关于“氢能和氢经济”

氢经济（Hydrogen Economy）一词，为美国通用汽车公司（General Motors）于1970年发生第一次能源危机时所创，主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后，整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。但随后二十年间中东形势趋缓、原油价格下跌，石油依旧成为交通运输业的首要选择，因此对于氢经济发展的相关研究渐少。直到1990年代末期气候变化（全球变暖等）问题引起重视以后，氢能与氢经济又再度成为世界各国研究的热点。

第1课　对氢能利用的基本认识

　氢经济指以氢为能源而驱动的经济，氢能的利用将渗透到经济生活的方方面面。为此，必须构建一个以氢为基础的能源体系，在该体系中应当包括氢的生产、存储、运输、转化应用等一系列环节。

　　传统的制氢技术包括烃类水蒸气重整制氢法、重油（或渣油）部分氧化重整制氢法和电解水法。目前，以生物制氢为代表的新制备方法也日益受到各国的关注，预计到21世纪中期将会实现工业化生产，利用工农业副产品制氢的技术也在发展。此外，利用其它方式分解水制备氢的技术也受到了广泛的重视，如热化学循环制氢、太阳能、地热能、核能等。图一概括了上述几种主要制氢方法。

　　氢存储问题涉及到氢生产、运输、最终应用等所有环节。目前，氢的存储主要有三种方法：高压气态存储、低温液氢存储和储氢材料存储。氢的运输与氢的存储方式密切相关，存在着多种运输方式。氢的输运可以是气态、液态和氢化物的形式，无论哪种状态都可以使用管道和车辆进行运输。

　　氢能在化工、航空航天、交通运输、供热、供电等方面有着广泛的应用空间。氢主要有两种转化应用的方式，即可以以燃烧的形式在发动机中使用，也可以以化学作用的形式在燃料电池（Fuel Cell）中使用。表一列出了一些氢的转化与应用情况。

氢的转化与利用

	转化技术	应用
燃烧	气体涡轮机	分布式电站组合式取暖和电力中央电站
燃烧	往复式发动机	车辆分布式电站组合式取暖和电力便携式电源
燃料电池	质子交换膜	车辆分布式电站组合式取暖和电力便携式电源
	碱性电解质	车辆分布式电站
	磷酸	分布式电站组合式取暖和电力
	熔融碳酸盐	分布式电站组合式取暖和电力
	固体氧化物	卡车APV 分布式电站组合式取暖和电力

　　以氢为能量载体的燃料电池主要有五种类型，分别为：碱性电解质燃料电池 (AFC)、质子交换膜燃料电池 (PEM-FC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池 (SOFC)，其区别主要在于电池中的电解质和工作温度不同。碱性电解质燃料电池和固体氧化物燃料电池目前主要应用在航天、潜水艇和军事方面，如美国阿波罗飞船、空间轨道站上用的都是碱性电解质燃料电池。但由于它们需要使用大量铂和工作条件苛刻，因此应用范围比较受限；磷酸燃料电池在大电站方面应用较多，如1991年美国的IFC、EPRI和DOC合作开发的11MW级PAFC发电装置现已并网发电；熔融碳酸盐燃料电池作为民用发电装置的前景受到广泛重视，如1997年由加拿大的Ballard公司与美国能源公司（ERC）共同建设的MCFC250kW电站；由于质子交换膜燃料电池属于低温型燃料电池，保温问题比较容易解决，而且起动所需要的暖机时间较短，采用固体膜做电解质降低了结构的复杂性，同时，当以纯氢做燃料时，质子交换膜燃料电池不需要去除杂质的辅助系统，使系统结构简化，上述优点使之成为目前研究最为活跃、进展最快、车上应用最多的燃料电池。

第2课　关于发展氢能与氢经济的不同看法

　　氢能与氢经济的迅速兴起，在给全世界带来巨大希望的同时，也引发了人们不同程度的担忧，关于氢与氢能经济的争辩也由此开始进而愈演愈烈。概括起来，这些争论主要反映在以下几个方面。

　　１、氢能发展与环境的关系

　　氢能由于具有以下主要特点而成为被许多国家看好的、替代化石燃料的未来型清洁能源:

