世界氫能技術(shù)研究和應(yīng)用新進展

張聰（南京理工大學能源與動力學院）

人類的能源利用經(jīng)歷了兩次重大轉(zhuǎn)變，一是從19世紀中葉前的以生物質(zhì)燃料為主轉(zhuǎn)變?yōu)?9世紀末到20世紀初的以煤為主，二是從20世紀中葉以來石油天然氣代替煤成為人類的主要能源。伴隨人類主要能源形式的重大轉(zhuǎn)變而形成的“煤經(jīng)濟”、“石油經(jīng)濟”，有力地促進了人類經(jīng)濟的大發(fā)展。然而，由于對化石能源大量使用可能導(dǎo)致的全球變化和資源枯竭的擔憂，以及對可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境的追求，高效、清潔、可持續(xù)的“無碳”能源——氫能源已得到世界各國的普遍關(guān)注。美國著名學者里夫金（R ifkin）2002年指出，“全球化石能源經(jīng)濟向氫能經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型、氫能經(jīng)濟時代的到來將引發(fā)人類歷史上下一次重大的技術(shù)革命、商業(yè)革命和社會革命”[1]。所以，世界經(jīng)濟向“氫經(jīng)濟”的過渡是大勢所趨， 它將帶給人類嶄新的能源基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟體制和居住方式。

1 世界氫能源研究成果及其應(yīng)用

1.1 政策規(guī)劃支持[2]6-11

近年來，能源危機不可小覷，發(fā)達國家和發(fā)展中國家對氫能領(lǐng)域的投入逐年增加，各國都在爭相規(guī)劃布局，以便在未來氫能源的競爭中占據(jù)主動權(quán)。

1.1.1 美國和加拿大

1996年，美國國會通過了“未來氫法案”（H ydrogenFutureA ct），開展了氫能制備、儲存、運輸和應(yīng)用示范研究。2003年，由美國、澳大利亞、巴西、加拿大、中國、意大利、英國、冰島、挪威、德國、法國、俄羅斯、日本、韓國、印度等國參加的“氫能經(jīng)濟國際合作伙伴計劃”（InternationalPartnership forH ydrogen Economy，IPH E）在華盛頓成立。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅僅是2008年到2011年間，美國能源部D O E 就在氫能和燃料電池計劃中投入了大約9億美元，主要用于制氫、儲氫、燃料電池、制造、技術(shù)實證、規(guī)范標準和教育等。2011年9月，美國能源部頒布的“燃料電池項目計劃”規(guī)劃在2014年至2020年逐步實現(xiàn)燃料電池移動電源、固定電站，以及車載燃料電池發(fā)動機的產(chǎn)業(yè)化。

加拿大也是發(fā)展氫能最為活躍的國家之一，加拿大負責氫能計劃的官方機構(gòu)為NationalH ydrogen A ssociationNH A ，該協(xié)會組織了工業(yè)部和自然資源部以及多家公司開展氫能計劃。加拿大政府每年給予巨額專款作為能源部研究及“氫經(jīng)濟”發(fā)展基金。

1.1.2日本

日本政府為促進氫能實用化和普及，進一步完善了汽車燃料供給制度。2002年日本推出了氫能和燃料電池示范項目JH FC （JapanH ydrogenandFuel CellD emonstrationProject），僅2003年4月到2007年期間，就投資25 億美元用于氫能相關(guān)技術(shù)研究。2011年，13家汽車制造商和氫氣供應(yīng)商發(fā)表聯(lián)合聲明，汽車制造商將在四大都市區(qū)（東京、中京、關(guān)西、福岡）開始大批量生產(chǎn)燃料電池汽車，氫氣制造商將配合建設(shè)約100座加氫站。2012年，日本投入2.4億美元用于氫能和燃料電池的開發(fā)。

