浅谈氢能发电的发展趋势
和存在问题
课程： 新能源概论 班级： 姓名： 学号：
2013年5月
目 录
第一章 氢能的介绍 ............................................................................................................. 1
§1.1 氢能的特点 .............................................................................................................. 1
第二章 氢能开发与利用的现状 ................................................................................... 3
§2.1氢能的开发 . .................................................................................................................. 3
第三章 氢能的发展现状................................................................................................... 8
§3.1 国外发展概况 ......................................................................................................... 9 §3.2 国内发展概况 . ........................................................................................................... 9
第四章 氢能的应用前景................................................................................................. 10
§4.1 氢的直接燃烧利用 . ................................................................................................ 11 §4.2 氢能在燃料电池中的应用 . .................................................................................. 11 §4.3 氢能在其它领域的应用 ....................................................................................... 12
第五章 氢能开发面临的问题 . ................................................................................... 13
第六章 总结 ........................................................................................................................... 15 参考文献 ................................................................................................................................... 16
第一章 氢能的介绍
§1.1 氢能的特点
氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点：
1.1 所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为固态氢。
1.2 所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。
1.3 氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，存储量大。除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。
1.4 氢的发热值高，除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。如表1-4.
表1-4 几种物质的燃烧值
1.5 氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，3％－97％范围内均可燃。而且燃点高，燃烧速度快。
1.6 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境。
1.7 氢循环使用性好，燃烧反应生成的水可用来制备氢，循环使用。
1.8 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。
1.9 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
第二章 氢能开发与利用的现状
§2.1氢能的开发
氢能否被广泛使用，制氢工艺是基础。因为水分子中氢和氧的结合非常牢固，要把它们分开，需花费很大的力气。比方说，必须加热到摄氏二、三千摄氏度的高温，才能把水分解成氢气和氧气。这样不仅要消耗很多的能量，而且还要有相应的耐高温、耐高压设备。为了避开这个难点，目前实际上主要还是利用天然气、煤炭和石油产品作原料来制取氢气。
（1）矿物燃料制氢是利用化学方法将矿物中的氢元素提取出来的方法。 ①煤的焦化，即将煤通过高温干馏生产焦炭，同时得到一种气体产品──炼焦煤气，从炼焦煤气可以制得氢气。这是一种古老的生产氢的方法，而且氢只是一种副产品。
②水煤气转化。水蒸气通过炽热的煤层制得水煤气，
C ＋H 2O ====== CO＋H 2↑- Q
然后把水煤气跟水蒸气混合，以氧化铁等为催化剂，在500~ 5500C 使水煤气中的一氧化碳转化为二氧化碳，
500~ 5500C CO ＋H 2O ========== CO2+H2+Q 10000C
再把混合气体加压、水洗使二氧化碳溶于水，即分离出氢气
③从天然气、炼厂气（石油炼制厂的副产气体）、油田气等气体燃料中制取氢气。
把碳氢化合物，如甲烷（存在于天然气、炼厂气中）高温裂解，可制得炭黑和氢气，
CH 4 ========== C + 2H2 高温裂解
在镍催化剂存在下，把一些碳氢化合物，如甲烷跟水蒸气在800~ 9000C 时起反应，制得氢气和一氧化碳的混合气体，
800~ 9000C CH 4＋H 2O ========= CO+3H2 [Ni]
再把一氧化碳转成二氧化碳（应用水煤气转化法），并使之加压溶解于水，遂获得氢气。
还可采用碳氢化合物部分氧化法来制氢，原理同上面差不多，也是用碳氢化合物和水蒸气通过催化剂生成氢、一氧化碳、二氧化碳的混合气体，然后在混合气体中加进更多的水蒸气，依靠另一些催化剂的作用，生成更多的氢和二氧化碳。
这些方法大都需要催化剂和高温，催化剂多数是镍的化合物。特别是它们都以碳氢化合物为原料，仍旧离不开煤炭、天然气、石油等矿物燃料，所以算不上是一种有前途的制氢技术。
（2）电解水法。水中放进一点儿氢氧化钠、硫酸钾、硫酸之类的电解质，通电之后，极上就能放出氢气。电解水法制得氢气的纯度可达99.5～99.8%。 其原理为: 电解
2H 2O ======2H2↑+O2↑
电解法制氢不消耗矿物燃料，但是用电量很大，每生产1kg 氢需要消耗五、六十度电，成本太高。只有在电力供应充裕、电价低廉（如有大量低价的水力发电或核动力发电）的情况下，电解水制氢才有可能焕发青春，为大规模生产氢燃料作出新贡献。
（3）各种化工过程副产品氢气的回收，如氯碱工业、冶金工业等。
2NaCl+2H2O=====Cl2↑+2NaOH+H2↑
（4）热化学循环分解水制氢。该方法是在水反应系统中加人中间物，经历不同的反应阶段，最终将水分解为氢和氧，且中间物不消耗。这其实也是一种加热直接分解水的方法，不过不是单纯依靠加热硬把氢、氧一步分开，而是通过某些化学药品（如二氧化硫、硫酸和硫酸铋）与水反应，分几步把水分解制得氢气，形成一个热化学循环，所以又叫做分步反应分解水制氢法。
在热化学法制氢中，不同的化学反应有不同的化合物──如硫、铋、钙、溴、汞、铁、碘、镁、铜、氯、镍、钾、锂等的化合物──作为中间反应物参加，反应温度大多为八、九百度，高的也仅有上千度。反应结束后，化学药品的数量不减少，可以回收循环使用，消耗的只是水，水被分解成氢和氧了。
现在，科学家们已提出了多种热化学分解水制氢的方案，并且正在寻找最佳的制氢方案而努力。热化学法制氢仍旧需要热。如果把这种方法同核反应堆联系到一起，利用核反应堆的余热来提供所需要的能量，同时解决高温、腐蚀性、投资大等不足之处，那就可以大大降低氢的生产成本。
