淺談氫能發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)和存在問(wèn)題

..淺談氫能發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)和存在問(wèn)題課程：新能源概論______20XX5月..目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章氫能的介紹1§1.1氫能的特點(diǎn)1第二章氫能開(kāi)發(fā)與利用的現(xiàn)狀3§2.1氫能的開(kāi)發(fā)3第三章氫能的發(fā)展現(xiàn)狀9§3.1

國(guó)外發(fā)展概況9§3.2

國(guó)內(nèi)發(fā)展概況9第四章氫能的應(yīng)用前景11§4.1

氫的直接燃燒利用11§4.2

氫能在燃料電池中的應(yīng)用11§4.3

氫能在其它領(lǐng)域的應(yīng)用12第五章氫能開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題14第六章總結(jié)15參考文獻(xiàn)16..第一章氫能的介紹§1.1氫能的特點(diǎn)氫位于元素周期表之首,它的原子序數(shù)為1,在常溫常壓下為氣態(tài),在超低溫高壓下又可成為液態(tài)。作為能源,氫有以下特點(diǎn)：1.1所有元素中,氫重量最輕。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,它的密度為0.0899g/l；在-252.7°C時(shí),可成為液體,若將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓,液氫就可變?yōu)楣虘B(tài)氫。1.2所有氣體中,氫氣的導(dǎo)熱性最好,比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍,因此在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體。1.3氫是自然界存在最普遍的元素,據(jù)估計(jì)它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75％,存儲(chǔ)量大。除空氣中含有氫氣外,它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中,而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算,如把海水中的氫全部提取出來(lái),它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大90O0倍。1.4氫的發(fā)熱值高,除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,為142,351kJ/kg,是汽油發(fā)熱值的3倍。如表1-4.表1-4幾種物質(zhì)的燃燒值1.5氫燃燒性能好,點(diǎn)燃快,與空氣混合時(shí)有廣泛的可燃范圍,3％－97％范圍內(nèi)均可燃。而且燃點(diǎn)高,燃燒速度快。1.6氫本身無(wú)毒,與其他燃料相比氫燃燒時(shí)最清潔,除生成水和少量氮化氫外不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì),少量的氮化氫經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理也不會(huì)污染環(huán)境。1.7氫循環(huán)使用性好,燃燒反應(yīng)生成的水可用來(lái)制備氫,循環(huán)使用。1.8氫能利用形式多,既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能,在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功,又可以作為能源材料用于燃料電池,或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。用氫代替煤和石油,不需對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造,現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用。1.9氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn),能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。氫能開(kāi)發(fā)與利用的現(xiàn)狀§2.1氫能的開(kāi)發(fā)氫能否被廣泛使用,制氫工藝是基礎(chǔ)。因?yàn)樗肿又袣浜脱醯慕Y(jié)合非常牢固,要把它們分開(kāi),需花費(fèi)很大的力氣。比方說(shuō),必須加熱到攝氏二、三千攝氏度的高溫,才能把水分解成氫氣和氧氣。這樣不僅要消耗很多的能量,而且還要有相應(yīng)的耐高溫、耐高壓設(shè)備。為了避開(kāi)這個(gè)難點(diǎn),目前實(shí)際上主要還是利用天然氣、煤炭和石油產(chǎn)品作原料來(lái)制取氫氣?！?