1.1.3 德國

德國氫燃料電池技術(shù)國家創(chuàng)新項目NIP 在2006年成立，在過去的幾年中投資14 億歐元來加速氫能走進市場。投資涵蓋交通運輸、固定式電站和特殊市場應(yīng)用等領(lǐng)域，其中一項投資重點示范18輛燃料電池混合動力大巴，已經(jīng)有4輛大巴在科隆和阿姆斯特丹運行。在2015年以前，德國允許碳排放量少于50g/km的機動車輛免稅。

1.1.4 中國

國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要提出，我國要重點研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氫技術(shù)。我國燃料電池和氫能研究的相關(guān)政府資金支持主要來自863計劃和973計劃項目。我國科技部已經(jīng)通過7億3000萬元的電動車研發(fā)預(yù)算，21%將用于燃料電池汽車。財政部以及相關(guān)的管理部門也明確給予使用氫燃料技術(shù)的新產(chǎn)品補助。最近，清華大學毛宗強教授主持召開會議，準備成立中國氫能與燃料電池協(xié)會。

1.2 氫儲存技術(shù)突破

氫的儲存技術(shù)是氫能發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，儲氫材料的開發(fā)是解決氫能應(yīng)用中氫存儲技術(shù)難題的關(guān)鍵，國內(nèi)外都非常注重這項技術(shù)的研究。

1.2.1 美國

2012年，美國用于儲氫技術(shù)研究的預(yù)算達到1740萬美元。美國當前儲氫材料方面的研究主要集中在開發(fā)新的儲氫材料，以及克服已知候選儲氫材料的缺陷上。項目重點圍繞提高儲氫密度、安全性，降低成本等發(fā)面展開。納米技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用也成為新的關(guān)注點，納米儲氫技術(shù)已成為重點項目。美國LavrenceLivermore國家實驗室的研究人員將高壓儲氫技術(shù)與傳統(tǒng)液態(tài)儲氫技術(shù)有機結(jié)合，成功研制出一種新式低溫、耐高壓的車載氫燃料儲存裝置，這是目前唯一一種儲氫密度達到D O E2015年目標的儲氫方式。它展現(xiàn)出了超強的抗壓能力，能在高達35 M Pa的壓力下工作，即使容器從外部吸熱后壓力增加，也不會立即出現(xiàn)氫氣泄漏的現(xiàn)象[3]。

1.2.2日本

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研制出了新型夾層碳纖維儲氫材料，它是一種質(zhì)量輕、密封性好、強度高的新型材料。它正反兩面是各三層的碳纖維材料，而中間是一層添加了少量樹脂材料的黏土膜。這種厚約1 mm的“三明治”式的新材料測試結(jié)果顯示，該材料對氫氣的密封性提高了100多倍。

1.2.3 中國

在“863”計劃的持續(xù)支持下，我國在高壓儲氫方面取得顯著成果。在加氫站用高壓儲氫容器的研發(fā)上，浙江大學和巨化集團工程公司發(fā)明了一種具有承壓、抑爆、缺陷分散、運行狀態(tài)在線診斷等多種功能的全多層高壓儲氫容器，制訂了國際首列高壓儲氫容器國家標準G B/T 26466—2011《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》，成功研制了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國際首臺70 M Pa級多層高壓儲氫容器。

1.3 加氫站的建立

目前，美國、日本、加拿大、歐盟等世界各國已建設(shè)各類加氫站200多座。所建加氫站中，37%在美國，15%在德國，13%在日本。

1.3.1 美國

加利福尼亞州的加氫站建設(shè)走在世界前列，目前共有32座在運行。早在2004年4月，加利福尼亞州就提出建設(shè)氫能高速公路，即到2010年，投入1億美元在高速公路上每隔20mile建設(shè)1座加氫站。已建成的加氫站主要集中在洛杉磯、圣弗朗西斯科、薩克拉門托等地區(qū)，因為那里人口密集、污染嚴重，少量的加氫站可以服務(wù)大量的顧客，同時為減少這些地區(qū)的污染發(fā)揮示范性作用。