（5）光化学制氢。它是在有光照催化剂作用下，促使水解制得氢气的一种方法。 电解
现在世界上已经有了强大的太阳能高温炉，聚焦温度高达4 000 ℃，这样高的温度，用于直接热分解水或分步的热化学法制氢都是可能的。
早在1972年，日本科学家本多等人在研究半导体电极在光照下的电化学行为时，发现把氧化钛晶体电极和铂黑电极连接起来浸到水里，当太阳光照射氧化钛表面时，就会产生电流，分解水制得氢气。不过，由于氧化钛半导体的禁带宽度大于3.0 eV，只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光部分，所以光能利用效率很低，不过1%。现在的问题是要探索的性能优良的光电极半导体材料，以便进一步提高光解水的效率。
专家们认为，应该采用禁带宽度为1.0～1.6 eV 的半导体，它们可以吸收差不多整个波长范围内的太阳光。这样的半导体材料有好多种，目前研究得比较多的是砷化镓、磷化铟等等。不久前美国科学家海勒等人用磷化铟半导体作电极的光电化学电池制氢，效率达到12%。还有人用硅作电极，在太阳光的照射下，可以从水中制取12～13%的氢气，甚至有可能达到25%。这就使氢燃料的商品化生产有了可能。
光络合催化分解水制氢是最近几年发展起来的一个新领域。11年前，有人发现三联毗啶钌络合物的激发态具有电子转移能力，这使人想起可以利用它来光解水制氢。后来就发明了一种复合催化体系，其中包括光敏剂、中继物、电子给体和铂催化剂。光敏剂捕获太阳能而呈激发态；起桥梁作用的中继物从光敏剂的激发态得到电子，然后迅速同水进行电子交换，还原水而得氢气。光敏剂失去的电子应该得到补充，这就要往溶液中加进电子给体。这样的复合催化体系的太阳光的照射下，每升溶液每小时可以生产1L 氢气。
目前，科学有正在研究一种办法，把放氢、放氧两个分解水的半过程耦合起来，这样可以不消耗电子给体，使生产成本大大降低。
据报道，最近日本制成了一种高效催化剂，是把氧化钛、氧化钌和铂粘着在一起，做成颗粒直径只有1Mr 的灰色粉末。把这种粉末加到水和纤维素的混合液里，放在太阳光下，就能产生氢气和二氧化碳。水被分解了，最后剩下来的仅仅是催化剂。
关于光解水制氢所取得的突破性成果，曾被我国27位著名科学家推荐、评选为1982年的世界十项重大科技进展之一。
（6）生物质制氢。它是将生物体中的氢元素通过裂解或者气化的方法提取出来的方法。
①生物质催化气化制氢技术
生物质催化气化制氢的主要流程如图1所示。三个过程决定最终氢气的产量和质量，即生物质气化过程、合成气催化变换过程和氢气分离、净化过程。 生物质气化。 生物质热化学气化是指将
预处理过的生物质在气化介质中如：空气、
纯氧、水蒸气或这三者的混合物中加热至700
度以上，将生物质分解为合成气。生物质气
化的主要产物为H 2、CO 2、CO 、CH 4，混合气的
成分组成比因气化温度、压力、气化停留时
间以及催化剂的不同而不同，气化反应器的
选择也是决定混合气组成的一个主要因素。
氢气分离、净化。日前主要采用的分离方法有：金属氢化物分离法；变压吸附法；低温分离法；钯合金薄膜扩散法；聚合物薄膜扩散法等。利用各种氢气纯化法使氢气纯化，所得的氢气回收率有很大差别。金属氢化物分离法、变压吸附法和聚合物薄膜扩散法的回收率一般在70％－85％；低温分离法回收率达到95％；钯合金薄膜扩散法采用富氢原料气时，回收率可达99％。
我国的生物质气化技术已达到工业示范和应用阶段。中国科学院广州能源所多年来进行了生物质气化技术的研究，其气化产物中氢气约占10%,热值达
11MJ/m3。在国外，由于转化技术水平较高，生物质气化已能大规模生产水煤气，且氢气含量也较高。
②等离子体热解、气化制氢。
用等离子体进行生物质转化是一项完全不同于传统生物质转化形式的工艺，引起了许多研究者的普遍注意。目前产生等离子的手段有很多，如聚集炉，极光束，闪光管，微波等离子以及电弧等离子等。其中电弧等离子体是一种典型的热等离子体，其特点是温度极高，可达到上万度，并且这种等离子体还含有大量各种类型的带电离子、中性离子以及电子等活性物种。生物质在氮的气氛下经电弧等离子体热解后，产品气中的主要组分就是H 2和CO ，并完全不含焦油。在等离
子体气化中，可通进水蒸气，以调节H 2和CO 的比例，为制取其他液体燃料作准
备。
国外对生物质的水蒸气催化气化进行了实验研究，其单位kg 生物质产氢率从30-80g 不等。美国夏威夷大学和天然气能源研究所合作建立的一套流化床气
化制氢装置在水蒸气和生物质的摩尔比为1.7的情况下，每千克生物质（去湿、除灰）可产生128g 氢气，达到该生物质最大理论产氢量的78%.