　　（l）能量高。除核燃料外，氢的发热值是目前所有燃料中最高。

　　（2）氢燃烧性能好，点燃快。

　　（3）氢本身无色、无臭、无毒，十分纯净，它自身燃烧后只生成水和少量的氮化氢，而不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和颗粒尘粉等对人体有害的污染物质，少量的氮化氢稍加处理后也不会污染环境，而且它燃烧后所生成的水，还可继续制氢，反复循环使用。

　　（4）利用形式多，可以以气态、液态或固态金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

　　虽然氢能源被广泛认为是将要取代化石能源的一种清洁能源，但以英国华威大学经济学家安德鲁.奥斯沃尔德、伦敦政策研究所能源经济学家保尔.埃金斯等学者为代表的部分研究人员却认为，现在的氢不是免费的午餐，它并不是清洁、绿色的燃料。目前所提出的氢制取生产线路都面临着这种进退维谷的局面：人类不得不研发另外一种新技术来处理生产新能量所带来的后果。例如，人们主要通过甲烷来获得氢气，但这种方法在产生氢气的过程却向大气排放了二氧化碳；采用电解水的方式获得氢需要大量的电力供应，现在大量的电力仍然出自消耗化石燃料的发电厂；利用可再生能源制氢方面的前景目前也并不乐观；此外，众多国家的政治家对核能源的建设采取了十分谨慎甚至禁止的态度，因此利用核能来生产氢在短期内也不是很容易能够实现。

　　此外，美国加州理工学院的T. K. Tromp等研究人员发现，如果氢燃料完全取代煤、石油、天然气等化石燃料，预计将有10%～20%的氢会渗漏进入大气平流层。它们随后被氧化成水，并导致平流层温度降低，扰乱形成臭氧的化学过程，进而在北极和南极地区造成更大的、持续时间更长的臭氧空洞。而地球臭氧层的损耗会直接影响它对太阳紫外线的阻挡作用。鉴于此，德国化学家协会成员于尔根.梅茨格呼吁，每项新技术都可能包含危及环境的因素，因此引入技术前，必须进行全面试验。人类应该投入最好的模型工具，以检测其效果。

　　但也有国际社会多位专家对T. K. Tromp等人的研究持怀疑态度。国际氢能协会会长、美国迈阿密大学清洁能源研究所的内扎特.韦齐尔奥卢说：“（氢的）泄漏可能比他们认为的要小得多。” 中国太阳能学会氢能专委会主任、清华大学的毛宗强教授对T. K. Tromp等人的研究也表示了自己的质疑，他认为T. K. Tromp等人研究的数学模型有缺陷，并且即便在其假设前提下，研究得出的结论也是较为片面的。

　　２、氢能的利用效率

　　目前对氢能效率普遍看法是其能量高。因为除核燃料外，氢的燃烧热值在所有的矿物燃料、生物燃料、化工燃料中名居榜首，每千克高达28,900千卡，是汽油热值的3倍。

　　但美国生命周期环境评估研究所2004年 8月的一份评估报告认为，作为一种能量载体，氢运送最终能源的效率只相当于电力的一半。报告的有关数据显示，利用氢传送能量，能源量损耗率达到54.55%，只有45.55%原始能量被保留下来；而利用电力运送能量，能量损耗率仅为8%，会保留92%的原始能量。从能量储备的角度指出，氢储备能量后再释放能量的效率，即储能回报率也不及其他能源载体。氢储能回报率为47%，而先进的电池储能回报率为75～85%。报告还认为，即使氢作为清洁的车辆燃料，与直接使用电力驱动的电动车辆相比，能源效率也并不高。充电的电动汽车要比氢燃料电池汽车多跑一倍的路程。此外，先进的电池技术将有效地提高未来电动汽车的性能。