礦物燃料制氫是利用化學(xué)方法將礦物中的氫元素提取出來(lái)的方法。①煤的焦化,即將煤通過(guò)高溫干餾生產(chǎn)焦炭,同時(shí)得到一種氣體產(chǎn)品──煉焦煤氣,從煉焦煤氣可以制得氫氣。這是一種古老的生產(chǎn)氫的方法,而且氫只是一種副產(chǎn)品。②水煤氣轉(zhuǎn)化。水蒸氣通過(guò)熾熱的煤層制得水煤氣,10000CC＋H2O======CO＋H21000然后把水煤氣跟水蒸氣混合,以氧化鐵等為催化劑,在500~5500500~5500CCO＋H2O==========CO2500~550再把混合氣體加壓、水洗使二氧化碳溶于水,即分離出氫氣③從天然氣、煉廠氣〔石油煉制廠的副產(chǎn)氣體、油田氣等氣體燃料中制取氫氣。把碳?xì)浠衔?如甲烷〔存在于天然氣、煉廠氣中高溫裂解,可制得炭黑和氫氣,高溫裂解CH4==========C+2H2高溫裂解在鎳催化劑存在下,把一些碳?xì)浠衔?如甲烷跟水蒸氣在800~9000[Ni]800~9000CCH4＋H[Ni]800~900再把一氧化碳轉(zhuǎn)成二氧化碳〔應(yīng)用水煤氣轉(zhuǎn)化法,并使之加壓溶解于水,遂獲得氫氣。還可采用碳?xì)浠衔锊糠盅趸▉?lái)制氫,原理同上面差不多,也是用碳?xì)浠衔锖退魵馔ㄟ^(guò)催化劑生成氫、一氧化碳、二氧化碳的混合氣體,然后在混合氣體中加進(jìn)更多的水蒸氣,依靠另一些催化劑的作用,生成更多的氫和二氧化碳。這些方法大都需要催化劑和高溫,催化劑多數(shù)是鎳的化合物。特別是它們都以碳?xì)浠衔餅樵?仍舊離不開(kāi)煤炭、天然氣、石油等礦物燃料,所以算不上是一種有前途的制氫技術(shù)。電解〔2電解水法。水中放進(jìn)一點(diǎn)兒氫氧化鈉、硫酸鉀、硫酸之類的電解質(zhì),通電之后,極上就能放出氫氣。電解水法制得氫氣的純度可達(dá)99.5～99.8%。其原理為:電解2H2O======2H2↑+O2↑電解法制氫不消耗礦物燃料,但是用電量很大,每生產(chǎn)1kg氫需要消耗五、六十度電,成本太高。只有在電力供應(yīng)充裕、電價(jià)低廉〔如有大量低價(jià)的水力發(fā)電或核動(dòng)力發(fā)電的情況下,電解水制氫才有可能煥發(fā)青春,為大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料作出新貢獻(xiàn)。電解〔3各種化工過(guò)程副產(chǎn)品氫氣的回收,如氯堿工業(yè)、冶金工業(yè)等。電解2NaCl+2H2O=====Cl2↑+2NaOH+H2↑〔4熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫。該方法是在水反應(yīng)系統(tǒng)中加人中間物,經(jīng)歷不同的反應(yīng)階段,最終將水分解為氫和氧,且中間物不消耗。這其實(shí)也是一種加熱直接分解水的方法,不過(guò)不是單純依靠加熱硬把氫、氧一步分開(kāi),而是通過(guò)某些化學(xué)藥品〔如二氧化硫、硫酸和硫酸鉍與水反應(yīng),分幾步把水分解制得氫氣,形成一個(gè)熱化學(xué)循環(huán),所以又叫做分步反應(yīng)分解水制氫法。在熱化學(xué)法制氫中,不同的化學(xué)反應(yīng)有不同的化合物──如硫、鉍、鈣、溴、汞、鐵、碘、鎂、銅、氯、鎳、鉀、鋰等的化合物──作為中間反應(yīng)物參加,反應(yīng)溫度大多為八、九百度,高的也僅有上千度。反應(yīng)結(jié)束后,化學(xué)藥品的數(shù)量不減少,可以回收循環(huán)使用,消耗的只是水,水被分解成氫和氧了。現(xiàn)在,科學(xué)家們已提出了多種熱化學(xué)分解水制氫的方案,并且正在尋找最佳的制氫方案而努力。熱化學(xué)法制氫仍舊需要熱。如果把這種方法同核反應(yīng)堆聯(lián)系到一起,利用核反應(yīng)堆的余熱來(lái)提供所需要的能量,同時(shí)解決高溫、腐蝕性、投資大等不足之處,那就可以大大降低氫的生產(chǎn)成本?！?光化學(xué)制氫。它是在有光照催化劑作用下,促使水解制得氫氣的一種方法?，F(xiàn)在世界上已經(jīng)有了強(qiáng)大的太陽(yáng)能高溫爐,聚焦溫度高達(dá)4000℃早在1972年,日本科學(xué)家本多等人在研究半導(dǎo)體電極在光照下的電化學(xué)行為時(shí),發(fā)現(xiàn)把氧化鈦晶體電極和鉑黑電極連接起來(lái)浸到水里,當(dāng)太陽(yáng)光照射氧化鈦表面時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電流,分解水制得氫氣。不過(guò),由于氧化鈦半導(dǎo)體的禁帶寬度大于3.0eV,只能吸收太陽(yáng)光中的紫外光和近紫外光部分,所以光能利用效率很低,不過(guò)1%?，F(xiàn)在的問(wèn)題是要探索的性能優(yōu)良的光電極半導(dǎo)體材料,以便進(jìn)一步提高光解水的效率。專家們認(rèn)為,應(yīng)該采用禁帶寬度為1.0～1.6eV的半導(dǎo)體,它們可以吸收差不多整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)光。