世界氢能技术研究和应用新进展

张聪（南京理工大学能源与动力学院）

人类的能源利用经历了两次重大转变，一是从19世纪中叶前的以生物质燃料为主转变为19世纪末到20世纪初的以煤为主，二是从20世纪中叶以来石油天然气代替煤成为人类的主要能源。伴随人类主要能源形式的重大转变而形成的“煤经济”、“石油经济”，有力地促进了人类经济的大发展。然而，由于对化石能源大量使用可能导致的全球变化和资源枯竭的担忧，以及对可持续发展和保护环境的追求，高效、清洁、可持续的“无碳”能源——氢能源已得到世界各国的普遍关注。美国著名学者里夫金（R ifkin）2002年指出，“全球化石能源经济向氢能经济的转型、氢能经济时代的到来将引发人类历史上下一次重大的技术革命、商业革命和社会革命”[1]。所以，世界经济向“氢经济”的过渡是大势所趋， 它将带给人类崭新的能源基础设施、经济体制和居住方式。

1 世界氢能源研究成果及其应用

1.1 政策规划支持[2]6-11

近年来，能源危机不可小觑，发达国家和发展中国家对氢能领域的投入逐年增加，各国都在争相规划布局，以便在未来氢能源的竞争中占据主动权。

1.1.1 美国和加拿大

1996年，美国国会通过了“未来氢法案”（H ydrogenFutureA ct），开展了氢能制备、储存、运输和应用示范研究。2003年，由美国、澳大利亚、巴西、加拿大、中国、意大利、英国、冰岛、挪威、德国、法国、俄罗斯、日本、韩国、印度等国参加的“氢能经济国际合作伙伴计划”（InternationalPartnership forH ydrogen Economy，IPH E）在华盛顿成立。据不完全统计，仅仅是2008年到2011年间，美国能源部D O E 就在氢能和燃料电池计划中投入了大约9亿美元，主要用于制氢、储氢、燃料电池、制造、技术实证、规范标准和教育等。2011年9月，美国能源部颁布的“燃料电池项目计划”规划在2014年至2020年逐步实现燃料电池移动电源、固定电站，以及车载燃料电池发动机的产业化。

加拿大也是发展氢能最为活跃的国家之一，加拿大负责氢能计划的官方机构为NationalH ydrogen A ssociationNH A ，该协会组织了工业部和自然资源部以及多家公司开展氢能计划。加拿大政府每年给予巨额专款作为能源部研究及“氢经济”发展基金。

1.1.2日本

日本政府为促进氢能实用化和普及，进一步完善了汽车燃料供给制度。2002年日本推出了氢能和燃料电池示范项目JH FC （JapanH ydrogenandFuel CellD emonstrationProject），仅2003年4月到2007年期间，就投资25 亿美元用于氢能相关技术研究。2011年，13家汽车制造商和氢气供应商发表联合声明，汽车制造商将在四大都市区（东京、中京、关西、福冈）开始大批量生产燃料电池汽车，氢气制造商将配合建设约100座加氢站。2012年，日本投入2.4亿美元用于氢能和燃料电池的开发。

1.1.3 德国

德国氢燃料电池技术国家创新项目NIP 在2006年成立，在过去的几年中投资14 亿欧元来加速氢能走进市场。投资涵盖交通运输、固定式电站和特殊市场应用等领域，其中一项投资重点示范18辆燃料电池混合动力大巴，已经有4辆大巴在科隆和阿姆斯特丹运行。在2015年以前，德国允许碳排放量少于50g/km的机动车辆免税。

1.1.4 中国

国家中长期科学和技术发展规划纲要提出，我国要重点研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氢技术。我国燃料电池和氢能研究的相关政府资金支持主要来自863计划和973计划项目。我国科技部已经通过7亿3000万元的电动车研发预算，21%将用于燃料电池汽车。财政部以及相关的管理部门也明确给予使用氢燃料技术的新产品补助。最近，清华大学毛宗强教授主持召开会议，准备成立中国氢能与燃料电池协会。