　　但美国洛矶山研究所物理学家阿默利.罗文士认为，在竞争激烈的电力市场，将氢作为电的存储介质可能会取得很好的经济效果。用电分离水来制造和存储氢，再将它重新转化到燃料电池的电能，这个循环的整体效率的确相对比较低，大约为45%（因为有25%的电解剂损耗和40%的燃料电池损耗，再加上重新利用废热用于空调或水暖所回收的效率。但这并不意味这种方法就没有经济意义，原因在于它使用来自发电机组本身负载的电能（或者一个联合循环电机组将其燃料的50～60%转化为电能）来取代非常低效的峰值功率机组（一个单循环燃气涡轮或引擎发电机通常只有15～20%的效率）。因此，当一年最高50～150小时的峰值功率的成本为 600～900美元/兆瓦时时，一般为基本载荷功率成本（约20美元/兆瓦时）的30～40倍，储存经济性就值得进行讨论。分布式发电不仅提供能量和峰值容量，还提供辅助设施和延缓电网升级。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。在所有分布式利益计算在内后，峰值存储氢就会变得很有价值，尤其对于传送受到限制的城市（例如，洛杉矶、旧金山、芝加哥、纽约市和长岛）。这种应用能够节约超过4,000美元/千瓦的资金成本。氢大规模存储另一个很有吸引力的优点就是，像在新西兰或巴西等国家，水利发电系统存储时间太短（新西兰为十二周）而不能预防干旱，但那些国家的雪融水或雨季却提供了廉价、过剩的水电，这时，就可以用氢存储水电，甚至将氢存储在废弃油田中。

　　３、氢安全性

　　氢在使用和储运中是否安全可靠，是人们普遍关注的安全问题。一部分观点认为，氢的独特物理性质决定了其不同于其它燃料的安全性问题，如更宽的着火范围、更低的着火能、更容易泄漏、更高的火焰传播速度、更容易爆炸等。

　　20世纪80年代末，德国、英国和日本三国的三个大汽车公司，对氢能汽车对于氢燃料的使用作过试验，并进行了评估。三家公司一致认为，氢能燃料和汽油一样安全。即使撞车起火燃烧，至多也不过发出一阵冲天大火，很快就烧完火灭。但也存在三个问题：一是由于氢气太轻，单位能量体积太大，达390升/千卡，是石油的4,000倍，即使用液态氢，体积仍然很大，占车内空间太多。二是氢燃料“逃逸”率高，即使是用真空密封燃料箱，也以每24小时2%的速率“逃逸”；而汽油的一般是每个月才1%。三是加氢燃料比较危险，也很费时，一般需要1个小时，而且液氢温度太低，只要一滴掉在手上就会发生严重冻伤。

　　对氢的安全性问题，物理学家阿默利.罗文士认为，氢能产业经历了半个多世纪，有令人羡慕的安全记录。任何燃料都有危害，并需要正确处理。但氢的危害不同，通常，它比那些碳氢化合物燃料更易处置。它非常轻，空气的重量是它的14.4倍，（天然气仅比空气轻1.7倍）。氢的扩散性比天然气高四倍，比汽油蒸汽的挥发性高十二倍，因此，氢泄漏发生后会很快从现场散发。如果点燃，氢会很快产生不发光的火焰，在一定距离外不易对人造成伤害，散发的辐射热仅及碳氢化合物的十分之一，燃烧时比汽油温度低7%。虽然氢爆炸的可能性比上限高出四倍，但引爆需要至少两倍于天然气的氢混合物。氢易燃，着火所需能量是天然气的十四分之一，但是这也视情况而定，因为天然气可能由静电产生的火花点燃。但是和天然气不同，即使在建筑物中，氢泄漏遇到火源更可能是燃烧而不是爆炸。因为氢燃烧的浓度大大低于爆炸底限，而着火所需要的最小浓度比汽油蒸汽高四倍。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。

　　４、成本费用

　　对于氢经济发展所需要付出的经济成本，各方也看法不一。一部分观点认为，发展氢能与氢经济需要大规模建设氢能源的生产、销售和运输等基础设施，这是不现实的，而且成本太高——可能要花数千亿元。目前氢能的生产成本是汽油的4～6倍，其运输、存储、转化过程的成本也都较化石能源高。仅以汽车为例，消费者希望氢能体系要提供至少与目前化石体系相当水平的服务，要求燃料补充站点密布，每补充一次燃料汽车可行驶300～400英里，一次燃料补充可在3～5分钟内完成，价格也与汽油相当，而现在的氢能体系还远远不能满足上述要求。因此，目前从价格到服务，氢能都无法与化石能源竞争。另外，使用氢能的设备价格昂贵。日本丰田公司开发的氢能燃料电池小轿车每月的租金是9,000～10,000美元。美国能源部燃料电池研究小组的前负责人帕特里克.戴维斯认为：“以今天的燃料电池技术，即使我们把氢燃料电池车的产量提高到每年50万辆的规模，每辆车的成本还是要比烧汽油的车高出6倍还多。”质子交换膜燃料电池是最具发展前景的燃料电池。它具有可室温快速启动、无电解液流失、易排水、寿命长、比功率与比能量高等优点，特别适合作可移动动力源，也可以建成分布式电站和家庭动力源。但是，要实现质子交换膜燃料电池的商业化，必须大幅度降低其成本。例如，德国的戴姆勒一克莱斯勒公司拟于2004年投放市场的 Mercedes—Benz A级燃料电池汽车的售价仍高达 18,100美元/辆。再者，众多环境保护论者担心氢能经济需建造许多新的燃煤发电厂和核电厂（或核聚变站），从而引发更多环境问题。