這樣的半導(dǎo)體材料有好多種,目前研究得比較多的是砷化鎵、磷化銦等等。不久前美國(guó)科學(xué)家海勒等人用磷化銦半導(dǎo)體作電極的光電化學(xué)電池制氫,效率達(dá)到12%。還有人用硅作電極,在太陽(yáng)光的照射下,可以從水中制取12～13%的氫氣,甚至有可能達(dá)到25%。這就使氫燃料的商品化生產(chǎn)有了可能。光絡(luò)合催化分解水制氫是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新領(lǐng)域。11年前,有人發(fā)現(xiàn)三聯(lián)毗啶釕絡(luò)合物的激發(fā)態(tài)具有電子轉(zhuǎn)移能力,這使人想起可以利用它來(lái)光解水制氫。后來(lái)就發(fā)明了一種復(fù)合催化體系,其中包括光敏劑、中繼物、電子給體和鉑催化劑。光敏劑捕獲太陽(yáng)能而呈激發(fā)態(tài)；起橋梁作用的中繼物從光敏劑的激發(fā)態(tài)得到電子,然后迅速同水進(jìn)行電子交換,還原水而得氫氣。光敏劑失去的電子應(yīng)該得到補(bǔ)充,這就要往溶液中加進(jìn)電子給體。這樣的復(fù)合催化體系的太陽(yáng)光的照射下,每升溶液每小時(shí)可以生產(chǎn)1L氫氣。目前,科學(xué)有正在研究一種辦法,把放氫、放氧兩個(gè)分解水的半過(guò)程耦合起來(lái),這樣可以不消耗電子給體,使生產(chǎn)成本大大降低。據(jù)報(bào)道,最近日本制成了一種高效催化劑,是把氧化鈦、氧化釕和鉑粘著在一起,做成顆粒直徑只有1Mr的灰色粉末。把這種粉末加到水和纖維素的混合液里,放在太陽(yáng)光下,就能產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。水被分解了,最后剩下來(lái)的僅僅是催化劑。關(guān)于光解水制氫所取得的突破性成果,曾被我國(guó)27位著名科學(xué)家推薦、評(píng)選為1982年的世界十項(xiàng)重大科技進(jìn)展之一?！?生物質(zhì)制氫。它是將生物體中的氫元素通過(guò)裂解或者氣化的方法提取出來(lái)的方法。①生物質(zhì)催化氣化制氫技術(shù)生物質(zhì)催化氣化制氫的主要流程如圖1所示。三個(gè)過(guò)程決定最終氫氣的產(chǎn)量和質(zhì)量,即生物質(zhì)氣化過(guò)程、合成氣催化變換過(guò)程和氫氣分離、凈化過(guò)程。生物質(zhì)氣化。生物質(zhì)熱化學(xué)氣化是指將預(yù)處理過(guò)的生物質(zhì)在氣化介質(zhì)中如：空氣、純氧、水蒸氣或這三者的混合物中加熱至700度以上,將生物質(zhì)分解為合成氣。生物質(zhì)氣化的主要產(chǎn)物為H2、CO2、CO、CH4,混合氣的成分組成比因氣化溫度、壓力、氣化停留時(shí)間以及催化劑的不同而不同,氣化反應(yīng)器的選擇也是決定混合氣組成的一個(gè)主要因素。氫氣分離、凈化。日前主要采用的分離方法有：金屬氫化物分離法；變壓吸附法；低溫分離法；鈀合金薄膜擴(kuò)散法；聚合物薄膜擴(kuò)散法等。利用各種氫氣純化法使氫氣純化,所得的氫氣回收率有很大差別。金屬氫化物分離法、變壓吸附法和聚合物薄膜擴(kuò)散法的回收率一般在70％－85％；低溫分離法回收率達(dá)到95％；鈀合金薄膜擴(kuò)散法采用富氫原料氣時(shí),回收率可達(dá)99％。我國(guó)的生物質(zhì)氣化技術(shù)已達(dá)到工業(yè)示范和應(yīng)用階段。中國(guó)科學(xué)院XX能源所多年來(lái)進(jìn)行了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究,其氣化產(chǎn)物中氫氣約占10%,熱值達(dá)11MJ/m3。在國(guó)外,由于轉(zhuǎn)化技術(shù)水平較高,生物質(zhì)氣化已能大規(guī)模生產(chǎn)水煤氣,且氫氣含量也較高。②等離子體熱解、氣化制氫。用等離子體進(jìn)行生物質(zhì)轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)完全不同于傳統(tǒng)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化形式的工藝,引起了許多研究者的普遍注意。目前產(chǎn)生等離子的手段有很多,如聚集爐,極光束,閃光管,微波等離子以及電弧等離子等。其中電弧等離子體是一種典型的熱等離子體,其特點(diǎn)是溫度極高,可達(dá)到上萬(wàn)度,并且這種等離子體還含有大量各種類型的帶電離子、中性離子以及電子等活性物種。生物質(zhì)在氮的氣氛下經(jīng)電弧等離子體熱解后,產(chǎn)品氣中的主要組分就是H2和CO,并完全不含焦油。在等離子體氣化中,可通進(jìn)水蒸氣,以調(diào)節(jié)H2和CO的比例,為制取其他液體燃料作準(zhǔn)備。國(guó)外對(duì)生物質(zhì)的水蒸氣催化氣化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,其單位kg生物質(zhì)產(chǎn)氫率從30-80g不等。