第1章 绪论

1.1　氢与氢经济

氢能、太阳能和核能被认为是21世纪最重要的三大新能源。纵观人类能源发展史,从最初的炭(C)到石油(—CH2—)和天然气(CH4),能源形式中含氢量剧增,实现低碳及无碳能源消费是必然趋势。人们有理由相信,零排放的氢将成为未来能源的载体[1]。

炭、石油和天然气都是典型的化石燃料,燃烧产物主要有二氧化碳(CO2)、硫的氧化物(SOx)、氮的氧化物(NOx)、挥发性有机碳化物(VOC)、一氧化碳(CO)和微小的颗粒物。其中,CO2是一种温室气体,被认为是导致全球气候变暖的主要原因。SOx和NOx会造成区域性酸沉积。空气中NOx、CO和VOC反应会形成臭氧,其高氧化性会引起呼吸道疾病,造成农作物减产甚至破坏植被。微小的颗粒物引起的问题更大,会引起呼吸道和心血管疾病,甚至癌症。近年来每到入冬季节人们都深受雾霾困扰,颗粒物PM2.5是罪魁祸首。有研究表明,黑色的炭颗粒也会增强全球变暖趋势[2]。此外,化石燃料属于一次能源,用完后不可再生,因此面临着枯竭的危险。因争夺化石能源造成的地区不安定,包括战争的频频出现,也促进了各种替代能源的高速发展。

氢是一种真正的清洁能源,其燃烧产物是水,尤为重要的是不会产生任何污染物。氢的能量密度极高,达到39.4kW·h/kg,约为汽油的3倍,焦炭的4.5倍。表1⁃1列出了常见储能系统和材料的储能密度[3]。可见,用高储能密度的氢储存能量具有得天独厚的优势。氢资源丰富,宇宙中大于90%(原子分数)或者75%(质量分数)是由氢构成的;氢可由水制取,而水是地球上最为丰富的资源,全球约有70%的面积覆盖着水。

氢经济(hydrogen economy)是能源以氢为媒介储存、运输和转化的一种未来的经济结构设想[4],是20世纪70年代美国应对石油危机提出的。美国在1990年就通过了氢能研究与发展、示范法案,美国能源部(DOE)就此启动了一系列氢能研究项目。特别在小布什(乔治·沃克·布什)出任美国总统期间,美国政府大力推动了“氢经济”,氢能被认为是未来美国能源的发展方向,美国应当走以氢能为能源基础的经济发展道路。

以此为风向标,欧盟、日本、加拿大、英国、德国、法国等发达国家也制订了氢能研发计划。特别是化石能源奇缺的日本对氢经济尤为重视,2003年6月,日本经济产业省公布了《日本实现燃料电池和氢技术商业化的途径》,计划在2020年实现拥有燃料电池汽车500万辆和建成固定燃料电池系统10000MW,2030年实现拥有燃料电池汽车1500万辆和建成固定燃料电池系统12500MW。2015年,日本丰田的燃料电池汽车“未来(Mirai)”上市,成为全球氢能市场化运行的一个新的里程碑。

我国是能源消费大国,但能源短缺。同时,传统能源结构导致的环境污染问题日趋严重,秋冬季环境污染指数高到频频爆表,雾霾天数的增加正在冲击人们的生存自信。不管从能源短缺还是环境污染方面看,我国都迫切需要选择化石能源以外的清洁能源来改善我们的生存环境。我国在氢能方向的研发始于“七五”,之后一直未曾间断,迄今已完成了多项氢能研发的重大项目,确立了氢能发展为国家优先能源战略的方向,同时也奠定了我国氢能研发在国际上的重要地位。特别是自2010年以来,我国密集出台了一系列政策措施,彰显出国家发展氢经济的决心。2012年国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》,明确提出“氢燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展”的战略。“十三五”以来,国家出台的一系列国家发展战略规划,包括《“十三五”国家科技创新规划》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《中国制造2025》《汽车产业中长期发展规划》《“十三五”交通领域科技创新专项规划》等,均将发展氢经济列为重点任务,将氢燃料电池汽车列为重点支持领域。近几年,国家还出台了大量配套政策,从补贴、免税、政府采购和支持示范项目等多角度扶持加氢站和燃料电池汽车等重点领域。

实现氢经济的技术路线见图1⁃1。理想的氢经济是以水作为氢源,通过电解水获得高储能密度的氢气,气态氢采用管道输运,也可以压缩成高压氢气、液化成液态氢或者采用固态储氢材料在温和条件下储存后采用车船运输,使用时既可以直接燃烧使用,也可以通过燃料电池高效地转化成电能使用。采用电解水的方法制氢,其能量来源是可再生能源,例如太阳能、风能、核能、水力、海水潮汐能、地热能等。作为二次能源的氢,直接燃烧产物和燃料电池电化学反应产物都是洁净的水,可以直接进入自然循环中,从而完成了氢的循环利用。需要指出的是,氢的危险性不及天然气,如从2011年3月日本地震后福岛核电站的事故现场看,爆燃中心在远离地面的高空,比化石燃料燃烧对地面的影响小。

氢经济的实现已经到了拨云见日的阶段,但是我们仍然不得不正视面临的一系列技术和经济问题。制氢、输运和储氢、氢的高效使用是氢经济的三大关键技术。在氢能产业化前期,我们还需要沉淀心情、耐心细致地逐一解决每个环节的难题。