表3是以焦煤、橄榄壳以及向日葵杆为原料进行的水蒸气催化气化实验结果。从表3可以看出，在催化剂作用下，即使气化温度比较低（450度），也可得到较高的氢含量（34.7％）。另外氢气的产出也随气化原料和催化剂的不同而不同。
③微生物制氢。
科学家发现了不少能够产氢
的细菌，一类是化能异养菌，一
类是光合自养菌。已知产氢的化
能异养菌有30多种，它们能够发
酵糖类、醇类、有机酸等有机物，
吸收其中的一部分化学能来满足
生命活动的需要，同时把另一部
分能量以氢气的形式释放出来。
有些化能异养菌的产氢能力很强，比如有一种酪酸梭状芽孢杆菌，发酵1 g 葡萄糖能产出0.25 L氢气。
光合自养菌比化能异养菌更有能耐，它们不需要消耗有机营养物，而能像绿色植物那样吸收太阳光，把简单的无机物合成有机物以满足自身的需要，同时放出氢气。太阳光取之不尽，无机物到处都是，所以用光合自养菌产氢大有前途。
这样的细菌也已经找到了十几种。
30多年前人们就发现，绿藻在无氧条件下被太阳光照射时，可以放也氢气。后来又发现，蓝绿藻等好多藻类都有这种光合产氢的本领。甚至某些高等植物也是光合放氢的好材料。有些科学家提出培育“氢树”的设想，想从高等植物那里取得氢燃料。他们认为，如果让植物的光合作用保留在分解水的阶段，使氢不与二氧化碳起作用，而直接从植物体内分离出来，那么，一棵棵的“氢树”就可以直接给我们提供纯净的氢气了。这种利用某些高等植物的光合作用制氢的办法是很经济的，不过也有不足，主要是效率低、占地面积大、氢气的收集比较困难，有待进一步探索。
还有人琢磨从植物身上取出叶绿体，使之成为“生产氢气的工厂”。第一台叶绿体制氢装置于1973年在美国问世，1 mg叶绿体可产出15 μL
氢气。以后，
英国、苏联科学家用1 g 叶绿体在1h 内生产出了1L 氢气。问题是天然的叶绿体寿命太短，需要寻找延长它们工作寿命的办法。还有人在研究人工叶绿体制氢。 综上所述，制氢的方法确实是很多的。水电解制氢、生物质制氢等制氢方法，现已形成规模，其中，低价电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备的主要方法，目前应用中尚需要降低电耗。
第三章 氢能的发展现状
§3.1. 国外发展概况
现阶段由于氢能系统技术在国民经济中起着越来越重要的作用，在国外氢能的发展已经不单纯停留在技术领域上，同时产生了―氢能经济‖的新经济模式的概念[4]。最近又有专家提出未来要发展到―氢能文明社会‖的新阶段[5]。不过，由于氢能在制备储存等方面的局限使氢能商业化进展仍然很慢，即使对发达国家而言，虽然氢能的技术条件已经成熟，但仍处于示范阶段。
现阶段氢能作为一种高效能源在航天飞机、火箭等航天行业及城市公共汽车中有广泛应用，一些国外的发达国家在1993年就开始使用以液氢为燃料的城市公共汽车。
目前世界各国推出的燃料电池动力车及可用于手提电脑、播放器、手机的小型燃料电池等利用氢能的产品已经非常多[6]。目前欧洲已有22座加氢站，而在美国、日本建立的加氢站则更多。美国联邦政府计划在2004～2008年投入12亿美元用于实施―氢能技术研究、开发与示范行动计划‖[7]。北欧国家冰岛与戴一克、壳牌等公司合作[9]，希望在今后30—40年的时间内在该国的公共汽车、轿车和渔船上用氢取代石油，从而使该岛国成为初步实现氢经济的国家[10]。日本于1993年启动了二个项目，计划到2020年投入30亿美元，构建一个环球能源网络[11]，用于氢能源的有效供给、输送与利用，将500万辆燃料电池车投入市场，近期将建成2000多个加氢站
§3.2 国内发展概况