　　物理学家阿默利.罗文士对此问题的看法是，新的核电厂的送电成本将是新型风力发电厂的2～3倍，工业和城市中的新型燃气发电设备的5～10倍，高效发电方式的10～30倍，因此无论是否过渡到氢能，市场经济都不可能选择核能。并且，如果集中式氢能生产的确证明了其竞争力或必要性，那么现有的输送管道一般会转用于输送氢能。例如，通过增加高分子聚合物衬垫（与现在使用的过滤污水和下水的管道类似），再加上氢封闭（hydrogen-blocking）金属光泽涂层或衬垫（类似于用于合成氢存储罐）然后使用压缩转化。即使在初期，现有的管道不做修改也可以安全输送混合氢烷（“Hythane”），即把一部分氢气添加到天然气中进行输送，然后燃料电池用户再用一种特殊的隔膜来分离两种气体（荷兰天然气巨头气体联合公司（Gasunie）和欧洲62个会员团体正在研究这些项目）。一些新设的管道已经配备了为输送氢能所需的合金、阀门和密封塞。其它新建管道未来可以兼容输送氢气，例如，日本正在筹建中的西伯利亚—中国—日本天然气大型管道，而且这也不会增加额外的成本。氢的冶金学问题也可以通过使用低碳合金、保持中等、稳定压力来解决，如果需要增加强度的话，还可以在外部增加合成物包装。转换天然气管道用于输送氢气，并不存在预想的特殊安全问题；目前已经有一个超度为200英里的原油输送管道被用提供氢能服务。一些制造输氢管道的新方法，如合成物拉挤成型法，也很有应用前景。就天然气配送管道来说，许多原有的系统也已经大部分或完全兼容氢输送。全世界许多主要城市都建有这样的管道，最初它们是为传输民用燃气（合成煤气体积约50～60%为氢气）到普通家庭所建立的，现在在中国和南非的部分城市仍然有这样的管道。

　　在供燃料电池使用的纯氢气研究方面目前又有了一些新的进展。美国能源部曾在其氢能规划中要求燃料电池所需纯度为99.999%。但在2003年中期，能源部将目标改为到2010年以每公斤1.50美元的价格向用户出售氢燃料。一些权威消息也认为，99.9%的纯度已足可供标准汽车燃料电池使用；日本汽车制造商按其国家工业标准要求所设计的纯度仅为98.5%。因此，目标的降低以及研究人员目前不断报告的技术进步极有可能在不远的将来使重整技术在适量生产的条件下达到与批发汽油竞争的水平。　　

第3课　氢能与人类的可持续发展

　一、氢能--人类发展的历史性选择

　　对能源的利用伴随着人类的文明史。从最早的钻木取火、风能、水能开始，人类通过对天然动力和能源的控制和应用，大幅度增长了支配环境的能力，社会生产力不断提高。18世纪资本主义产业革命后，伴随着蒸汽机的发明，煤炭成为工业的主要能源，促进了资本主义社会的工业高速发展，出现了机器和大工业的生产。第二次能源结构大变革是在20世纪初开始的。内燃机的发明使石油迅速登上了能源舞台，并得到了急速发展。以内燃机为动力的移动式机械设备使人类的活动范围空前扩大。新的洁净的二次能源--电力的普及使能源利用产业摆脱了对矿区的依赖，新技术革命创造了人类历史上空前灿烂的物质文明。第三次能源结构大变革始于20世纪70年代的石油危机，人们逐渐认识到化石能源的不可再生性，必须加速开发新型能源。另一方面，化石能源的大量开采和应用也导致了人类自身生存环境的恶化。开始了新能源开发和利用的新时期，太阳能、原子能、地热能和潮汐能等多种新能源的开发应用导致了人类用能的多元化。