美國(guó)夏威夷大學(xué)和天然氣能源研究所合作建立的一套流化床氣化制氫裝置在水蒸氣和生物質(zhì)的摩爾比為1.7的情況下,每千克生物質(zhì)〔去濕、除灰可產(chǎn)生128g氫氣,達(dá)到該生物質(zhì)最XX論產(chǎn)氫量的78%.表3是以焦煤、橄欖殼以及向日葵桿為原料進(jìn)行的水蒸氣催化氣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出,在催化劑作用下,即使氣化溫度比較低〔450度,也可得到較高的氫含量〔34.7％。另外氫氣的產(chǎn)出也隨氣化原料和催化劑的不同而不同。③微生物制氫?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)了不少能夠產(chǎn)氫的細(xì)菌,一類是化能異養(yǎng)菌,一類是光合自養(yǎng)菌。已知產(chǎn)氫的化能異養(yǎng)菌有30多種,它們能夠發(fā)酵糖類、醇類、有機(jī)酸等有機(jī)物,吸收其中的一部分化學(xué)能來(lái)滿足生命活動(dòng)的需要,同時(shí)把另一部分能量以氫氣的形式釋放出來(lái)。有些化能異養(yǎng)菌的產(chǎn)氫能力很強(qiáng),比如有一種酪酸梭狀芽孢桿菌,發(fā)酵1g葡萄糖能產(chǎn)出0.25L氫氣。光合自養(yǎng)菌比化能異養(yǎng)菌更有能耐,它們不需要消耗有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物,而能像綠色植物那樣吸收太陽(yáng)光,把簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物以滿足自身的需要,同時(shí)放出氫氣。太陽(yáng)光取之不盡,無(wú)機(jī)物到處都是,所以用光合自養(yǎng)菌產(chǎn)氫大有前途。這樣的細(xì)菌也已經(jīng)找到了十幾種。30多年前人們就發(fā)現(xiàn),綠藻在無(wú)氧條件下被太陽(yáng)光照射時(shí),可以放也氫氣。后來(lái)又發(fā)現(xiàn),藍(lán)綠藻等好多藻類都有這種光合產(chǎn)氫的本領(lǐng)。甚至某些高等植物也是光合放氫的好材料。有些科學(xué)家提出培育"氫樹(shù)"的設(shè)想,想從高等植物那里取得氫燃料。他們認(rèn)為,如果讓植物的光合作用保留在分解水的階段,使氫不與二氧化碳起作用,而直接從植物體內(nèi)分離出來(lái),那么,一棵棵的"氫樹(shù)"就可以直接給我們提供純凈的氫氣了。這種利用某些高等植物的光合作用制氫的辦法是很經(jīng)濟(jì)的,不過(guò)也有不足,主要是效率低、占地面積大、氫氣的收集比較困難,有待進(jìn)一步探索。還有人琢磨從植物身上取出葉綠體,使之成為"生產(chǎn)氫氣的工廠"。第一臺(tái)葉綠體制氫裝置于1973年在美國(guó)問(wèn)世,1mg葉綠體可產(chǎn)出15μL氫氣。以后,英國(guó)、蘇聯(lián)科學(xué)家用1g葉綠體在1h內(nèi)生產(chǎn)出了1L氫氣。問(wèn)題是天然的葉綠體壽命太短,需要尋找延長(zhǎng)它們工作壽命的辦法。還有人在研究人工葉綠體制氫。綜上所述,制氫的方法確實(shí)是很多的。水電解制氫、生物質(zhì)制氫等制氫方法,現(xiàn)已形成規(guī)模,其中,低價(jià)電解水制氫方法在今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法,目前應(yīng)用中尚需要降低電耗。第三章氫能的發(fā)展現(xiàn)狀§3.1.國(guó)外發(fā)展概況現(xiàn)階段由于氫能系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著越來(lái)越重要的作用,在國(guó)外氫能的發(fā)展已經(jīng)不單純停留在技術(shù)領(lǐng)域上,同時(shí)產(chǎn)生了―氫能經(jīng)濟(jì)‖的新經(jīng)濟(jì)模式的概念[4]。最近又有專家提出未來(lái)要發(fā)展到―氫能文明社會(huì)‖的新階段[5]。不過(guò),由于氫能在制備儲(chǔ)存等方面的局限使氫能商業(yè)化進(jìn)展仍然很慢,即使對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家而言,雖然氫能的技術(shù)條件已經(jīng)成熟,但仍處于示范階段?，F(xiàn)階段氫能作為一種高效能源在航天飛機(jī)、火箭等航天行業(yè)及城市公共汽車(chē)中有廣泛應(yīng)用,一些國(guó)外的發(fā)達(dá)國(guó)家在1993年就開(kāi)始使用以液氫為燃料的城市公共汽車(chē)。目前世界各國(guó)推出的燃料電池動(dòng)力車(chē)及可用于手提電腦、播放器、手機(jī)的小型燃料電池等利用氫能的產(chǎn)品已經(jīng)非常多[6]。目前歐洲已有22座加氫站,而在美國(guó)、日本建立的加氫站則更多。美國(guó)聯(lián)邦政府計(jì)劃在2004～20XX投入12億美元用于實(shí)施―氫能技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)與示范行動(dòng)計(jì)劃‖[7]。