氢能源的应用及发展研究11

氢能源的应用及发展研究氢能作为一种高效的清洁能源蕴藏着无限的潜力，其绿色环保和可循环使用的优越性愈来愈被人们所关注并加以利用，成为21世纪极具发展前景的新能源之一中国在内的全球工业化在带来科学技术进步和社会经济繁荣的同时，也造成了地球上能源被无节制地消耗、环境被大肆污染、人们的生存和生活条件被肆意破坏等诸多问题。所以，人们要着眼于人类的可持续性发展，致力于创造和谐社会，发现、利用和开发环保的氢能源势必成为重要的突破口和人类努力的方向。文章介绍了氢能作为一种新能源的发展历史、现在和未来前景，力图唤起人们对氢能源的理论研究和实践探索的正确认识和高度重视前言随着经济结构的变化和产业结构的调整，世界各国都处在政治、经济军事、文化等各个方面发生着急剧变化，日新月异的发展态势中。尤其是包括中国在内的全球工业化在带来科学技术进步和社会经济繁荣的同时，也造成了地球上能源被无节制地消耗、环境被大肆污染、人们的生存和生活条件被肆意破坏等诸多问题。因此，发展氢能，实现能源多元化，保障能源安全受到了全世界的普遍重视，发现、利用和开发环保的氢能源成为了人们要着眼于人类的可持续性发展，致力于创造和谐社会的重要的突破口和努力的方向一、氢能源概述（一）氢能和氢能系统的概念氢位于元素周期表之首，原子序数为1，是宇宙中普遍存在的元素。自然界中氢在常温常压下以气态氢分子的形式存在，在超低温或超高压下可成为液态或固态。氢能是指以氢及其同位素为体的反应中或氢的状态变化过程中所释放的能量，要包括氢化学能和氢核能两大部分。氢能系统一般由氢源开发和制氢、储氢、输运和氢能利用等技术领域构成，其中储氢和氢能利用技术最关键。（二）氢能的优势与特点氢是一种理想的洁净能源载体，其最大的优势在于绿色环保和可循环使用，作为人类未来的新能源，氢能具有以下主要特点：1、可以方便高效地与电互相转换，互为补充。2、制氢所用的物质—水在自然界大量存在，并目氢无论以燃烧还是电化学转换方式利用后的最终产物只为纯水或水蒸气，因此相对于其它燃料来讲，氢是非常有竞争力的可再生燃料。3、可采取气态、液态和固态(氢的固态化合物)的方式来存储。4、可以采用地下管线、车载气罐或火车来长途输运。5、可以灵活高效地转化为其它形式的能量，如燃烧、电化学转换和氢化等。6、环境相容性非常好。无论是制氢、储氢、输运以及利用的各个环节中对环境儿乎都可以实现“零排放”，只有氢在高温下空气中燃烧时才会产生非常少量的Nq污染物。二、氢能源的开发及其相关技术（一）氢源的开发近年来，氢能系统的技术应用和开发获得了长足进展，其高效灵活、环保绿色。制氢所需的原材料一般为碳氢化合物和水。工业用氢的制备方法主要是化石燃料的热分解，包括天然气的重整、碳氢化合物的部分氧化和煤的汽化。产氢的成本较低。然而，这些技术严重依赖化石燃料资源并且排放二氧化碳。近年来也发展了从化石燃料产氢而不释放二氧化碳的方法，即直接热分解和催化裂解碳氢化合物，这种方法已经被用于制各碳，但相对于制氢成本较高，还处于发展阶段。（二）制氢技术电解水制氢的能量效率相当高，通常大于70%，但需要通电，因此较为昂贵。电解水制氢的发展方向是与风能、太阳能、土也热能以及潮汐能等洁净能源相互配合，从而降低成本。这些洁净能源由于其能量与时间的关系具有波动性，所以在发电时系统给出的电能是间歇性的，通常不可直接进入电网，必须调节后方可入网。成本最低、最方便的储能方法是将其电解制氢、储氢、输运氢，然后利用氢能发电入网或转化为其它能量形式。太阳能电池电解水制氢的能量效率可高达93%以上，但由于太阳能电池成本较高导致大规模制氢的成本上升，因此降低太阳能电池的成本是关键。