　　第三次能源变革逐渐受到可持续发展思想的影响并开始以可持续发展为主题。可持续发展的概念始于20世纪80年代，即满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其需求能力的发展。可持续发展是一个涉及经济、社会、文化、科技、自然环境等多方面的一个综合概念，它以自然资源的可持续利用和良好生态环境为基础，以经济可持续发展为前提，以谋求社会的全面进步为目标。目前我们以化石燃料为基础的能源体系与这样的目标相差甚远，体现在：

　　1）污染物排放。能源利用导致的污染物大量排放，尤其是微细粉尘和酸性气体的排放造成了空气污染，导致生态破坏，并对人类健康造成了极大的威胁。

　　2）全球气候变化。人类活动产生的温室气体主要来源于能源的生产和利用。这些温室气体已经开始对全球气候产生明显的影响。

　　3）不可再生性。现有的化石燃料均为不可再生能源，尤其是油气资源，在可预见的将来，将会面临开采枯竭。濒临枯竭前将有剧烈的价格波动。

　　自美国“9．11”事件以后，世界各国都意识到自身能源供应安全问题，即石油输出国和输入国之间的利益摩擦可能导致输入国的利益损害。

　　如何充分利用国内资源实现自主能源供应，摆脱进口依赖，并实现污染物和温室气体零排放的目标，成为关注的热点。大家把目光投向氢能。

　　氢能引起世界各国的关注基于以下几个原因：l）超级洁净，生成物为水，基本实现温室气体和污染物的零排放；2）被称为“能源货币”，为可再生能源的非稳供能提供储存可能；3）可申多种能源转化，保障国家能源安全供应；4）通用性强，可用于大多数终端燃烧设备；5）化学活性高，燃料电池避开热机转换循环可实现能量高效转化；6）可望实现低损耗输运，实现分布式利用。

　　氢能被誉为“二十一世纪”的能源。许多国家都在加紧部署、实施氢能战略，如美国针对运输机械的“FreedomCAR”计划和针对规模制氢的“FutureGen”计划，日本的“ New Sunshine”计划及“ We－NET”系统，欧洲的“Framework”计划中关于氢能科技的投人也呈现指数式上升的趋势。冰岛已经宣布，在二十年内建立全球首家氢经济社会。

　　二、氢能体系思想的眼

　　现有的能源体系从终端利用的角度，可分为固定式和移动式。固定式能源需求部门包括工业、农业、商业和住宅，能源的需求形式为热和动力。对于高需求密度区，可由化石能源发电，并输送到需求区转变为动力，由载热介质供应热能。但是对于低需求密度区和移动式机械的能量供应，电力的应用受到限制，因为电力为不可储存的能量，而且在长途输送过程中沿程损耗巨大。在这样的场合，液体和气体化石燃料通过燃气轮机、活塞式发动机等转化设备将化学能直接转化为动力和热能。

　　用于固定式发电的燃料主要是煤，用于分布式及移动机械的燃料主要为天然气和石油。这三种化石能源并重而互补。出于规模效应，大型电站有经济能力对尾气进行净化，消除大部分气体污染物排放，产生出清洁的电力和热能。汽车工业中，石油产品燃烧造成的污染则不易消除，导致大城市空气质量恶化。再加上能源供应安全等因素，人们首先想到能否有一种清洁的流体燃料来代替石油产品，驱动运输设备。这种燃料就是氢。燃料电池的发展对氢能的前景部署起到了巨大的推动作用。燃料电池避免了传统的热机循环限制，直接将氢的化学能转化为动力，其效率可为传统内燃机的2－3倍。目前燃料电池技术正得到飞速发展。

　　氢能从哪里来？

　　氢是宇宙中最丰富的元素之一，但是在地球上单质氢的含量微乎其微。氢能属于二次能源，只能由其他能源进行转化而得到。

　　人们已经意识到化石燃料的不可再生性，开始将目光投向可再生能源。由可再生能源进行氢电联产，两种清洁能源形成并重而互补的能源体系一直是人们的梦想。但是能源系统的转换是一个长期的过程，另外，可再生能源的大规模开采还存在经济的技术的困难，需要大量的科研力量投人。目前红主要作为化工品和火箭燃料使用，要进人能源体系，仍需由碳氢燃料规模制备。我们是否须等到可再生能源成为体系主流后再发展氢能呢？答案是否定的。

