北京航天试验技术研究所 北京 100074
摘要：经济在快速的发展，社会在不断的进步，氢能是能源载体起着支撑未来能源转型升级的作用。氢能来源广泛、清洁环保、可储运、使用场景广。文章从我国氢能的发展现状和目前应用遇到的问题出发，分析氢能产业的发展趋势和推进产业发展的下一步着力点。针对我国在关键材料及核心零部件方面的不足、基础设施不完善、政策体系不健全的问题，建议整个产业需要在顶层设计、发展规划、技术研究、行业监管、标准体系方面进行统一规划。使氢能起到改善我国能源结构、实现可持续发展的作用。
关键词：氢能；燃料电池；核心部件；基础设施
引言
氢气燃烧的产物是水，无环境污染，因此，氢能被视为21世纪具有极大发展潜力的清洁能源。氢燃料电池的能量转换效率高达60%以上，可以做到CO2零排放，排出的废物只有水，它有助于解决能源危机、全球气候变暖以及环境污染问题，其开发利用得到世界的高度关注。氢燃料电池堆HFCＲ(HydrogenFuelCellＲe-actor)原理是氢在燃料电池的阳极板(也就是负极)经过催化层的作用，将氢原子的一个电子分离出来，失去电子的氢离子通过质子交换膜到达燃料电池的阴极板(也就是正极)。游离后的电子不能通过质子交换膜，所以就只能经过外部的通路到达阴极板与氢离子重新结合，在电子的运动过程中自然就在外电路产生电流。而这个电流经过逆变器升压后，就能够驱动电动机。电子到达阴极板后与在那里的氢离子和氧原子重新结合为水。简单地说，氢燃料电池堆是将氢与氧化学反应的化学能直接转化为电能。
1氢能具有以下特点：
1）质量小，标况下氢的密度为0.0899g/L，在-252.7℃时可成为液体，若将压力增大到几十兆帕，液氢可变为金属氢。2）导热性能好，比大多数气体的导热系数高出10倍，在能源工业中是极好的传热载体。3）氢在自然界中是普遍存在的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%。4）除了核燃料外，氢的发热值为1.4×105kJ/kg，是汽油发热值的3倍，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。6）氢燃烧后的产物是水，无环境污染，而且燃烧生成的水还可以继续制氢，可反复循环使用。7）氢能利用形式多，储存方式多样，可以适应不同环境的不同需求。氢能作为一种清洁的新能源和可再生能源，其利用途径日益增加：1）航天动力。早在20世纪，美国就研制成了以液氢为燃料的液氢发动机，并在航天飞机上成功使用；我国的长征2号、3号火箭也采用液氢作为燃料。目前科学家正研究一种“固态氢”宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行期间，飞船上所有的非重要零部件都可作为能源消耗掉，飞船就能飞行更长的时间。2）交通运输。在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年，目前欧洲生产的飞机部分采用液氢为燃料。德国戴姆勒一奔驰航空航天公司以及俄罗斯航天公司从1996年开始试验，其进展证实，在配备有双发动机的喷气机中使用液态氢，其安全性有足够保证。美、德、法等国采用氢化金属贮氢；而日本则利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃；美国和加拿大计划从加拿大西部到东部的大铁路上采用液氢和液氧为燃料的机车。3）燃烧氢气发电。氢能发电是利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组不需要复杂的蒸汽锅炉系统，结构简单，维修方便，具有启动快和比较灵活等特点，可以为大型电站调节峰荷。同时氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆氢能发电还体现在燃料电池上，燃料电池是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能源转换效率可达60%～80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。日本已建立万千瓦级燃料电池发电站；美国有30多家厂商在开发燃料电池；德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究，这种新型的发电方式已引起世界的关注。
