淺談我國發(fā)展氫能的必要性

淺談我國發(fā)展氫能的必要性摘要：經(jīng)濟在快速的發(fā)展，社會在不斷的進步，氫能是能源載體起著支撐未來能源轉(zhuǎn)型升級的作用。氫能來源廣泛、清潔環(huán)保、可儲運、使用場景廣。文章從我國氫能的發(fā)展現(xiàn)狀和目前應(yīng)用遇到的問題出發(fā)，分析氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和推進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的下一步著力點。針對我國在關(guān)鍵材料及核心零部件方面的不足、基礎(chǔ)設(shè)施不完善、政策體系不健全的問題，建議整個產(chǎn)業(yè)需要在頂層設(shè)計、發(fā)展規(guī)劃、技術(shù)研究、行業(yè)監(jiān)管、標準體系方面進行統(tǒng)一規(guī)劃。使氫能起到改善我國能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的作用。關(guān)鍵詞：氫能；燃料電池；核心部件；基礎(chǔ)設(shè)施引言氫氣燃燒的產(chǎn)物是水，無環(huán)境污染，因此，氫能被視為21世紀具有極大發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础淙剂想姵氐哪芰哭D(zhuǎn)換效率高達60%以上，可以做到CO2零排放，排出的廢物只有水，它有助于解決能源危機、全球氣候變暖以及環(huán)境污染問題，其開發(fā)利用得到世界的高度關(guān)注。氫燃料電池堆HFCR（HydrogenFuelCellReactor）原理是氫在燃料電池的陽極板（也就是負極）經(jīng)過催化層的作用，將氫原子的一個電子分離出來，失去電子的氫離子通過質(zhì)子交換膜到達燃料電池的陰極板（也就是正極）。游離后的電子不能通過質(zhì)子交換膜，所以就只能經(jīng)過外部的通路到達陰極板與氫離子重新結(jié)合，在電子的運動過程中自然就在外電路產(chǎn)生電流。而這個電流經(jīng)過逆變器升壓后，就能夠驅(qū)動電動機。電子到達陰極板后與在那里的氫離子和氧原子重新結(jié)合為水。簡單地說，氫燃料電池堆是將氫與氧化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。1氫能具有以下特點：1）質(zhì)量小，標況下氫的密度為0.0899g/L，在-252.7C時可成為液體，若將壓力增大到幾十兆帕，液氫可變?yōu)榻饘贇洹?）導(dǎo)熱性能好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍，在能源工業(yè)中是極好的傳熱載體。3）氫在自然界中是普遍存在的元素，據(jù)估計它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。4）除了核燃料外，氫的發(fā)熱值為1.4x105kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。5）氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快。6）氫燃燒后的產(chǎn)物是水，無環(huán)境污染，而且燃燒生成的水還可以繼續(xù)制氫，可反復(fù)循環(huán)使用。7）氫能利用形式多，儲存方式多樣，可以適應(yīng)不同環(huán)境的不同需求。氫能作為一種清潔的新能源和可再生能源，其利用途徑日益增加：1）航天動力。早在20世紀，美國就研制成了以液氫為燃料的液氫發(fā)動機，并在航天飛機上成功使用；我國的長征2號、3號火箭也采用液氫作為燃料。目前科學(xué)家正研究一種"固態(tài)氫〃宇宙飛船。固態(tài)氫既作為飛船的結(jié)構(gòu)材料，又作為飛船的動力燃料，在飛行期間，飛船上所有的非重要零部件都可作為能源消耗掉，飛船就能飛行更長的時間。2）交通運輸。在超聲速飛機和遠程洲際客機上以氫作動力燃料的研究已進行多年，目前歐洲生產(chǎn)的飛機部分采用液氫為燃料。德國戴姆勒一奔馳航空航天公司以及俄羅斯航天公司從1996年開始試驗，其進展證實，在配備有雙發(fā)動機的噴氣機中使用液態(tài)氫，其安全性有足夠保證。美、德、法等國采用氫化金屬貯氫；而日本則利用液氫代替柴油，用于鐵路機車或一般汽車的研制也十分活躍；美國和加拿大計劃從加拿大西部到東部的大鐵路上采用液氫和液氧為燃料的機車。3）燃燒氫氣發(fā)電。氫能發(fā)電是利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫氧發(fā)電機組。這種機組不需要復(fù)雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，具有啟動快和比較靈活等特點，可以為大型電站調(diào)節(jié)峰荷。同時氫和氧還可直接改變常規(guī)火力發(fā)電機組的運行狀況，提高電站的發(fā)電能力。