我国对氢能的研究与发展可以追溯到60年代初，中国科学家为发展本国的航天事业，对作为火箭燃料的液氢的生产[12]，燃料电池的研制与开发进行了大量而有效的工作。将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发，是70年代的事。氢能也可应用于电子工业中，例如在集成电路、电子管、显像管等制作过程中都是用氢作为保护气的[13]；炼油工业中可用氢进行加氢精制[14]；冶金工业中可用作还原剂将金属氧化物还原出来[15]；在精细有机合成工业中氢气也是重要的合成原料之一[16]；合成氨中氢气也是重要的合成燃料之一[17]。现阶段氢在诸多方面都有广泛的应用[18]。所以开发使用氢能源是现在许多科学家致力于努力的方向。
在我国，尽管多年来，氢能领域的专家和科学工作者在国家经费支持不多的困难条件下，仍然在制氢、储氢和氢能利用等方面取得了不少进展和成绩[19]。 制氢技术：目前，我国工业制氢方法主要是以天然气、石油和煤为原料，在高温下使之与水蒸气反应而制得，也可以用部分氧化法制得[20]。这些制氢方法在工艺上都比较成熟，但是由化石能源和电力来换取氢能，在经济上和资源利用上并不合适。现有的工业制氢主要是维持目前化工、炼油、冶金及电子等部门的需要。水电解制氢和生物质气化制氢等方法，现已形成规模。其中，低价电电解水制氢方法是当前氢能规模制备的主要方法，但目前电耗过高，亟待改进[21]。此外，由中科院山西煤炭化学研究所开发的―甲醇重整制氢技术‖已投入生产实际应用，目前最大规模为360 Nm3 H2/h，并实现系列化、批量化生产。中科院大连化学物理所在国家―九五‖科技攻关项目―燃料电池技术‖中，承担了燃料电池电动车用―甲醇重整制氢装置‖[21]的研制，目前，已形成概念样机。
为加快氢能的开发利用，有关高等院校和科研院所积极开展了新型制氢方法
的研究。石油大学承担的―九五‖科技攻关项目―从H2S 制取氢气的扩大实验研究‖，此方法制氢能耗低，约2.6 kWh/NH2，使低电耗制氢技术达到了世界先进水平[22]。中科院感光化学研究所承担了―九五‖科技攻关项目―制氢技术的中试研究‖。该所的人工模拟光合作用分解水制氢及非常规资源制氢研究达到了世界先进水平。在光化学、生物质和电化学制氢领域[23]，兰州化学物理所、微生物以及南开大学、天津大学等单位也进行了大量的基础研究工作。
储氢技术：目前，氢的储存方法主要有以下几种：常压储氢，高压储氢，液氢储氢，金属氢化物储氢及吸附储氢等[24]。液氢储氢是一种较好的储氢方法，此法储氢密度高。但是，制备1升液氢约需消耗电能3 kWh，在储存过程中液氢还有自然挥发，因此能耗较高。金属氢化物的出现为氢的储存、运输及利用开辟一条新的途径[25]。
近年来，我国也对氢能和燃料电池技术研究给予了稳定的支持。国家―863‖计划设立了氢能技术和系统技术开发课题，―973‖计划设立了氢能基础研究项目[26]。科技部从2001年开始组织实施以燃料电池汽车研发为重要内容的―电动汽车重大科技专项‖[27]，作为―十五‖的12个国家重大科技专项之一，国家投入近9亿元。
氢能利用：通过科学家们的努力攻关，我国氢能利用和燃料电池技术正在不断发展[28]。继德国、美国、日本之后，我国自主开发出燃料电池系统及燃料电池轿车和城市客车，其关键技术指标与国际先进水平相当[29]。王贺武表示，在科技部―电动汽车重大科技专项‖和氢能源燃料电池领域项目支持下，清华大学汽车安全与节能国家实验室已经自主研发了5辆燃料电池城市客车，它们的关键技术指标优于国际主流车型，而造价只有国外平均水平的1／4，累计运行里程已超5万公里，引起了国内外的广泛关注。他说：―这5辆采用氢能燃料电池的公共汽车‖。