú)淠芟到y(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，從而更好地實(shí)現(xiàn)全球氫經(jīng)濟(jì)。

3 制氫方式

雖然氫是宇宙中最豐富的元素，但在地球上面氫元素很少會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)。純氫是由其他含氫化合物產(chǎn)生的，如化石燃料、生物量或水。每種生產(chǎn)方法都會(huì)用到一種能源，如熱能（熱量）、電能（電解）或太陽(yáng)能（光分解）等，研究人員正在開發(fā)各種技術(shù)，希望可以以更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方式生產(chǎn)氫氣。氫氣生產(chǎn)過程中面對(duì)的最大挑戰(zhàn)是如何降低成本，在運(yùn)輸方面，氫只有與傳統(tǒng)燃料和技術(shù)相比具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，才能在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。制氫方法的選擇取決于氫的數(shù)量和所需純度。

3.1 天然氣蒸汽重整

該過程的第一步是將天然氣暴露在高溫蒸汽中，以此產(chǎn)生氫氣、一氧化碳和二氧化碳。第二步是用蒸汽將一氧化碳轉(zhuǎn)化成額外的氫氣和二氧化碳，而大多數(shù)氫氣是由該過程產(chǎn)生的，制氫生產(chǎn)效率大概是70%～90%[1]。

3.2 電解

電能的作用是將水分解成氫氣和氧氣（2H2O+electricity→2H2+O2）。太陽(yáng)能、風(fēng)能和水力發(fā)電等可再生能源產(chǎn)生的能源可作為電能使用。然后將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能直接連接到生產(chǎn)氫氣燃料電池上，通過電化學(xué)分解出氫。

3.3 生物質(zhì)氣化和熱解

以生物質(zhì)（木屑、稻殼、城市生活垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物等）為原料，在隔絕空氣或氧氣的條件下對(duì)其進(jìn)行加熱，使其轉(zhuǎn)化為富氫燃?xì)?，根?jù)溫度可分為高溫氣化和低溫?zé)峤狻４朔椒ㄗ畲髢?yōu)點(diǎn)是H2含量高，但缺點(diǎn)是制氫過程會(huì)產(chǎn)生焦油，造成環(huán)境污染。

3.4 光生物學(xué)過程

光合產(chǎn)氫微生物可以利用光能產(chǎn)生氫氣，如果使用催化劑，制氫效率可達(dá)24%。

3.5 光電解離

在該過程中，陽(yáng)光被半導(dǎo)體吸收，將水分解成氫和氧，可用的半導(dǎo)體有n-TiO2以及n-WSe2等，但目前對(duì)于這塊的研究還很少。

4 儲(chǔ)氫方式

氫單位重量蘊(yùn)含的能量很高，但單位體積的能量含量又很低，因此會(huì)給儲(chǔ)存帶來了很大挑戰(zhàn)。在大多數(shù)情況下，固定式儲(chǔ)氫系統(tǒng)的要求沒有車輛儲(chǔ)氫系統(tǒng)嚴(yán)格。固定儲(chǔ)氫系統(tǒng)占用的區(qū)域相對(duì)較大。然而，車輛儲(chǔ)存系統(tǒng)則面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，它們必須在車輛的尺寸和重量限制的范圍內(nèi)運(yùn)行，并在接近室溫的情況下快速加氫（一般只需幾分鐘）[2]。

許多人認(rèn)為車輛儲(chǔ)氫是氫燃料電池車廣泛商業(yè)化的最大技術(shù)挑戰(zhàn)，目前的方法包括壓縮氫氣罐、液氫罐和材料儲(chǔ)氫。政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究人員正致力于對(duì)整個(gè)儲(chǔ)存系統(tǒng)的儲(chǔ)罐、儲(chǔ)存介質(zhì)、閥門、調(diào)節(jié)器、管道、冷卻能力和其他部件平衡進(jìn)行研究。研究的重點(diǎn)是降低成本，提高現(xiàn)有氫儲(chǔ)存系統(tǒng)中儲(chǔ)罐質(zhì)量、體積，并開發(fā)新的技術(shù)，使其能夠與汽油燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)具有相似的性能和成本。

4.1 壓縮氣體儲(chǔ)罐

目前，新材料已經(jīng)可以制造出能夠在極高壓力下儲(chǔ)存氫氣的儲(chǔ)存罐，雖然儲(chǔ)罐和壓縮的成本很高，但該技術(shù)是可行的。

4.2 液氫

將氫氣冷凝成密度更大的液態(tài)，這樣就可以儲(chǔ)存和運(yùn)輸更多的氫氣。然而，將氫氣轉(zhuǎn)換成液態(tài)氫的成本很高，而且需要輸入大量的能量。