北歐國(guó)家冰島與戴一克、殼牌等公司合作[9],希望在今后30—40年的時(shí)間內(nèi)在該國(guó)的公共汽車(chē)、轎車(chē)和漁船上用氫取代石油,從而使該島國(guó)成為初步實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)的國(guó)家[10]。日本于1993年啟動(dòng)了二個(gè)項(xiàng)目,計(jì)劃到2020年投入30億美元,構(gòu)建一個(gè)環(huán)球能源網(wǎng)絡(luò)[11],用于氫能源的有效供給、輸送與利用,將500萬(wàn)輛燃料電池車(chē)投入市場(chǎng),近期將建成2000多個(gè)加氫站§3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展概況我國(guó)對(duì)氫能的研究與發(fā)展可以追溯到60年代初,中國(guó)科學(xué)家為發(fā)展本國(guó)的航天事業(yè),對(duì)作為火箭燃料的液氫的生產(chǎn)[12],燃料電池的研制與開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量而有效的工作。將氫作為能源載體和新的能源系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā),是70年代的事。氫能也可應(yīng)用于電子工業(yè)中,例如在集成電路、電子管、顯像管等制作過(guò)程中都是用氫作為保護(hù)氣的[13]；煉油工業(yè)中可用氫進(jìn)行加氫精制[14]；冶金工業(yè)中可用作還原劑將金屬氧化物還原出來(lái)[15]；在精細(xì)有機(jī)合成工業(yè)中氫氣也是重要的合成原料之一[16]；合成氨中氫氣也是重要的合成燃料之一[17]?，F(xiàn)階段氫在諸多方面都有廣泛的應(yīng)用[18]。所以開(kāi)發(fā)使用氫能源是現(xiàn)在許多科學(xué)家致力于努力的方向。在我國(guó),盡管多年來(lái),氫能領(lǐng)域的專家和科學(xué)工作者在國(guó)家經(jīng)費(fèi)支持不多的困難條件下,仍然在制氫、儲(chǔ)氫和氫能利用等方面取得了不少進(jìn)展和成績(jī)[19]。制氫技術(shù)：目前,我國(guó)工業(yè)制氫方法主要是以天然氣、石油和煤為原料,在高溫下使之與水蒸氣反應(yīng)而制得,也可以用部分氧化法制得[20]。這些制氫方法在工藝上都比較成熟,但是由化石能源和電力來(lái)?yè)Q取氫能,在經(jīng)濟(jì)上和資源利用上并不合適?，F(xiàn)有的工業(yè)制氫主要是維持目前化工、煉油、冶金及電子等部門(mén)的需要。水電解制氫和生物質(zhì)氣化制氫等方法,現(xiàn)已形成規(guī)模。其中,低價(jià)電電解水制氫方法是當(dāng)前氫能規(guī)模制備的主要方法,但目前電耗過(guò)高,亟待改進(jìn)[21]。此外,由中科院XX煤炭化學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的―甲醇重整制氫技術(shù)‖已投入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用,目前最大規(guī)模為360Nm3H2/h,并實(shí)現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn)。中科院XX化學(xué)物理所在國(guó)家―九五‖科技攻關(guān)項(xiàng)目―燃料電池技術(shù)‖中,承擔(dān)了燃料電池電動(dòng)車(chē)用―甲醇重整制氫裝置‖[21]的研制,目前,已形成概念樣機(jī)。為加快氫能的開(kāi)發(fā)利用,有關(guān)高等院校和科研院所積極開(kāi)展了新型制氫方法的研究。石油大學(xué)承擔(dān)的―九五‖科技攻關(guān)項(xiàng)目―從H2S制取氫氣的擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)研究‖,此方法制氫能耗低,約2.6kWh/NH2,使低電耗制氫技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平[22]。中科院感光化學(xué)研究所承擔(dān)了―九五‖科技攻關(guān)項(xiàng)目―制氫技術(shù)的中試研究‖。該所的人工模擬光合作用分解水制氫及非常規(guī)資源制氫研究達(dá)到了世界先進(jìn)水平。在光化學(xué)、生物質(zhì)和電化學(xué)制氫領(lǐng)域[23],XX化學(xué)物理所、微生物以及南開(kāi)大學(xué)、天津大學(xué)等單位也進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作。儲(chǔ)氫技術(shù)：目前,氫的儲(chǔ)存方法主要有以下幾種：常壓儲(chǔ)氫,高壓儲(chǔ)氫,液氫儲(chǔ)氫,金屬氫化物儲(chǔ)氫及吸附儲(chǔ)氫等[24]。液氫儲(chǔ)氫是一種較好的儲(chǔ)氫方法,此法儲(chǔ)氫密度高。但是,制備1升液氫約需消耗電能3kWh,在儲(chǔ)存過(guò)程中液氫還有自然揮發(fā),因此能耗較高。