以研发燃料电池轿车为主的上海同济大学，自主研发出的―超越3号‖燃料电池轿车去年6月在第8届必比登清洁能源汽车挑战赛上取得了优异成绩[30]。在加紧氢能和燃料电池自主研发的同时，我国还积极参与国际合作。2003年11月，包括我国在内的15个国家和欧盟共同发起―氢能经济国际合作伙伴‖计划，以协调和促进世界各国在氢能和燃料电池方面的研发工作[31]。另外，在联合国发展计划署和全球环境基金的资助下，科技部、北京市和上海市政府联合实施―中国燃料电池公共汽车商业化示范项目‖，采用全球招标方式购买了3辆燃料电池公共汽车，目前已在北京试运行。
第四章 氢能的应用前景
氢能在燃料内燃机，燃料电池汽车以及核能-氢能系统方面都有很大的应用前景。而按氢能释放形式(化学能和电能)[32]，可将氢的应用分为直接燃烧和燃料电池两类。
§4.1. 氢的直接燃烧利用
直接燃烧具体体现在内燃机方面。而现有市场对于利用内燃机的氢的直接燃烧方法要给予必要的重视和支持。
液氢可作为火箭、导弹、汽车、飞机等的燃料。火箭推进器利用液氢和液氧在火箭发动机燃烧室内燃烧[33]，产生3 000~4 000 K高温和几十大气压的蒸汽，以超音速通过火箭尾部喷管喷出，产生巨大推力。美国的阿波罗宇宙飞船、西欧的阿利亚娜火箭、日本的H1火箭及我国的―长征‖运载火箭，均以液氢为燃料[34]。
氢内燃机可作为燃氢汽车的动力装置。自20世纪70年代开始，德国宝马、奔驰，日本三菱，美国别林等公司均系统地研究开发了氢内燃机，其中，以德国宝马公司的研发成果最为卓著。美国福特公司于1998年开始研究氢内燃机，其发动机热效率比汽油机约提高15％。氢能飞机的试验早在1956年就曾在美国的
B 57飞机上获得成功。1973年，NASA 开始研究超、亚音速液氢飞机的设计方案
[35]，洛克希德公司也进行了系统研究，目前已提出对波音、A300、D@10等类飞机改用液氢燃料的设计方案。
§4.2. 氢能在燃料电池中的应用
氢燃料电池是使用氢能的最高级、最有效的方式。
氢能发电有多种形式，以燃料电池最为重要。燃料电池是一种将化学能直接转化为电能
的装置，能量转化效率高达80％以上，远高于温差电池的10％和太阳能电池的20％的转化效率[39]。燃料电池的这一独特优点使它被列为未来世界十大科技之首。
作为―高效率、 无污染、高效率、适用广、无噪声、具有连续工作和积木化‖等优点的动力装置———氢能燃料电池方面的发展尤为诱人[40]。而以氢为燃烧的燃料电池替代靠热机原理工作的发电机[41]，从根本上解决了汽车尾气对环境的污染问题。开发燃料电池电动汽车技术事在必行。
而燃料电池有望成为航天、电动车辆和分散式供电的首选电源。在各种类型的燃料电池(分别以甲醇、天然气、煤气和氢气等为燃料) 中，以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)最适合应用于电动汽车上。1962年，杜邦公司研制出全氟磺酸膜。20世纪80年代末，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的研究人员将质子交换膜的铂催化剂作了大量改进，铂的用量减少了90％，使燃料电池朝实用化方向迈进了一大步。2001年，处于全球领先地位的加拿大巴拉德公司开发出了功率密度高达 l350 W/L的燃料电池组。美国能源部于l995年开始，实施PEMFC 发展计划，开发用于电动汽车的PEMFC[42]。在美国能源部支持Power 公司于1996年研制出世界上第一辆以液氢为燃料的PEMFC 电动汽车。
目前，美国、日本、欧洲各国的著名汽车制造厂商皆已加入到燃料电池的研究开发行列。燃料电池的技术开发竞争激烈，呈现出多极化趋势。戴姆勒克莱斯