氫能發(fā)電還體現(xiàn)在燃料電池上，燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進行燃燒，能源轉(zhuǎn)換效率可達60%?80%，而且污染少，噪聲小，裝置可大可小，非常靈活。日本已建立萬千瓦級燃料電池發(fā)電站；美國有30多家廠商在開發(fā)燃料電池；德、英、法、荷、丹、意和奧地利等國也有20多家公司投入了燃料電池的研究，這種新型的發(fā)電方式已引起世界的關(guān)注。2氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀2.1核心部件等未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化我國在氫能及燃料電池方面的發(fā)展已取得很大突破，整個產(chǎn)業(yè)鏈都有布局，但在關(guān)鍵材料和核心部件仍停留在研發(fā)驗證階段，不具備批量化生產(chǎn)能力。催化劑、氫氣循環(huán)泵和空壓機等核心部件主要依賴進口，阻礙了我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然我國各大實驗室和研究機構(gòu)都已研制出了催化劑、雙極板等部件，性能方面不輸于國外現(xiàn)有的商業(yè)化產(chǎn)品，但還未實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，停留在樣品階段缺少大批量生產(chǎn)的能力。因而要加快催化劑、循環(huán)泵等產(chǎn)線的建設(shè)和實現(xiàn)量產(chǎn)。電堆方面需要提高比功率和催化劑的消耗量控制，達到降低成本的目的。2.2深冷液化儲氫深冷液化儲氫也是一種可實用化的儲氫方式，由于常溫常壓下液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的845倍，因此低溫液化儲氫具有體積密度高、儲存容器體積小等優(yōu)勢，其儲氫密度約為70g/L，大幅高于高壓儲氫密度（70MPa約為39g/L）。但氫氣液化過程需要多級壓縮冷卻，將氫氣溫度降低至20K，消耗大量能量，液化消耗的能量將近占氫能的30%。另外，為了避免液態(tài)氫蒸發(fā)損失，對液態(tài)氫儲存容器絕熱性能要求苛刻，需要具有良好絕熱性能的絕熱材料，低溫儲氫罐的設(shè)計制造及材料的選擇一直存在成本高昂的難題，這使得液化過程和儲氫容器技術(shù)復(fù)雜，成本增加。深冷液化儲氫技術(shù)主要應(yīng)用于軍事與航天方面，商業(yè)化研究與應(yīng)用才剛剛開始，只有日本有商業(yè)化應(yīng)用案例，深冷液化儲氫技術(shù)有待深入研究和開發(fā)。2.3天然氣或裂解石油氣制氫1）天然氣制氫。目前有兩類方法，一類是天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫；另一類是天然氣熱解制氫。目前使用較多的是第一類。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫法是天然氣經(jīng)過壓縮，送至轉(zhuǎn)化爐的對流段預(yù)熱，經(jīng)脫硫處理后與水蒸氣混合，再進入轉(zhuǎn)化爐對流段，被煙氣間接加熱至400°C以上進入反應(yīng)爐爐管，在催化劑作用下，同時發(fā)生蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)以及部分CO變換反應(yīng)，生成H2、CO2、CO和未轉(zhuǎn)化的殘余甲烷，出口溫度控制在780C左右，氫含量約70%。經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量冷卻后，轉(zhuǎn)化氣送入PSA提氫裝置，可得到不同純度的H2產(chǎn)品。2）裂解石油氣制氫。以輕質(zhì)油為原料，在催化劑作用下，在800C反應(yīng)溫度下，烴類和水蒸氣反應(yīng)生成CO和H2，H2約占75%（體積分數(shù)）。以重質(zhì)油為原料，使其與水蒸氣和氧氣反應(yīng)得到含H2的氣體產(chǎn)物，H2約占50%（體積分數(shù)），重質(zhì)油燃燒釋放的熱量供制氫反應(yīng)所需。結(jié)語氫能是清潔能源，是我國未來新能源發(fā)展的必然選擇。首先，呼吁盡快出臺"氫能標準”，積極推動國家氫能源戰(zhàn)略，及早制定切實可行的推行政策、發(fā)展政策、激勵機制等，鼓勵發(fā)展氫能源技術(shù)，拉動國內(nèi)氫能發(fā)展步伐，為未來發(fā)展做好鋪墊。其次，建議在技術(shù)領(lǐng)域里，借鑒發(fā)達國家氫能源發(fā)展的經(jīng)驗和教訓(xùn)，積極推動新技術(shù)的引進和自主研發(fā)的進程，為氫能開發(fā)做好技術(shù)保障。如加大力度研發(fā)氫能燃料電池，推動動力汽車研發(fā)和生產(chǎn)，抓住機遇，降低成本，增加效益;完善加氫站及各項配套設(shè)施的建設(shè)，早日實現(xiàn)氫能燃料與傳統(tǒng)油品的對接，減少污染排放；改善傳統(tǒng)制氫工藝，開發(fā)生物制氫技術(shù)，推進綠色無污染的環(huán)保工程進程。第三，建議強化氫能科普知識等教育，提升大眾對氫能這種清潔能源的認知，