2氢能产业发展现状
2.1核心部件等未实现产业化
我国在氢能及燃料电池方面的发展已取得很大突破，整个产业链都有布局，但在关键材料和核心部件仍停留在研发验证阶段，不具备批量化生产能力。催化剂、氢气循环泵和空压机等核心部件主要依赖进口，阻碍了我国氢能产业的发展。虽然我国各大实验室和研究机构都已研制出了催化剂、双极板等部件，性能方面不输于国外现有的商业化产品，但还未实现成果转化，停留在样品阶段缺少大批量生产的能力。因而要加快催化剂、循环泵等产线的建设和实现量产。电堆方面需要提高比功率和催化剂的消耗量控制，达到降低成本的目的。
2.2深冷液化储氢
深冷液化储氢也是一种可实用化的储氢方式，由于常温常压下液态氢的密度是气态氢的845倍，因此低温液化储氢具有体积密度高、储存容器体积小等优势，其储氢密度约为70g/L，大幅高于高压储氢密度(70MPa约为39g/L)。但氢气液化过程需要多级压缩冷却，将氢气温度降低至20K，消耗大量能量，液化消耗的能量将近占氢能的30%。另外，为了避免液态氢蒸发损失，对液态氢储存容器绝热性能要求苛刻，需要具有良好绝热性能的绝热材料，低温储氢罐的设计制造及材料的选择一直存在成本高昂的难题，这使得液化过程和储氢容器技术复杂，成本增加。深冷液化储氢技术主要应用于军事与航天方面，商业化研究与应用才刚刚开始，只有日本有商业化应用案例，深冷液化储氢技术有待深入研究和开发。
2.3天然气或裂解石油气制氢
1）天然气制氢。目前有两类方法，一类是天然气蒸汽转化制氢；另一类是天然气热解制氢。目前使用较多的是第一类。天然气蒸汽转化制氢法是天然气经过压缩，送至转化炉的对流段预热，经脱硫处理后与水蒸气混合，再进入转化炉对流段，被烟气间接加热至400℃以上进入反应炉炉管，在催化剂作用下，同时发生蒸汽转化反应以及部分CO变换反应，生成H2、CO2、CO和未转化的残余甲烷，出口温度控制在780℃左右，氢含量约70%。经废热锅炉回收热量冷却后，转化气送入PSA提氢装置，可得到不同纯度的H2产品。2）裂解石油气制氢。以轻质油为原料，在催化剂作用下，在800℃反应温度下，烃类和水蒸气反应生成CO和H2，H2约占75%（体积分数）。以重质油为原料，使其与水蒸气和氧气反应得到含H2的气体产物，H2约占50%（体积分数），重质油燃烧释放的热量供制氢反应所需。
结语
氢能是清洁能源，是我国未来新能源发展的必然选择。首先，呼吁尽快出台“氢能标准”，积极推动国家氢能源战略，及早制定切实可行的推行政策、发展政策、激励机制等，鼓励发展氢能源技术，拉动国内氢能发展步伐，为未来发展做好铺垫。其次，建议在技术领域里，借鉴发达国家氢能源发展的经验和教训，积极推动新技术的引进和自主研发的进程，为氢能开发做好技术保障。如加大力度研发氢能燃料电池，推动动力汽车研发和生产，抓住机遇，降低成本，增加效益；完善加氢站及各项配套设施的建设，早日实现氢能燃料与传统油品的对接，减少污染排放；改善传统制氢工艺，开发生物制氢技术，推进绿色无污染的环保工程进程。第三，建议强化氢能科普知识等教育，提升大众对氢能这种清洁能源的认知，转变传统能源思维，实现氢能文明。使用清洁能源，实现由传统能源向新能源的过渡，保护环境。
参考文献
[1]李建秋，方川，徐梁飞.燃料电池汽车研究现状及发展[J].汽车安全与节能学报，2014，5（01）：17-29.
[2]中国标准化研究院，全国氢能标准化技术委员会.中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）[Z].2016.
论文作者:阎玮, 马虹
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/29
标签：液氢论文; 燃料电池论文; 燃料论文; 能源论文; 氢气论文; 制氢论文; 催化剂论文; 《科学与技术》2019年第10期论文;