勒公司、福特、马自达、沃尔沃等公司与燃料电池生产商巴拉德公司联手[43]；丰田、五十铃、菲亚特等联合开发燃料电池技术。两者均宣布投资10亿美元，并准备于近期在市场上推出燃料电池汽车。此外，本田公司单独开发，雷诺与日产公司结伴开发，大众、标致公司与意大利燃料电池商诺拉联手开发。
作为氢能的最好的利用方式——燃料电池技术[44]，目前有了很大的发展。比如，在汽车方面的应用。目前全世界有大约200辆大大小小的燃料电池车在示范。2005年5月结束的欧洲燃料电池公共汽车的示范也取得很大的成功，30辆城市燃料电池公共汽车一共行驶76万公里，运送乘客300万人次。目前看来，燃料电池汽车的实用化还需15—20年，也许还会长一些[45]。其主要的制约是价格问题， 目前，燃料电池电动汽车的成本太高，为l000 $/kW以上，而普通汽车发动机的造价约为50 $/kW。美国能源部于2000年10月宣布，由它组织研制的电动汽车用PEMFC 电池系统成本已降全150 $/kW，其计划目标为50 $/kW。最近，美国政府又拨款17亿美元[46]，开发氢燃料电池电动车，希望在20年内成功开发出具有经济竞争力的氢能车辆，取代目前的燃油汽车。最基本的目标是2020年实现500万辆氢燃料电池车上路[47]。我国国家科技部于1997年批准将燃料电池技术列为国家―九五‖计划重大科技攻关项目之一，以大连化学物理研究所为牵头单位，在研制成功了30 kW PEMFC电动汽车。同时也有氢能基础设施的问题[48]。2003年底成立的16个国家与地区的政府机构《氢能经济国际合作伙伴(球髓) 》也将其商业化的时间表定在2020年之后(能否按期实现，还很难说) 。有没有近期氢能就可以派上用场的地方昵? 答案是肯定的，最现实的就是刚才上面提到的内燃机的利用。
§4.3. 氢能在其它领域的应用
无论是从能源需求还是从氢能特点考虑，氢能替代能源都具有现实性，除以上之外氢能在以下行业也都有着不可估量的发展潜力：
(1) 航天航空领域：利用氢和氧化剂发生反应放出的热能使航天事业看到了新的曙光。例如氢氧发动机，新型大功率运载火箭及动力装置的燃料都是这一应用的具体体现，而欧盟―CRYOPI ．ANE ‖计划更是充分证明了液氢做为未来航空燃料的技术可行性。鉴于相同重量液氢的能量密度是煤油的2.8倍[49]，氢燃料对未来航空发展的影响可能是革命性的，此外还有以氢为燃料的燃料电池供电的电动飞机、火箭发动机、氢内燃机等。
(2) 军事领域：以氢为燃料的燃料电池供电的潜艇， ―攻击者‖军用车，军用机车中、小规模供舰艇蓄电池充电的燃料电池电厂等[50]，都体现了氢能在军事方面优势。此外氢和氧化剂在催化剂作用下可从电化学反应过程中直接获取电能及利用氢的热核反应释放出核能。氢弹就是利用了氢的热核反应释放出的核能，是氢能的一种特殊应用。
(3) 能源领域：以氢为燃料的燃料电池，太阳能一氢能系统，生物质一氢能系统[51]。
(4) 交通运输领域：燃料电池汽车、大巴、各种适用的运载工具包括高尔夫车、工程车、铲车、卡车、起重车、矿山机车、自行车、摩托等。
(5) 工业领域：近几年来燃料电池发展迅猛，燃料电池（ F6AG HAGG，FH ）技术的诱人前景使我们看到了氢作为能源的可行性[52]，氢作为重要的化工原料，在冶金、半导体工业的还原，保护性气体，等离子体新工艺燃料供给以及新
材料制备工艺改进等方面都体现了其使用性。
第五章 氢能开发面临的问题
由以上特点可以看出氢是一种理想的新型能源。目前，虽然液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能大规模的商业应用还面临着两大亟待解决的关键问题：