4.3 氣固吸附

活性炭對(duì)氫分子的吸附密度可以接近液態(tài)氫的儲(chǔ)存密度，因此可以大量的儲(chǔ)存氫氣。

4.4 微球

非常小的玻璃球可以在高壓下儲(chǔ)存氫。在高溫下充氣，氣體可以通過玻璃壁，而在低溫下，玻璃是不受氫的影響的，氫氣被鎖在里面。因此，科學(xué)家正在開發(fā)定制的玻璃球。

4.5 化學(xué)氫化物

各種純金屬或合金金屬可與氫結(jié)合，產(chǎn)生穩(wěn)定的金屬氫化物。氫化物在加熱時(shí)分解，釋放出氫氣。氫可以以氫化物的形式儲(chǔ)存，比簡(jiǎn)單的壓縮儲(chǔ)存要高得多。使用這種安全有效的儲(chǔ)存系統(tǒng)時(shí)，要保證在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)金屬具有足夠的吸附能力。

5 氫的應(yīng)用

氫可以在燃料電池、渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生燃燒反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為可用能源。目前正在開發(fā)的燃料電池不僅可以提供一種新的發(fā)電方式，而且大大提高了能源的轉(zhuǎn)換效率，特別是在運(yùn)輸應(yīng)用中。

5.1 燃料電池

燃料電池將氫能直接轉(zhuǎn)換為電和熱，在燃料電池內(nèi)氫氣與空氣中的氧氣結(jié)合，產(chǎn)生電能、純凈水和有用的熱量。例如磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell）和高溫燃料電池（High Temperature Fuel Cell）。

5.2 基于氫的交通運(yùn)輸

汽油混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)了燃料電池汽車的發(fā)展。這種使用氫能的燃料電池車優(yōu)點(diǎn)是能夠儲(chǔ)存更高效的能量，燃燒效率是汽油的2 倍，不依賴任何化石燃料并且唯一的產(chǎn)物是水。對(duì)于這種基于氫能交通運(yùn)輸工具的使用，需要可在降低成本和延長(zhǎng)燃料電池組壽命2 個(gè)方面進(jìn)行研究。

5.3 平衡風(fēng)力發(fā)電

為了平衡電力生產(chǎn)與負(fù)荷要求，可以采用一種新的風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)方法，最大化地進(jìn)行儲(chǔ)氫工作。研究人員對(duì)某地的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，1 臺(tái)半徑為48.4 m 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)配套一個(gè)容量為2 000 m3的壓縮氫儲(chǔ)能回收系統(tǒng)，可以滿足當(dāng)?shù)氐挠秒娨?。因此，未來在設(shè)計(jì)時(shí)，可把風(fēng)力發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)氫儲(chǔ)能回收系統(tǒng)一同設(shè)計(jì)，以此滿足用電需求。

5.4 太陽(yáng)能氫系統(tǒng)

有一些方法可以完全借助光伏系統(tǒng)來產(chǎn)生氫氣和電力，例如光伏—?dú)湎到y(tǒng)、太陽(yáng)直接照射—?dú)湎到y(tǒng)、光電化學(xué)—?dú)湎到y(tǒng)。這些系統(tǒng)將太陽(yáng)能產(chǎn)生的氫氣直接在終端上使用，如果在加氫站上布置一定數(shù)量的光伏組件及其相應(yīng)的配套設(shè)備，就能使加氫站具備制氫能力，以此實(shí)現(xiàn)自給自足。

5.5 核反應(yīng)堆氫系統(tǒng)

當(dāng)氫是通過“水分解”產(chǎn)生的而不是碳?xì)浠衔锿ㄟ^加工產(chǎn)生的時(shí)候，用氫替代化石燃料可以為減少溫室氣體（GHG）的排放提供了一個(gè)重要的機(jī)會(huì)。利用核能產(chǎn)生的能量進(jìn)行“水分解”是大規(guī)模“無碳”制氫的首選方法。世界各地的研究人員正在尋求2 種新的“水分解”方式，即熱化學(xué)循環(huán)和高溫電解（HTE），它們都需要利用新一代的高溫反應(yīng)堆的熱能來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)這2 種方法與高溫核反應(yīng)堆相結(jié)合時(shí)，其效率可在50%～60%，而傳統(tǒng)電解法的效率低于30%[3]。這是目前唯一一種不產(chǎn)生二氧化碳的制氫方法。加拿大原子能有限公司（AECL）于21 世紀(jì)初開始研究開發(fā)下一代概念堆型，包括超臨界水冷反應(yīng)堆（SCWR），以此實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫。

6 結(jié)論

氫作為一種能源載體，在商業(yè)化使用過程，將面臨各種技術(shù)挑戰(zhàn)。氫在提供清潔、安全、可靠和豐富能源方面有著巨大的發(fā)展前景，這也促使人們不斷研究如何將氫作為替代燃料。該文對(duì)氫能的制造方式、儲(chǔ)存方式以及應(yīng)用方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。相信在不久的將來，氫能將會(huì)替代傳統(tǒng)能源，而人類的生存環(huán)境也會(huì)得到進(jìn)一步改善。