金屬氫化物的出現(xiàn)為氫的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及利用開(kāi)辟一條新的途徑[25]。近年來(lái),我國(guó)也對(duì)氫能和燃料電池技術(shù)研究給予了穩(wěn)定的支持。國(guó)家―863‖計(jì)劃設(shè)立了氫能技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)課題,―973‖計(jì)劃設(shè)立了氫能基礎(chǔ)研究項(xiàng)目[26]?？萍疾繌?0XX開(kāi)始組織實(shí)施以燃料電池汽車(chē)研發(fā)為重要內(nèi)容的―電動(dòng)汽車(chē)重大科技專項(xiàng)‖[27],作為―十五‖的12個(gè)國(guó)家重大科技專項(xiàng)之一,國(guó)家投入近9億元。氫能利用：通過(guò)科學(xué)家們的努力攻關(guān),我國(guó)氫能利用和燃料電池技術(shù)正在不斷發(fā)展[28]。繼德國(guó)、美國(guó)、日本之后,我國(guó)自主開(kāi)發(fā)出燃料電池系統(tǒng)及燃料電池轎車(chē)和城市客車(chē),其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)[29]。王賀武表示,在科技部―電動(dòng)汽車(chē)重大科技專項(xiàng)‖和氫能源燃料電池領(lǐng)域項(xiàng)目支持下,清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)自主研發(fā)了5輛燃料電池城市客車(chē),它們的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)際主流車(chē)型,而造價(jià)只有國(guó)外平均水平的1／4,累計(jì)運(yùn)行里程已超5萬(wàn)公里,引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。他說(shuō)：―這5輛采用氫能燃料電池的公共汽車(chē)‖。以研發(fā)燃料電池轎車(chē)為主的上海同濟(jì)大學(xué),自主研發(fā)出的―超越3號(hào)‖燃料電池轎車(chē)去年6月在第8屆必比登清潔能源汽車(chē)挑戰(zhàn)賽上取得了優(yōu)異成績(jī)[30]。在加緊氫能和燃料電池自主研發(fā)的同時(shí),我國(guó)還積極參與國(guó)際合作。20XX11月,包括我國(guó)在內(nèi)的15個(gè)國(guó)家和歐盟共同發(fā)起―氫能經(jīng)濟(jì)國(guó)際合作伙伴‖計(jì)劃,以協(xié)調(diào)和促進(jìn)世界各國(guó)在氫能和燃料電池方面的研發(fā)工作[31]。另外,在聯(lián)合國(guó)發(fā)展計(jì)劃署和全球環(huán)境基金的資助下,科技部、北京市和上海市政府聯(lián)合實(shí)施―中國(guó)燃料電池公共汽車(chē)商業(yè)化示范項(xiàng)目‖,采用全球招標(biāo)方式購(gòu)買(mǎi)了3輛燃料電池公共汽車(chē),目前已在北京試運(yùn)行。第四章氫能的應(yīng)用前景氫能在燃料內(nèi)燃機(jī),燃料電池汽車(chē)以及核能-氫能系統(tǒng)方面都有很大的應(yīng)用前景。而按氫能釋放形式<化學(xué)能和電能>[32],可將氫的應(yīng)用分為直接燃燒和燃料電池兩類?！?.1.氫的直接燃燒利用直接燃燒具體體現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)方面。而現(xiàn)有市場(chǎng)對(duì)于利用內(nèi)燃機(jī)的氫的直接燃燒方法要給予必要的重視和支持。液氫可作為火箭、導(dǎo)彈、汽車(chē)、飛機(jī)等的燃料?；鸺七M(jìn)器利用液氫和液氧在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒[33],產(chǎn)生3000~4000K高溫和幾十大氣壓的蒸汽,以超音速通過(guò)火箭尾部噴管?chē)姵?產(chǎn)生巨大推力。美國(guó)的阿波羅宇宙飛船、西歐的阿利亞娜火箭、日本的H1火箭及我國(guó)的―長(zhǎng)征‖運(yùn)載火箭,均以液氫為燃料[34]。氫內(nèi)燃機(jī)可作為燃?xì)淦?chē)的動(dòng)力裝置。自20世紀(jì)70年代開(kāi)始,德國(guó)寶馬、奔馳,日本三菱,美國(guó)別林等公司均系統(tǒng)地研究開(kāi)發(fā)了氫內(nèi)燃機(jī),其中,以德國(guó)寶馬公司的研發(fā)成果最為卓著。美國(guó)福特公司于1998年開(kāi)始研究氫內(nèi)燃機(jī),其發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率比汽油機(jī)約提高15％。氫能飛機(jī)的試驗(yàn)早在1956年就曾在美國(guó)的B57飛機(jī)上獲得成功。