利用风能发电电解水制氢可降低制氢成本。全世界风能的装机容量以每年27%的速度增长，2004年我国仅有6家风力涡轮机制造商，2009年已提高到70家以上。同时中国风能也激增，到2020年保守估计可以实现8000~10000万Kw的装机容量，成为继火电、水电的第三大能源。（三）储氢技术储氢技术按氢的聚集状态可分为高压气态储氢、低温液态储氢以及固体储氢材料储氢。由于在常压下氢气的密度只有0.089889/L，体积能量密度非常低，因此必须对其进行高压压缩以提高能量密度。高压气态储氢通常是将氢气压缩至压力高达70MPa储存于碳纤维增强的复合材料罐中，可应用于电动汽车的车载氢源。如通用汽车氢能3号燃料电池汽车的车载氢源在70MPa下携带3.lkg的氢可使汽车运行270km。高压气态储氢的关键是超高压压缩技术和耐超高压复合材料技术进展。主要成本是制作罐体复合材料碳纤维的价格太高。另外一种提高氢气的能量密度的方法是低温液体储氢。一些固体氢化物被发现在一定的条件下可以可逆地吸放氢，从而避免了高压和低温所带来的技术难题，因此广泛研究更安全、高效的固体储氢材料的制备及吸放氢性能，就成为储氢技术米来的}要发展方向。固体储氢材料最重要的性能是储氢量(一般为每克储氢材料吸放氢的克数，以质量分数来计)和吸放氢动力学(吸放氢温度、压力和速率)。从最初的金属间化合物诸如AB2型。（四）氢的输运技术氢的输运根据需求可采取气态、液态和固态的方式。氢在长距离输运时可采用地下管逍以输运天然气一样的方式输送。目前已有200km的输氢管逍实际应用实例，将来也可对天然气输运管逍做较小的改动就能用来输运氢，这样可以降低输运成本，但输运管逍材料的氢脆和泄露问题值得特别注意。从经济角度考虑，有研究表明超过1000km的管逍输氢要比输电更节省成本。当然，短距离区域间的输运方式可采用高压气罐、液罐以及固态储氢罐，但成本会非常高，可访产氧成本的2~5倍。三、氢能源的应用现状和发展趋势•（一）氢能源在国际上的应用和发展1.美国美国由于国内各种政治力量和集团利益间的博弈，所以政府在氢能发展计划上表现的摇摆不定。2003年，布什政府投资17亿美元，启动Freedom.CAR氢燃料开发计划，该计划提出了氢能工业化生产技术、氢能存储技术、氢能应用等重点开发项日。⑫2010年奥巴马政府大规模消减了美国能源部中关于燃料电池和氢能的计划开支，其2011年预算资助仅为1.37亿美金，比2010年下降21%。但美国企业界一直热衷于氢能源的发展，在2010美国氢陇会氢能会议展览会报告上ProtonEnemySystems公司策事长TomSullivan宣布计划到2012年将建成缅因州和迈阿密州之间的氢能高速公路。2.日本日本是一个资源匮乏的国家，所以在研究氢能方面比较早，日前燃料电池是日本氢能的主要发展研究方向。日本政府为推动氢燃料电池汽车的发展，启动实施了一系列政府专项计划和补贴政策予以支持，如WE–NET计划⑬、燃料电池示范项目（JHFCProject)等。2010年日本经济产业省的预算大约是140000亿日元(1000亿英镑)。日本的日标是到2015年，要使2000辆燃料电池汽车跑在公路上并建设15个加氢站台；到2025年达到200万辆燃料电池汽车和1000个加氢站。迄今，日本燃料电池的技术开发以及氢的制造、运输、储藏技术己基本成熟。综合世界氢能源发展状况，日本在氢能的开发和应用的热情和技术都是走在最前头的。3.欧盟欧盟在2002年便对氢能源的开发和利用进行了研究。