（1） 廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此大规模的廉价的制氢技术是氢能开发的关键问题之一。
（2） 安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢的扩散能力强、易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也是开发氢能的关键问题。
氢在一般条件下以气态形式存在，且易燃(4-75%)、易爆(15-59%)，这就为储存和运输带来了很大的困难。当氢作为一种燃料时，必然具有分散性和间歇性使用的特点，因此必须解决储存和运输问题。储氢和输氢技术要求能量密度大(包含单位体积和质量储存的氢含量大) 、能耗少、安全性高。
（3） 当作为车载燃料使用(如燃料电池动力汽车) 时，应符合车载状况所需要求。一般来说，汽车行驶400 km需消耗汽油24 kg，而以氢气为燃料则只需要8 kg(内燃机，效率25%)或4 kg(燃料电池，效率50-60%)。
（4） 氢是最轻的元素，比液体燃料和其它气体燃料更容易从小孔中泄漏。例如，对于透过薄膜的扩散，氢气的扩散速度是天然气的3.8倍。与汽油、丙烷和天然气相比，氢气具有更大的浮力(快速上升) 和更大的扩散性(横向移动) 。氢的密度仅为空气的7%，而天然气的密度是空气的55%。所以即使在没有风或不通风的情况下，它们也会向上升，而且氢气会上升得更快一些。
（5） 锰钢、镍钢以及其它高强度钢容易发生氢脆。这些钢长期暴露在氢气中，尤其是在高温高压下，其强度会大大降低，导致失效。因此，如果与氢接触的材料选择不当，就会导致氢的泄漏和燃料管道的失效。
第六章 总结
氢能经济的发展对于各种行业来说无疑是一个福音，是机遇也是挑战。氢能的应用将势不可挡地进入社会的各个领域，由于氢能的应用日益广泛对于氢能的制取、储存等工艺的提高事在必行，所以我们应该关注氢能的发展，做好必要的准备，在未来的氢能经济中有所作为。
就环境保护和市场需求而言，洁净和成本是两个关键参数，光有洁净而成本过高就没有市场，因而目前降低氢能的利用成本成为当务之急，各工业化国家对这方面的研究都十分重视，其中美国政府决定今后五年为开发氢能拨款17亿美元，力争到2040年以前使每天的石油消耗量减少1100万桶。世界上40家重要的汽车厂商中，已有25家决定考虑采用氢能，以适应日益严格的环保政策。因而虽然目前困难重重，但在不久的将来我们可以预见氢能的利用一定能够走进我们生活的方方面面。
氢能是清洁能源" 是我国未来新能源发展的必然选择" 从现在起就应从政府层面上重视氢能并加大投入力度! !!" 政府应因势利导，加快制定氢能的有关标准和法规，制定优惠政策，积极，谨慎，稳妥地推动氢能应用示范。氢能在大规模应用前，还有若干不确定因素。氢能的基础设施建设费用，氢能和化石能源的经济可比性，公众对氢能的接受程度。此外，氢能的更廉价的生产方式还有待开发。未来由核聚变产生的热能和电能将是制氢的廉价动力，而那时氢气仍然是分散式供电系统，交通运输的主要能源。关于氢气的储存方式，人们已经试验了多种方法，但都不是尽善尽美#仍需努力。政府应多做推动工作，这将有助于认识氢能的重要性和可行性，提高公众对氢能的认同程度。对于建立大规模氢能工业，则要十分慎重，务必先试点，再总结，再试多点然后试验推广。既不能一刀切，更不能一窝蜂上，要根据各地的自然条件，因地制宜地稳健地朝前走，要鼓励研究单位和企业共同参与示范，从而加快氢能产业化步伐。
参考文献
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