1973年,NASA開(kāi)始研究超、亞音速液氫飛機(jī)的設(shè)計(jì)方案[35],洛克希德公司也進(jìn)行了系統(tǒng)研究,目前已提出對(duì)波音、A300、D10等類飛機(jī)改用液氫燃料的設(shè)計(jì)方案?！?.2.氫能在燃料電池中的應(yīng)用氫燃料電池是使用氫能的最高級(jí)、最有效的方式。氫能發(fā)電有多種形式,以燃料電池最為重要。燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)80％以上,遠(yuǎn)高于溫差電池的10％和太陽(yáng)能電池的20％的轉(zhuǎn)化效率[39]。燃料電池的這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使它被列為未來(lái)世界十大科技之首。作為―高效率、無(wú)污染、高效率、適用廣、無(wú)噪聲、具有連續(xù)工作和積木化‖等優(yōu)點(diǎn)的動(dòng)力裝置———?dú)淠苋剂想姵胤矫娴陌l(fā)展尤為誘人[40]。而以氫為燃燒的燃料電池替代靠熱機(jī)原理工作的發(fā)電機(jī)[41],從根本上解決了汽車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。開(kāi)發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)事在必行。而燃料電池有望成為航天、電動(dòng)車(chē)輛和分散式供電的首選電源。在各種類型的燃料電池<分別以甲醇、天然氣、煤氣和氫氣等為燃料>中,以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池<PEMFC>最適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上。1962年,杜邦公司研制出全氟磺酸膜。20世紀(jì)80年代末,美國(guó)洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員將質(zhì)子交換膜的鉑催化劑作了大量改進(jìn),鉑的用量減少了90％,使燃料電池朝實(shí)用化方向邁進(jìn)了一大步。20XX,處于全球領(lǐng)先地位的加拿大巴拉德公司開(kāi)發(fā)出了功率密度高達(dá)l350W/L的燃料電池組。美國(guó)能源部于l995年開(kāi)始,實(shí)施PEMFC發(fā)展計(jì)劃,開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車(chē)的PEMFC[42]。在美國(guó)能源部支持Power公司于1996年研制出世界上第一輛以液氫為燃料的PEMFC電動(dòng)汽車(chē)。目前,美國(guó)、日本、歐洲各國(guó)的著名汽車(chē)制造廠商皆已加入到燃料電池的研究開(kāi)發(fā)行列。燃料電池的技術(shù)開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)激烈,呈現(xiàn)出多極化趨勢(shì)。戴姆勒克萊斯勒公司、福特、馬自達(dá)、沃爾沃等公司與燃料電池生產(chǎn)商巴拉德公司聯(lián)手[43]；豐田、五十鈴、菲亞特等聯(lián)合開(kāi)發(fā)燃料電池技術(shù)。兩者均宣布投資10億美元,并準(zhǔn)備于近期在市場(chǎng)上推出燃料電池汽車(chē)。此外,本田公司單獨(dú)開(kāi)發(fā),雷諾與日產(chǎn)公司結(jié)伴開(kāi)發(fā),大眾、標(biāo)致公司與意大利燃料電池商諾拉聯(lián)手開(kāi)發(fā)。作為氫能的最好的利用方式——燃料電池技術(shù)[44],目前有了很大的發(fā)展。比如,在汽車(chē)方面的應(yīng)用。目前全世界有大約200輛大大小小的燃料電池車(chē)在示范。20XX5月結(jié)束的歐洲燃料電池公共汽車(chē)的示范也取得很大的成功,30輛城市燃料電池公共汽車(chē)一共行駛76萬(wàn)公里,運(yùn)送乘客300萬(wàn)人次。目前看來(lái),燃料電池汽車(chē)的實(shí)用化還需15—20年,也許還會(huì)長(zhǎng)一些[45]。其主要的制約是價(jià)格問(wèn)題,目前,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的成本太高,為l000$/kW以上,而普通汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)約為50$/kW。美國(guó)能源部于20XX10月宣布,由它組織研制的電動(dòng)汽車(chē)用PEMFC電池系統(tǒng)成本已降全150$/kW,其計(jì)劃目標(biāo)為50$/kW。最近,美國(guó)政府又撥款17億美元[46],開(kāi)發(fā)氫燃料電池電動(dòng)車(chē),希望在20年內(nèi)成功開(kāi)發(fā)出具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的氫能車(chē)輛,取代目前的燃油汽車(chē)。最基本的目標(biāo)是2020年實(shí)現(xiàn)500萬(wàn)輛氫燃料電池車(chē)上路[47]。