美國可再生能源實驗室曾預(yù)計，到2020年，利用燃料電池汽車進行洲際旅行已不再是不可能的事，這需要投入8.37億美元，建設(shè)284 座加氫站。同時，應(yīng)考慮城市中心作為加氫站的建設(shè)地，這樣最少數(shù)量的加氫站可以覆蓋最多的人群。

1.3.2 日本

2002年，日本第一個加氫站在大阪開業(yè)。同年，幾大政府部門聯(lián)合大型汽車制造商、日本能源公司，發(fā)起了日本氫能及燃料電池實證示范工程（JH-FC）。在示范工程中，東京建立了9個加氫站，每個站都采用了不同的制氫技術(shù)，如汽油重整、石腦油重整、甲醇重整、堿液電解等。2010年，日本開通了連接羽田機場與東京中心的燃料電池巴士，并將新日本制鐵公司生產(chǎn)的氫氣通過北九州氫氣站供給周邊7個燃料電池熱電系統(tǒng)。

1.3.3 歐洲

2003年，歐洲啟動了清潔城市運輸計劃CU T E，在9個城市建立加氫站，示范27輛燃料電池汽車。2012年6月，德國聯(lián)邦交通部長R amsauer與參與德國NIP 計劃的企業(yè)界代表一起為擴建德國電動汽車加氫站的項目奠基。目前，德國已經(jīng)建成14座電動汽車加氫站，政府計劃近期在全德國范圍內(nèi)將加氫站數(shù)量進一步擴大到50座。

1.3.4 中國

加氫站在我國還處于起步階段。上海在2007年底建成了第一座固定式加氫站，此后又陸續(xù)建設(shè)多座加氫站以滿足燃料電池汽車的發(fā)展需要。北京加氫站初期采用一種叫做壓縮氫儲藏型加氫站，其氫供給方式為將氫加壓至19.6M Pa，用儲氣罐和大容量拖車運輸。這種方式處理簡單、易于維護、設(shè)備投資少，適用于初期汽車數(shù)量較少的加氫站[4]。

位于北京中關(guān)村科技園區(qū)永豐高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地的北京新能源交通示范園，是一個集氫能等新能源的研發(fā)及展示為一體的示范基地。其加氫站占地面積約4000m2，包括外供氫、天然氣重整制氫及清潔能源制氫裝置。北京奧運會上示范運行的500多輛燃料電池汽車全部在此維護和加氫。

1.4 氫內(nèi)燃機問世

1972年,美國在通用汽車（G eneralM otors）公司的試車場上舉行的城市交通工具對大氣污染最小的比賽中，大眾（V olkswagen）汽車公司改用氫的汽車奪得第一名，據(jù)稱它排放的廢氣比吸入發(fā)動機的城市空氣還干凈。日本武藏工業(yè)大學與日產(chǎn)（Nissan）公司長期合作，從1974年開始研制“武藏一號”氫燃料電池，幾乎每一屆世界氫能大會都展出新品。德國奔馳（B enz）汽車公司和巴伐利亞汽車廠還組建了1個用水分解氫氣作為燃料的汽車隊，同時開展公共汽車用氫燃料的試驗研究。第一批未來型公共汽車——M A N公司制造的氫燃料公共汽車，已于1996年投入運行，德國為此每年投資5000萬馬克的費用[5]484-485。

進入21世紀以來，隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)以及氫氣存儲供給和電控缸內(nèi)直噴技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各國各大汽車公司紛紛推出新型氫內(nèi)燃機汽車。

1.4.1 寶馬公司

寶馬公司在氫內(nèi)燃機的技術(shù)上走在了世界最前端。2004年，1部名為H 2R 的氫內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車創(chuàng)造了9項世界紀錄。H 2R 加氫是通過1個移動加氫站完成的。液氫儲氫罐具有雙真空絕熱層，容量為11 kg液氫，被安置在駕駛座椅的一側(cè)，其三閥門設(shè)計可以確保最大的安全性。工作閥門在4.5 Pa的壓力下打開，另外2個安全閥門可以防止任何液氫泄漏產(chǎn)生的危險后果；當壓力超過5 Pa時立即開啟，釋放壓力，從而保證液氫儲氫罐不會因為壓力過高而發(fā)生事故。

