氢能源的开发与利用
关键词 氢能源 氢气能发电 燃料电池 氢气能发电 气体压缩技术
氢是二次能源，不可能自己存在，必须用分离的方法。目前使用最多的方法就是电解水，此外，还有一些生物制备方法也可以作为产氢的方案。风能、潮汐能、核能和太阳能等都要先转化成电能然后再通过电解的方法分解出氢。氢能的最大优势就是可以储存，而电能则无法储存。同时，氢很轻，1立方米的液氢只有约70千克，但是能量密度很高。
当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。
氢作为能源有许多优越性。水通过光分解可制得氢，水是取之不尽，用之不竭的原料，又十分低廉，地球的表面有 是水，储量很大。氢燃料燃烧后又生成水，是一种燃烧无害、十分清洁的能源。氢在储存、输送上比电力损失小，而且氢燃烧热值高，1kg氢燃烧产生的热量相当于3kg汽油或4.5 kg焦炭的发热量。但是在实际的应用中氢的存储与运输，以及利用太阳能分解水制取氢，一直是制约氢能发展的问题。
时至今日，氢能的利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、3号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。
目前，世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。如今世界上有50多个实验室在进行研究，至今尚未有重大突破，但它蕴育着广阔的前景。
发展氢能源，将为建立一个美好、无污染的新世界迈出重要一步
一.氢能源的开发利用现状
1.依靠氢能可上天
古代，秦始皇统一中国，他想长生不老，曾积极支持炼丹术。其实炼丹术士最早接触的就是氢的金属化合物。无奈多少帝王梦想长生不老，或幻想遨游太空，都受当时的科学技术水平所限，真是登天无梯。到后来，1869年俄国著名学者门捷列夫整理出化学元素周期表，他把氢元素放在周期表的首位，此后从氢出发，寻找与氢元素之间的关系，为众多的元素打下了基础，人们则氢的研究和利用也就更科学化了。至1928年，德国齐柏林公司利用氢的巨大浮刀，制造了世界上第一艘“LZ-127齐柏林”号飞艇，首次把人们从德国运送到南美洲，实现了空中飞渡大西洋的航程。大约经过了十年的运行，航程16万多公里，使1.3万人领受了上天的滋味，这是氢气的奇迹。
然而，更先进的是本世纪50年代，美国利用液氢作超音速和亚音速飞机的燃料，使B57双引擎辍炸机改装了氢发动机，实现了氢能飞机上天。特别是1957前苏联宇航员加加林乘坐人造地球卫星遨游太空和1963年美国的宇宙飞船上天，紧接着1968年阿波罗号飞船实现了人类首次登上月球的创举。这一切都依靠着氢燃料的功劳。面向科学的21世纪，先进的高速远程氢能飞机和宇航飞船，商业运营的日子已为时不远。过去帝王的梦想将被现代的人们实现。
2.燃烧氢气能发电
大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但是各种用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电就最适合抢演这个角色。利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，维修方便，启动迅速，要开即开，欲停即停。在电网低负荷的，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。另外，氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电，利用液氢冷却发电装置，进而提高机组功率等。
更新的氢能发电方式是氢燃料电池。这是利用氢和氧(成空气)直接经过电化学反应而产生电能的装置。换言之，也是水电解槽产生氢和氧的逆反应。70年代以来，日美等国加紧研究各种燃料电池，现已进入商业性开发，日本已建立万千瓦级燃料电池发电站，美国有30多家厂商在开发燃料电池.德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究，这种新型的发电方式已引起世界的关注。
燃料电池的简单原最巧是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能源转换效率可达60%-80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。最早，这种发电装置很小，造价很高，主要用于宇航作电源。现在已大幅度降价，逐步转向地面应用。目前，燃料电池的种类很多，主要有以下几种:
3.磷酸盐型燃料电池
磷酸盐型燃料电池是最早的一类燃料电池，工艺流程基本成熟，美国和日本已分别建成4500千瓦及11 000千瓦的商用电站。这种燃料电池的操作温度为200℃，最大电流密度可达到150毫安/平方厘米，发电效率约45%，燃料以氢、甲醇等为宜，氧化剂用空气，但催化剂为铂系列，目前发电成本尚高，每千瓦小时约40~50美分。
4.融熔碳酸盐型燃料电池
融熔碳酸盐型燃料电池一般称为第二代燃料电池，其运行温度650℃左右，发电效率约55%，日本三菱公司已建成10千瓦级的发电装置。这种燃料电池的电解质是液态的，由于工作温度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氢、一氧化碳、天然气等均可。氧化剂用空气。发电成本每千瓦小时可低于40美分。