　　即使由目前的碳氢燃料尤其是廉价的煤炭和生物质制备氢能，在近期仍然具有巨大的环境、经济、安全、效率方面的吸引力。首先，氢能制备过程中二氧化碳富集，比较容易进行捕捉和封存，可运输至地质岩层中进行储存，或作为石油开采的驱动气体；其次，从合成气中除去气态污染物比从燃烧产物中进行要容易得多；第三，煤炭在全球的分布相对油气资源要相对平均，可有效缓解供应安全供应问题；最后，团定式高温燃料电池的发展讯速．将不仅提高中心式供能产业的整体效率，而且排除了，传统火电的规模和负荷屏障，便于分布式供能。这也是美国在部署了针对燃料电池汽车的FreedomCAR计划之后，接着颁布针对煤气化规模制氢的FutureGen计划的原因。

　　三、氢经济的实现途径

　　关于氢经济的最早文字记载大概出现在1870年儒勒·凡尔纳（Guies Verne）写的一本科学幻想小说《神秘岛》中。他在书中写道：“我相信总会有一天可以用水来作燃料，组成水的氢和氧可以单独地或合在一起采使用。这将为热和光提供无限的来源，所供给光和热的雄是煤炭所无法达到的。所以我相信．一旦煤矿枯竭了，我们将会用水来供热和取暖。水将是未来的煤炭。”作者的思想出发点是基于相对遥远的未来。但是现在，无论从光解、热解、电解或微生物分解制备的氢能都不具备市场竞争力。

　　什么是氢经济？

　　美国自“9．11”事件以后，对于氢能相关技术研发的步伐明显加快，在国际上处于领先地位。在美2001年11月在华盛顿召开的国家氢能前景会议上形成的文件“A national vision of America‘s tran-sition to a hydrogen economy--to 2030 and beyond”中，对氢经济的描述为：“未来的氢经济中--美国将拥有安全、清洁以及繁荣的氢能产业。美国消费者将象现在获取汽油、天然气或电力那样方便地获取氢能。氢能的制备将是洁净的，没有温室气体排放的。氢能将以安全的方式输送。美国的商业和消费者将氢作为能源的选择之一。美国的氢能产业将提供全球领先的设备、产品和服务。”

　　这样的描述固然体现了与会者们对未来氢能体系的信心，而且表达了氢能将是全方位的，大范围的．并渗透到经济生活的方方面面。对全人类来讲，要实现这样的氢经济，依赖于政策、市场和技术的个断进步和完善。

　　如何实现氢经济？

　　从氢能制备的角度，利用碳氢燃料规模制备可望成为突破点，采用先进气化技术为核心的混合循环多联产系统将对传统的能源产业产生革命性的影响。随着可再生能源制备技术的逐步成熟，以此为基础的氢能与化石燃料制备的氢能具有成本竞争力。

　　从氢能分配的角度，高效的储存和输送技术将促成供能基础设施的成本不断下降，形成管网、罐车、铁路等多重分配体系。随着技术的不断进步，氢能基础设施将从某一点的示范工程出发，呈辐射状扩大，最终形成全球的氢能市场。

　　从氢能利用的角度，燃料电池技术的日渐成熟促成了汽车工业的转型，燃料电池汽车逐渐普及。

　　不仅如此，高温固定式燃料电池也将在中心式及分布式供能系统中发挥重要作用。在重型运输机械及体积/重量要求比较苛刻的场合，氢能将通过燃烧的方式实现高效供能。

　　四、结束语

　　能源系统的转换是一个长期的持续的过程，需要从战略、系统和技术方面进行不断突破，从政策方面进行坚持不懈的扶持，从市场方面进行不断培养和完善，鼓励官产学研之间的大力配合，从群众教育行动提高公众接受程度。氢经济将逐步实现并为人类的进一步发展作出巨大贡献。

第4课　关注氢能发展氢能

　１．老朋友、新能源。

　　人们对氢并不陌生，氢是我们的老朋友。大约２５０年前人们就发现了氢，约１５０年前就开始在工业中应用氢。城里人用来取暖、做饭和照明的煤气中，氢含量高达５０％～６０％。现代航天工业大量使用并依赖氢能。此外，氢在氨、甲醇合成、电子器件或玻璃生产等过程中也有着广泛的应用。