1.4.2 馬自達公司

馬自達公司自20世紀80年代末開始一直致力于轉(zhuǎn)子式氫氣內(nèi)燃機的研究與開發(fā)。2004年，馬自達公司推出裝有氫燃料R enesis轉(zhuǎn)子發(fā)動機的R X-8跑車。這種轉(zhuǎn)子式氫氣內(nèi)燃機的進氣室與燃燒室完全隔離，避免了回火問題的發(fā)生。2006年，R X-8R E 誕生，可以在氫氣和汽油任意一種燃料方式下運行。

1.4.3 福特公司

2003年，美國福特公司開發(fā)出福特U 型氫內(nèi)燃機越野汽車，氫燃料噴射系統(tǒng)由Q uantum公司提供。其動力系統(tǒng)的熱效率達到38%，比典型的汽油燃料汽車的熱效率提高25%，與氫燃料電池大致一樣。它具有稀燃NOx收集后處理功能，在工作過程中，包括CO2在內(nèi)的污染物排放幾乎可以忽略不計。

1.4.4 中國

20世紀后期，我國開始跟蹤美國、德國、日本和俄羅斯等國對氫燃料發(fā)動機的研究，以高等院校為主對氫燃料發(fā)動機的燃燒規(guī)律和機理進行探索。浙江大學對氫發(fā)動機運轉(zhuǎn)中存在的問題開展了研究，提出了燃燒改進方案，并針對氫燃料的需要開發(fā)出基于模糊控制的模型。上海交通大學也利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)對氫氣發(fā)動機的性能進行了預(yù)測。然而，我國在氫氣發(fā)動機研究方面起步較晚，在關(guān)鍵技術(shù)上與國外還存在較大的差異。

2008年，北京奧運會上3輛燃料電池大客車和20輛燃料電池小轎車為奧運服務(wù)。上海世博會提出“綠色出行，讓世博更清潔”，期間共使用197輛燃料電池汽車[2]43-48。

2 中國氫能應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向

我國對氫能的研究與發(fā)展可以追溯到20世紀60年代初，我國科學家為發(fā)展本國的航天事業(yè)而對作為火箭燃料的液氫的生產(chǎn)開發(fā)進行了大量有效的工作。將氫能作為能源載體和新的能源系統(tǒng)進行開發(fā)，則是從20世紀70年代開始的。現(xiàn)在，氫能技術(shù)已被列為“科學發(fā)展‘十五’計劃和2015年遠景計劃（能源領(lǐng)域）”。近幾年來，我國已經(jīng)成為最大的潛在氫能燃料和電池消費市場之一[5]41-45。

但是，中國在氫能以及燃料電池的產(chǎn)業(yè)化推進上還不盡人意。主要原因是氫能是一種新型能源，它涉獵到材料科學、電化學、計算機和微電子技術(shù)及控制技術(shù)，還需與各種軟件和硬件多重技術(shù)相結(jié)合。我國在以往10年、20年的科學研究上投入了相當?shù)木Γ窃诋a(chǎn)業(yè)化方面的推進幾乎是空白。目前急需解決的問題就是利用國家政策給予的一些稅務(wù)上的補助或者直接的財政支持，使這種新技術(shù)能夠盡快平滑地過渡到成本上可以被社會和使用者所接受。另一方面，還要減少燃料電池的成本。途徑之一是依靠技術(shù)本身的發(fā)展，使用新型材料、新型工藝及不同的設(shè)計達到成本上的降低；第二個途徑是實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，直接減少材料成本和其中的勞力成本、檢驗成本和批量成本等，從而推進產(chǎn)業(yè)化進程[6]。

國家“863”計劃的實施，把公眾的注意力都集中到了氫燃料等新能源汽車上，政府部門的導(dǎo)向給很多汽車企業(yè)帶來了壓力和動力，很多企業(yè)不顧自己的實力而一味追求氫能源汽車是很危險的。