我國(guó)國(guó)家科技部于1997年批準(zhǔn)將燃料電池技術(shù)列為國(guó)家―九五‖計(jì)劃重大科技攻關(guān)項(xiàng)目之一,以XX化學(xué)物理研究所為牽頭單位,在研制成功了30kWPEMFC電動(dòng)汽車(chē)。同時(shí)也有氫能基礎(chǔ)設(shè)施的問(wèn)題[48]。20XX底成立的16個(gè)國(guó)家與地區(qū)的政府機(jī)構(gòu)《氫能經(jīng)濟(jì)國(guó)際合作伙伴<球髓>》也將其商業(yè)化的時(shí)間表定在2020年之后<能否按期實(shí)現(xiàn),還很難說(shuō)>。有沒(méi)有近期氫能就可以派上用場(chǎng)的地方昵?答案是肯定的,最現(xiàn)實(shí)的就是剛才上面提到的內(nèi)燃機(jī)的利用?！?.3.氫能在其它領(lǐng)域的應(yīng)用無(wú)論是從能源需求還是從氫能特點(diǎn)考慮,氫能替代能源都具有現(xiàn)實(shí)性,除以上之外氫能在以下行業(yè)也都有著不可估量的發(fā)展?jié)摿Γ?lt;1>航天航空領(lǐng)域：利用氫和氧化劑發(fā)生反應(yīng)放出的熱能使航天事業(yè)看到了新的曙光。例如氫氧發(fā)動(dòng)機(jī),新型大功率運(yùn)載火箭及動(dòng)力裝置的燃料都是這一應(yīng)用的具體體現(xiàn),而歐盟―CRYOPI．ANE‖計(jì)劃更是充分證明了液氫做為未來(lái)航空燃料的技術(shù)可行性。鑒于相同重量液氫的能量密度是煤油的2.8倍[49],氫燃料對(duì)未來(lái)航空發(fā)展的影響可能是革命性的,此外還有以氫為燃料的燃料電池供電的電動(dòng)飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、氫內(nèi)燃機(jī)等。<2>軍事領(lǐng)域：以氫為燃料的燃料電池供電的潛艇,

―攻擊者‖軍用車(chē),軍用機(jī)車(chē)中、小規(guī)模供艦艇蓄電池充電的燃料電池電廠等[50],都體現(xiàn)了氫能在軍事方面優(yōu)勢(shì)。此外氫和氧化劑在催化劑作用下可從電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中直接獲取電能及利用氫的熱核反應(yīng)釋放出核能。氫彈就是利用了氫的熱核反應(yīng)釋放出的核能,是氫能的一種特殊應(yīng)用。<3>能源領(lǐng)域：以氫為燃料的燃料電池,太陽(yáng)能一氫能系統(tǒng),生物質(zhì)一氫能系統(tǒng)[51]。<4>交通運(yùn)輸領(lǐng)域：燃料電池汽車(chē)、大巴、各種適用的運(yùn)載工具包括高爾夫車(chē)、工程車(chē)、鏟車(chē)、卡車(chē)、起重車(chē)、礦山機(jī)車(chē)、自行車(chē)、摩托等。<5>工業(yè)領(lǐng)域：近幾年來(lái)燃料電池發(fā)展迅猛,燃料電池〔F6AGHAGG,FH技術(shù)的誘人前景使我們看到了氫作為能源的可行性[52],氫作為重要的化工原料,在冶金、半導(dǎo)體工業(yè)的還原,保護(hù)性氣體,等離子體新工藝燃料供給以及新材料制備工藝改進(jìn)等方面都體現(xiàn)了其使用性。氫能開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題由以上特點(diǎn)可以看出氫是一種理想的新型能源。目前,雖然液氫已廣泛用作航天動(dòng)力的燃料,但氫能大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還面臨著兩大亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題：〔1廉價(jià)的制氫技術(shù)。因?yàn)闅涫且环N二次能源,它的制取不但需要消耗大量的能量,而且目前制氫效率很低,因此大規(guī)模的廉價(jià)的制氫技術(shù)是氫能開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。〔2安全可靠的貯氫和輸氫方法。由于氫的擴(kuò)散能力強(qiáng)、易氣化、著火、爆炸,因此如何妥善解決氫能的貯存和運(yùn)輸問(wèn)題也是開(kāi)發(fā)氫能的關(guān)鍵問(wèn)題。氫在一般條件下以氣態(tài)形式存在,且易燃<4-75%>、易爆<15-59%>,這就為儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來(lái)了很大的困難。當(dāng)氫作為一種燃料時(shí),必然具有分散性和間歇性使用的特點(diǎn),因此必須解決儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題。儲(chǔ)氫和輸氫技術(shù)要求能量密度大<包含單位體積和質(zhì)量?jī)?chǔ)存的氫含量大>、能耗少、安全性高?！?當(dāng)作為車(chē)載燃料使用<如燃料電池動(dòng)力汽車(chē)>時(shí),應(yīng)符合車(chē)載狀況所需要求。一般來(lái)說(shuō),汽車(chē)行駛400km需消耗汽油24kg,而以氫氣為燃料則只需要8kg<內(nèi)燃機(jī),效率