　　过去，人们对氢作为能源的认识并不深刻，今天，由于化石能源的资源日益枯竭，化石能源造成的污染危害日益严重，使得人们更加关注氢能。说氢能是人类未来的新能源，是因为氢能具备其它能源所没有的一些特点：

　　资源丰富。地球上的氢主要以化合物如水、石油、天然气等形式存在。水是地球的主要资源，地球表面的７０％以上被水所覆盖，即使在大陆，也有丰富的地表和地下水。水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，１８公斤水就有两公斤氢。水就是地球上无处不在的“氢矿”。

　　获取途径多样。氢既可以通过各种化石燃料如天然气、煤、煤层气来制取，也可以用可再生能源如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热或者二次能源（如电力）来开采。

　　清洁环保。利用低温燃料电池、通过电化学反应将氢转化为电能和水的过程中不排放二氧化碳和氮氧化物，没有任何污染。使用氢燃料内燃机，也是显著减少污染的有效方法。

　　可储存。氢气可以像天然气一样被大规模储存，这是氢能和电能、热能最大的不同之处。

　　可再生。氢由化学反应产生电能（或热能）并生成水，而水又可以由电解再转化为氢和氧，如此循环，永无止境。

　　此外，由于化石能源分布极不均匀，常常引起各国间的激烈争夺，甚至发生战争。而氢能既可再生又来源广泛，每个国家都有丰富的“氢矿”，因此氢能有“和平”能源的称号。

　　能源是我国可持续发展的基础。目前我国化石能源供求有巨大的缺口，以煤为主的能源结构对环境产生了严重影响。今后要建立能源供应和安全保障体系，改善能源利用对环境的影响，就不能不研究氢能，不能不利用氢能。

　　２．怎样使用氢？

　　现阶段氢能的主要使用方式是氢的直接燃烧和氢燃料电池的电化学转换。

　　——直接燃烧方式。燃烧纯氢气，其火焰温度超过２０００℃，一般的设备承受不了；氢火焰没有颜色，容易烧伤人，给使用带来不便。如果将氢按一定比例添加到天然气、汽油中作为民用生活燃料或汽车燃料，不必改变用户的任何设备，就能使氢大有用武之地。氢—天然气、氢—汽油、氢—柴油等混合燃料，因排放污染物少，成本低廉，易于推广，在近期更适合我国的国情，应该给予特别的重视。北京市目前有约３０００辆天然气公共汽车，预计到２００８年将有８０００辆天然气公共汽车，如果掺入２０％（体积）的氢，则相当于有千余辆燃烧纯氢的公共汽车，这将给首都的能源供应、环境保护带来相当大的好处。

　　——燃料电池方式。燃料电池是将氢的化学能转化为电能与热能的电化学装置。英国人威廉·格罗夫（ＷｉｌｌｉａｍＧｒｏｖｅ，１８１１—１８９６）是第一个试验燃料电池的人。燃料电池采用模块化能源转换器，运行时无噪音，结构紧凑，没有移动部件，无振动。燃料电池的效率很高，总的能源使用率在８０％以上。同时，以纯氢作燃料时，排放的是温暖的气体和水蒸气，根本不产生污染物。

　　氢燃料电池技术将引发一场汽车技术革命。采用燃料电池发动机作为汽车的动力之后，汽车的外形看似不变，但其内部结构发生了重大变化。燃料电池汽车根本没有常规的发动机、离合器、变速箱、传动轴、万向轴等，成千上万的汽车机械零件将被省略。如果说汽车工业的前１００年是内燃机的天下，那么今后将是燃料电池的舞台。据估计，目前，全球有６００—８００辆各式各样的燃料电池车正在试验中，有近百座氢燃料加注站投入运转。１９９９年，在德国的慕尼黑国际机场，一个机器人液体氢加氢站已经开始运行。可以推测，如一切顺利，完全由氢支持的陆地交通运输可望在２０３０年左右实现。

　　２０００年，我国汽车工业产值已超过３０００亿元。在未来２０年内，巨大的潜在需求将使汽车产销保持高速增长势头。在高度国际化竞争的汽车市场上，我国的传统内燃机汽车难以同发达国家竞争。而氢燃料电池车国内外都处在研究开发阶段，我们虽然有差距，但只要采取适当的机制，是可以突破障碍，实现跨越式发展的。发展氢能燃料电池汽车是我国汽车工业不可多得的机遇。