5.固体氧化物型燃料电池
固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池，其操作温度1000℃左右，发电效率可超过60%，目前不少国家在研究，它适于建造大型发电站，美国西屋公司正在进行开发，可望发电成本每千瓦小时低于20美分。
此外，还有几种类型的燃料电池，如碱性燃料电池，运行温度约200℃，发电效率也可高达60%，且不用贵金属作催化剂，瑞典已开发200千瓦的一个装置用于潜艇。美国最早用于阿波罗飞船的一种小型燃料电池称为美国型，实为离子交换膜燃料电池，它的发电效率高达75%，运行温度低于100℃，但是必需以纯氧作氧化剂。后来，美国又研制一种用于氢能汽车的燃料电池，充一次氢可行300公里，时速可达100公里，这是一种可逆式质子交换膜燃料电池，发电效率最高达80%。
燃料电池理想的燃料是氢气，因为它是电解制氢的逆反应。燃料电池的主要用途除建立固定电站外，特别适合作移动电源和车船的动力，因此也是今后氢能利用的孪生兄弟。
6.家庭用氢真方便
随着制氢技术的发展和化石能源的缺少，氢能利用迟早将进入家庭，首先是发达的大城市，它可以像输送城市煤气一样，通过氢气管道送往千家万户。每个用户则采用金属氢化物贮罐将氢气贮存，然后分别接通厨房灶具、浴室、氢气冰箱、空调机等等，并且在车库内与汽车充氢设备连接。人们的生活靠一条氢能管道，可以代替煤气、暖气甚至电力管线，连汽车的加油站也省掉了。这样清洁方便的氢能系统，将给人们创造舒适的生活环境，减轻许多繁杂事务。
二.国际氢能开发利用现状
氢能源的利用并不是新鲜的事情。在工业上，气体压缩技术早已成熟，而航天上使用的低温技术以及我国为“两弹一星”进行的液氢液氧研究都是对氢能的使用，不过，这属于高技术行业。要真正实现氢能源的产业化，从氢能的生产、储存、运输到相关基础设施与产业体系的建设以及标准化的过程，全世界都还有一条长路要走。在此次国际会议开幕式上，欧盟驻华代表团公使衔参赞G. Papageorgiou作了欧盟即将在2007年开始的“框架七”研究计划的报告，鼓励中国专家与欧盟各国专家通过国际合作在欧盟未来科技发展计划中协作发展。在随后的主题报告中，众多来自欧盟、日本和美国以及国内的氢能源开发利用项目负责人和专家介绍了国内外当前氢能源研究项目的最新进展、研究成果以及发展前景情况，氢能源研究已经成为全世界的热点。 国际氢能源利用目前还处于起步阶段，不光在中国，全世界都这样。但是，国外已经开展了众多的氢能源项目，使用各种方法积极地进行氢能源技术和产业化的探索。据介绍，欧盟此前在氢能源利用方面已经支持了多个实体计划，包括与氢能车运行相关的CUTE、氢能储存方面的StorHy、氢能运输上的HyWays以及氢能安全HySafe等项目计划。在这些研究结果的基础上，欧盟“框架六”设立了Hyapproval项目，通过以氢能源基础设施及其加氢站为主线，在欧盟层面上制定氢能源发展中具体问题的解决方案，从相关机构的社会综合层面建立合理的氢能基础设施和加氢站的论证审批程序，向世界推荐加氢站的批准程序、技术验证方法以及相关的标准与规范，以便为氢能产业制定研发方向，同时在氢能基础设施设计、安装、运行管理以及安全问题方面有章可循。
我们可以看到氢燃料的优点很多，使用氢燃料主要的优点之一是可以使排放的二氧化碳降为零，因此对能源来源和转化技术评估显得尤为重要。我们可以通过从原油或生物材料(包括城市的固体废物或叫MSW)里提取氢原子，或者通过用化石燃料或游离碳能源发电电解水获得氢。后者一般比较昂贵，很少被使用。不仅如此，采用混合电流能量电解氢将产生低效、碳基能源产物，这将增加二氧化碳的排放。在不久的将来，除了在那些水电资源特别丰富的国家外，例如:冰岛、挪威、瑞典、巴西和加拿大或者那些低消费、非高峰能源容易获得的国家，从天然气、甲醇、石油或MSW中提取氢将是最廉价的一种选择。尽管有二氧化碳排放治理和扣押成本，在大多数地方从原油中提取氢比电解水制氢要便宜很多。
现阶段，对于气候的变化和石油进口依靠的国际化关注的加大，导致了氢能源市场生存能力示范工程的竞争。各国政府、跨国公司和民间组织对加速氢能源转变起到了重要的作用。要实现氢经济，仍存在许多相关的问题，例如，集中还是分散生产氢;氢汽车的研究、发展和市场问题;改进燃料电池技术问题;基础设施(燃料运输和加油站)方面问题等等。氢能源的商业化和市场突破，依赖于这些复杂的因素的相互影响程度，以及成本、功率、能量存储密度和车辆的成本、性能、行驶范围、安全等。而且，如果世界某一部分地区氢能源和燃料电池发展得到突破将不可避免的影响全球经济的进程。
在竞争激烈的电力市场，将氢作为电的存储介质会取得很好的经济效果，因为氢能存储能够使公共事业系统更加灵活，允许间歇性地使用像风力发电这样间歇性的电力来源，从而为发电厂节省燃料，提高经济效益;在使用的安全性方面，氢燃料相对其他燃料要安全得多，简言之，极大多数情况下，如果点燃的话，氢气泄漏只会造成燃烧，而不会爆炸。事实表明，投资氢能源建设的前景广阔。
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