在2002–2006年欧盟第六个框架研究计划中，对氢能和燃料电池研究的投资为2500万–3000万欧元。北欧五国最近又成立了“北欧能源研究机构”，通过生物制氢系统分析，提高生产生物氢能力。（二）氢能源在我国的应用和发展氢能源的绿色环保和可循环使用正契合了我们构建和谐社会的发展理念，对于社会的可持续性发展具有非常重大的意义。2001年国家“863”计划电动汽车(不单是氢能源)重大专项开始实施，国家投入达8亿多，带动企业投入共20多个亿，主要用来发展以纯电池、燃料电池、混合动力二种动力的电动车，国拨经费安排主要以燃料电池汽车的研究为主。到2006年，历经五年，专项结束，氢能的开发和应用取得了重大进展，有关机构和部门研制出了各种类型的多台样车。“863”计划先进能源技术领域2006年度计划指南中，氢能与燃料电池技术专题年度经费预算高达7500万元。“863”计划新材料技术领域2006年度计划指南中，燃料电池材料关键技术的年度经费预算总额为750万元。四、氢能源开发和发展的基本策略随着世界工业化和现代化的不断推进，人类已经尝到了生态环境恶化国际社会制定了节能减排时间表，对新能源的开发和应用提出了更加迫切的要求。人们已经认识到氢气在新能源的开发应用中占有不可或缺的地位。有朝一日，人类必将摆脱对化石燃料的依赖，而氢能会像现在的电、燃料、燃气一样走进千家万户。（一）加快理念更新和提高政府应加强宣传引导的力度，大力普及、宣传和提高与氢能相关的知识与技术，提高社会公众和企业对氢能的认知与认同，吸引企业和团体及个人参与氢能经济的开发和建设，逐渐形成有利于氢能经济发展的社会氛围，促进全社会更新和提高新能源发展的理念。（二）政府予以重视和扶持政府应对氢能经济的发展予以足够的重视并给以应用的政策和资金支助。政府相关部门应该制定有利于氢能源产业发展的优惠政策和相关规定，加大投资力度，对氢能源产业进行财政、税收、价格和资金等方面的重点扶持；选择重点企业进行试点并形成产业链，构建相关产业化体系；鼓励相关企业积极参与并致力于研究、开发和应用，从而建设具有中国特色的氢能经济。（三）科技提供支撑和指导科研机构和人员应该加强对氢能的研究和开发，增加对氢能技术研发的投资，目前研究的重点应该放在高效低成本的可再生能源制氢技术、经济高效安全的氢储存和输配技术、燃料电池电堆集成技术、燃料电池发电及车用动力系统集成技术等等方面，制定氢能制备、储存以及燃料电池等相关的技术规范与标准并付诸实施和严格执行。氢能代表着未来能源高效清洁的发展趋势，氢能的开发和利用是一个巨大的产业链，发展“氢能经济“有望成为经济发展的新的增长点。我国是一个发展中的大国，改善能源结构、发展低碳清洁能源是保障我国经济可持续健康发展的必然选择。因此，毋庸置疑，具有中国特色的氢能发展和“氢能经济”必将在中国经济腾飞的发展过程中发挥更加重要的作用。结束语随着世界工业化和现代化的不断推进，人类已经尝到了生态环境恶化、地球资源枯竭带来的恶果，并从中深刻认识到保护环境、维持生态平衡的任务已经迫在眉睫。“氢能经济”既是应运而生，又是可以解燃眉之急。氢能最大的优点就是洁净和高效，因此氢能系统从氢源的开发、制氢技术、储氢技术、输运技术和利用技术无不体现着其优势。氢经济的到来无疑是全人类的福音。当然，正如诸多专家所达成的共识——氢能的利用最关键的也许不是技术而是成本，只有氢能系统的成本与现有技术相当或更低时，人类才能真正迎接氢能的到来。正因为如此，所以，我们的政府应该认识到无论是在政策上，还是在财力，抑或是在宣传上，大力重视、支持和宣传氢能的开发和运用研究是造福于人类的义不容辞的职责和使命。