科學而有效的做法是做出近期重點發(fā)展方向的規(guī)劃，并逐步拓展氫能應(yīng)用領(lǐng)域。針對中國環(huán)境污染嚴重和節(jié)能減排的要求，以及國防安全以及生存和發(fā)展的需要，近期氫能重點研究方向應(yīng)包括：燃料電池在交通上的應(yīng)用；備用電源的應(yīng)用；分布式電站的應(yīng)用。

2.1 燃料電池

燃料電池用在交通方面可有效解決城市的空氣污染。另一方面，各種車輛消耗大量的石油，如果能夠用氫能源解決這部分消耗，就能解決人類目前遇到的節(jié)能減排、環(huán)境污染和能源匱乏這個大問題。目前國內(nèi)一些氫能企業(yè)和西南交通大學合作，共同研究氫燃料電源驅(qū)動的有軌電車。

2.2 備用電源

在通常情況下備用電源不工作，但如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障它會自動啟動。在諸如地震、泥石流等自然災(zāi)害情況下備用電源具有保證維持緊急通訊的重要作用。如果可以用氫燃料取代目前備用電源的鉛酸電池，據(jù)統(tǒng)計，每年大概可以節(jié)電50×108kW h。每節(jié)省1 kW h電，可以減少380g左右二氧化碳的排放，同時減少能耗。

2.3 分布式電站

分布式電站在持續(xù)供電領(lǐng)域或者國防上有特殊意義，同時還能應(yīng)對環(huán)境污染問題。如北京和周邊地區(qū)環(huán)境污染嚴重，國家不再批建火力發(fā)電站，那么就可以建氫燃料電源電站。另外，分布式電站在救災(zāi)和緊急情況下具有很重要的作用。目前國家電網(wǎng)是1個全國大網(wǎng)，從適用性、安全性角度考慮，也需要獨立于主電網(wǎng)之外的分布式電站。相對而言，美國每一個州可能就是1個網(wǎng)。據(jù)報道，新疆的1個工廠，大概每斷電1 min就要產(chǎn)生接近二三百萬元人民幣的損失。氫能源分布式電站在不使用時并不產(chǎn)生消耗，在需要的時候提供分布式電能，有更多的靈活性和適用性。

3 結(jié)論

氫在地球上不但有巨大蘊藏量，而且氫能使用之后其釋放的是水，因此，它是一種取之不盡、用之不竭的能源。世界上大部分經(jīng)濟學家、社會學家、環(huán)境學家都認為，氫能是一種不可取代的、最終發(fā)展的“終極能源”。在石油能源日益短缺的今天，氫能作為燃料一直是人類夢寐以求、為之奮斗的一個目標，發(fā)展氫能同時也是中國不可多得的機遇。

對于氫能的研究和應(yīng)用，需要從戰(zhàn)略、系統(tǒng)和技術(shù)方面進行不斷突破，從政策方面堅持不懈地扶持，從市場方面不斷培養(yǎng)和完善，從國民教育行動上提高公眾接受程度。應(yīng)該相信，氫燃料能源的應(yīng)用終將逐步實現(xiàn)，并為人類的進一步發(fā)展做出巨大貢獻。

[1]張志強,鄭軍衛(wèi).氫經(jīng)濟社會發(fā)展前瞻及我國的對策[J].科學對社會的影響,2006(3):21-25.

[2]王賡,鄭津洋.氫能技術(shù)標準體系與戰(zhàn)略[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012.

[3]Ahluwal ia R K,Hua T Q,Peng J K.On-board and of f-Board per formance of hydrogen storage options for l ight-duty vehicles.International Journal of Hydrogen Energy,2012,37:2891-2910.

[4]氫能協(xié)會.氫能技術(shù)[M].宋永臣,譯.北京:科學出版社,2009.

[5]李星國.氫與氫能[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[6]李然.氫能源應(yīng)用的長效機制[OL].2014-01-06.中國網(wǎng).