世界氫能技術研究和應用新進展

張聰（南京理工大學能源與動力學院）

人類的能源利用經歷了兩次重大轉變，一是從19世紀中葉前的以生物質燃料為主轉變為19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變而形成的“煤經濟”、“石油經濟”，有力地促進了人類經濟的大發展。然而，由于對化石能源大量使用可能導致的全球變化和資源枯竭的擔憂，以及對可持續發展和保護環境的追求，高效、清潔、可持續的“無碳”能源——氫能源已得到世界各國的普遍關注。美國著名學者里夫金（R ifkin）2002年指出，“全球化石能源經濟向氫能經濟的轉型、氫能經濟時代的到來將引發人類歷史上下一次重大的技術革命、商業革命和社會革命”[1]。所以，世界經濟向“氫經濟”的過渡是大勢所趨， 它將帶給人類嶄新的能源基礎設施、經濟體制和居住方式。

1 世界氫能源研究成果及其應用

1.1 政策規劃支持[2]6-11

近年來，能源危機不可小覷，發達國家和發展中國家對氫能領域的投入逐年增加，各國都在爭相規劃布局，以便在未來氫能源的競爭中占據主動權。

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“氫能經濟國際合作伙伴計劃”（InternationalPartnership forH ydrogen Economy，IPH E）在華盛頓成立。據不完全統計，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、技術實證、規范標準和教育等。2011年9月，美國能源部頒布的“燃料電池項目計劃”規劃在2014年至2020年逐步實現燃料電池移動電源、固定電站，以及車載燃料電池發動機的產業化。

加拿大也是發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為NationalH ydrogen A ssociationNH A ，該協會組織了工業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“氫經濟”發展基金。

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技術研究。2011年，13家汽車制造商和氫氣供應商發表聯合聲明，汽車制造商將在四大都市區（東京、中京、關西、福岡）開始大批量生產燃料電池汽車，氫氣制造商將配合建設約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。

1.1.3 德國

德國氫燃料電池技術國家創新項目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用等領域，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發展規劃綱要提出，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。我國燃料電池和氫能研究的相關政府資金支持主要來自863計劃和973計劃項目。我國科技部已經通過7億3000萬元的電動車研發預算，21%將用于燃料電池汽車。財政部以及相關的管理部門也明確給予使用氫燃料技術的新產品補助。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會。

1.2 氫儲存技術突破

氫的儲存技術是氫能發展的關鍵環節，儲氫材料的開發是解決氫能應用中氫存儲技術難題的關鍵，國內外都非常注重這項技術的研究。

1.2.1 美國

2012年，美國用于儲氫技術研究的預算達到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，降低成本等發面展開。納米技術在能源領域的應用也成為新的關注點，納米儲氫技術已成為重點項目。美國LavrenceLivermore國家實驗室的研究人員將高壓儲氫技術與傳統液態儲氫技術有機結合，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，也不會立即出現氫氣泄漏的現象[3]。

1.2.2日本

日本產業技術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上，浙江大學和巨化集團工程公司發明了一種具有承壓、抑爆、缺陷分散、運行狀態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權的國際首臺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，因為那里人口密集、污染嚴重，少量的加氫站可以服務大量的顧客，同時為減少這些地區的污染發揮示范性作用。

美國可再生能源實驗室曾預計，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284 座加氫站。同時，應考慮城市中心作為加氫站的建設地，這樣最少數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。同年，幾大政府部門聯合大型汽車制造商、日本能源公司，發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，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。

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，德國聯邦交通部長R amsauer與參與德國NIP 計劃的企業界代表一起為擴建德國電動汽車加氫站的項目奠基。目前，德國已經建成14座電動汽車加氫站，政府計劃近期在全德國范圍內將加氫站數量進一步擴大到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，此后又陸續建設多座加氫站以滿足燃料電池汽車的發展需要。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、設備投資少，適用于初期汽車數量較少的加氫站[4]。