　　除用作汽车动力源之外，供电、供热是燃料电池的另一大消费市场。氢燃料电池技术已经对传统的供电、用电方式产生巨大影响。人们逐渐认识到目前的大规模集中式发电和远距离输电的缺点。美国加州大规模停电事件、科索沃战争石墨炸弹可以轻易地破坏电网等，使人们对大发电系统的安全性深感担心。同时，长距离输电的能耗也非常大。氢燃料电池的出现使每一栋楼房和每一家住户都可以成为发电的场所燃料电池系统可安装在任何地方　，由此，可减少发电和输电时的大量能源损耗，并可充分利用发电时产生的热能给住宅供暖、供应热水等。日本不少大公司，如大阪煤气、新日本石油等已经开发出家用１千瓦燃料电池热电设备，每个家庭都可以发电。科学家今天的共识是，大电网和分布式供电系统的联合，才是有效的能源利用模式。

　　３．氢安全吗？

　　作为一种新能源，人们担心它的安全性是完全可以理解的。事实上，从技术方面讲，氢的使用是绝对安全的。氢在空气中的扩散性很强，氢泄漏或燃烧时，可以很快地垂直上升到空气中并消失得无影无踪。氢本身没有毒性及放射性，不会对人体造成伤害，也不会产生温室效应。科学家已经作了大量的氢能安全实验，证明氢是安全的燃料。如在汽车着火实验中，分别将装有氢气和天然气的汽车燃料罐点着，结果氢气作燃料的汽车着火后，氢气剧烈燃烧，但火焰总是向上，对汽车的损坏较缓慢，车内人员有较长的时间逃生。而天然气作燃料的汽车着火后，由于天然气比空气重，火焰向汽车的四周蔓延，很快包围汽车，危及车内人员的安全。再如，用枪射击一个装满氢气的高压气瓶，会发生什么现象？如果你认为气瓶会爆炸，那就错了。实际情况是氢气会呼啸而出，没有火焰，没有爆炸，最后留下一个有弹孔的气瓶。科学、严格、系统的实验提供了氢能安全运行的条件和规程，只要你按规程去做，就没有一点危险。人们已经有过１００多年安全使用氢的经验，今天，更加有效的氢安全系统的整套设备已经商品化，我们还担心什么呢？

　　４．加强国际协作，推动我国的氢能发展。

　　我国是最有希望实现“氢能经济”的国家。燃料电池技术是使用氢能的最佳方法之一。目前，虽然氢燃料电池还未市场化，但各大公司已纷纷准备抢占我国市场。例如，通用汽车公司不但将该公司的氢燃料电池车运到我国来展示，而且还让我国观众亲自驾驶，体会燃料电池车的性能。戴姆勒－克莱斯勒公司、杜邦公司、福特汽车公司等纷纷在我国不同场合召开燃料电池研讨会和论坛，培育中国氢能市场。特别值得指出的是，２００４年５月在北京举行的“第二届国际氢能论坛”上，来自全世界２０个国家的５００多名政治家、实业家和科学家共聚一堂，讨论氢能的发展战略、氢能技术和氢能经济。我国自行研制的氢燃料电池公共汽车和德国的氢燃料电池车一起冒雨开过天安门，到达人民大会堂，引起国内外广泛关注。氢能发展的国际化动向，为我国提供了吸取国际经验的大好机会。我们应该积极参加世界氢能合作，从实际情况出发，发展我国的氢经济，同时推动世界氢经济的发展。在氢能源舞台上，发达国家和我们一样缺乏经验，我们完全有可能超越他们，利用“天时、地利、人和”，在世界能源舞台上，唱一出中国氢能大戏。

第5课　结束语

虽然氢能和氢经济为未来人类解决能源短缺问题描绘了令人振奋的前景，但要使这幅蓝图真正成为现实的确还面临着诸多问题需要科学家、研究人员和政府部门等来共同回答。地球上的氢元素虽然十分丰富，但自然界中很少有游离态的氢存在，必须从水、化石燃料等化合物中制备，制备氢需要耗费大量的能量。另外，氢是最轻的元素且易燃，如何安全使用氢也是人类必须考虑的问题。因此，要想使氢像如今“碳氢经济”时代一样，取代化石燃料成为全球经济发展的能源载体，构筑新的“氢经济”，还需要在氢能的生产、存储、运输、利用等方面取得真正的突破。