位于北京中關村科技園區永豐高新技術產業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，據稱它排放的廢氣比吸入發動機的城市空氣還干凈。日本武藏工業大學與日產（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、控制技術以及氫氣存儲供給和電控缸內直噴技術的不斷發展，世界各國各大汽車公司紛紛推出新型氫內燃機汽車。

1.4.1 寶馬公司

寶馬公司在氫內燃機的技術上走在了世界最前端。2004年，1部名為H 2R 的氫內燃機驅動的汽車創造了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，其三閥門設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子式氫氣內燃機的研究與開發。2004年，馬自達公司推出裝有氫燃料R enesis轉子發動機的R X-8跑車。這種轉子式氫氣內燃機的進氣室與燃燒室完全隔離，避免了回火問題的發生。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，美國福特公司開發出福特U 型氫內燃機越野汽車，氫燃料噴射系統由Q uantum公司提供。其動力系統的熱效率達到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動機的研究，以高等院校為主對氫燃料發動機的燃燒規律和機理進行探索。浙江大學對氫發動機運轉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出基于模糊控制的模型。上海交通大學也利用計算機數值模擬技術對氫氣發動機的性能進行了預測。然而，我國在氫氣發動機研究方面起步較晚，在關鍵技術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。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 中國氫能應用現狀和發展方向

我國對氫能的研究與發展可以追溯到20世紀60年代初，我國科學家為發展本國的航天事業而對作為火箭燃料的液氫的生產開發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進行開發，則是從20世紀70年代開始的。現在，氫能技術已被列為“科學發展‘十五’計劃和2015年遠景計劃（能源領域）”。近幾年來，我國已經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業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及控制技術，還需與各種軟件和硬件多重技術相結合。我國在以往10年、20年的科學研究上投入了相當的精力，但是在產業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上的補助或者直接的財政支持，使這種新技術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本身的發展，使用新型材料、新型工藝及不同的設計達到成本上的降低；第二個途徑是實現大規模的產業化，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，從而推進產業化進程[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，政府部門的導向給很多汽車企業帶來了壓力和動力，很多企業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展方向的規劃，并逐步拓展氫能應用領域。針對中國環境污染嚴重和節能減排的要求，以及國防安全以及生存和發展的需要，近期氫能重點研究方向應包括：燃料電池在交通上的應用；備用電源的應用；分布式電站的應用。

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能減排、環境污染和能源匱乏這個大問題。目前國內一些氫能企業和西南交通大學合作，共同研究氫燃料電源驅動的有軌電車。

2.2 備用電源

在通常情況下備用電源不工作，但如果電網出現故障它會自動啟動。在諸如地震、泥石流等自然災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，據統計，每年大概可以節電50×108kW h。每節省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

分布式電站在持續供電領域或者國防上有特殊意義，同時還能應對環境污染問題。如北京和周邊地區環境污染嚴重，國家不再批建火力發電站，那么就可以建氫燃料電源電站。另外，分布式電站在救災和緊急情況下具有很重要的作用。目前國家電網是1個全國大網，從適用性、安全性角度考慮，也需要獨立于主電網之外的分布式電站。相對而言，美國每一個州可能就是1個網。據報道，新疆的1個工廠，大概每斷電1 min就要產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。世界上大部分經濟學家、社會學家、環境學家都認為，氫能是一種不可取代的、最終發展的“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用，需要從戰略、系統和技術方面進行不斷突破，從政策方面堅持不懈地扶持，從市場方面不斷培養和完善，從國民教育行動上提高公眾接受程度。應該相信，氫燃料能源的應用終將逐步實現，并為人類的進一步發展做出巨大貢獻。

[1]張志強,鄭軍衛.氫經濟社會發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.氫能技術標準體系與戰略[M].北京:化學工業出版社,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]氫能協會.氫能技術[M].宋永臣,譯.北京:科學出版社,2009.

[5]李星國.氫與氫能[M].北京:機械工業出版社,2012.

[6]李然.氫能源應用的長效機制[OL].2014-01-06.中國網.