1.2 氢储存技术突破

氢的储存技术是氢能发展的关键环节，储氢材料的开发是解决氢能应用中氢存储技术难题的关键，国内外都非常注重这项技术的研究。

1.2.1 美国

2012年，美国用于储氢技术研究的预算达到1740万美元。美国当前储氢材料方面的研究主要集中在开发新的储氢材料，以及克服已知候选储氢材料的缺陷上。项目重点围绕提高储氢密度、安全性，降低成本等发面展开。纳米技术在能源领域的应用也成为新的关注点，纳米储氢技术已成为重点项目。美国LavrenceLivermore国家实验室的研究人员将高压储氢技术与传统液态储氢技术有机结合，成功研制出一种新式低温、耐高压的车载氢燃料储存装置，这是目前唯一一种储氢密度达到D O E2015年目标的储氢方式。它展现出了超强的抗压能力，能在高达35 M Pa的压力下工作，即使容器从外部吸热后压力增加，也不会立即出现氢气泄漏的现象[3]。

1.2.2日本

日本产业技术综合研究所研制出了新型夹层碳纤维储氢材料，它是一种质量轻、密封性好、强度高的新型材料。它正反两面是各三层的碳纤维材料，而中间是一层添加了少量树脂材料的黏土膜。这种厚约1 mm的“三明治”式的新材料测试结果显示，该材料对氢气的密封性提高了100多倍。

1.2.3 中国

在“863”计划的持续支持下，我国在高压储氢方面取得显著成果。在加氢站用高压储氢容器的研发上，浙江大学和巨化集团工程公司发明了一种具有承压、抑爆、缺陷分散、运行状态在线诊断等多种功能的全多层高压储氢容器，制订了国际首列高压储氢容器国家标准G B/T 26466—2011《固定式高压储氢用钢带错绕式容器》，成功研制了拥有自主知识产权的国际首台70 M Pa级多层高压储氢容器。

1.3 加氢站的建立

目前，美国、日本、加拿大、欧盟等世界各国已建设各类加氢站200多座。所建加氢站中，37%在美国，15%在德国，13%在日本。

1.3.1 美国

加利福尼亚州的加氢站建设走在世界前列，目前共有32座在运行。早在2004年4月，加利福尼亚州就提出建设氢能高速公路，即到2010年，投入1亿美元在高速公路上每隔20mile建设1座加氢站。已建成的加氢站主要集中在洛杉矶、圣弗朗西斯科、萨克拉门托等地区，因为那里人口密集、污染严重，少量的加氢站可以服务大量的顾客，同时为减少这些地区的污染发挥示范性作用。

美国可再生能源实验室曾预计，到2020年，利用燃料电池汽车进行洲际旅行已不再是不可能的事，这需要投入8.37亿美元，建设284 座加氢站。同时，应考虑城市中心作为加氢站的建设地，这样最少数量的加氢站可以覆盖最多的人群。

1.3.2 日本

2002年，日本第一个加氢站在大阪开业。同年，几大政府部门联合大型汽车制造商、日本能源公司，发起了日本氢能及燃料电池实证示范工程（JH-FC）。在示范工程中，东京建立了9个加氢站，每个站都采用了不同的制氢技术，如汽油重整、石脑油重整、甲醇重整、碱液电解等。2010年，日本开通了连接羽田机场与东京中心的燃料电池巴士，并将新日本制铁公司生产的氢气通过北九州氢气站供给周边7个燃料电池热电系统。

1.3.3 欧洲

2003年，欧洲启动了清洁城市运输计划CU T E，在9个城市建立加氢站，示范27辆燃料电池汽车。2012年6月，德国联邦交通部长R amsauer与参与德国NIP 计划的企业界代表一起为扩建德国电动汽车加氢站的项目奠基。目前，德国已经建成14座电动汽车加氢站，政府计划近期在全德国范围内将加氢站数量进一步扩大到50座。

1.3.4 中国

加氢站在我国还处于起步阶段。上海在2007年底建成了第一座固定式加氢站，此后又陆续建设多座加氢站以满足燃料电池汽车的发展需要。北京加氢站初期采用一种叫做压缩氢储藏型加氢站，其氢供给方式为将氢加压至19.6M Pa，用储气罐和大容量拖车运输。这种方式处理简单、易于维护、设备投资少，适用于初期汽车数量较少的加氢站[4]。

位于北京中关村科技园区永丰高新技术产业基地的北京新能源交通示范园，是一个集氢能等新能源的研发及展示为一体的示范基地。其加氢站占地面积约4000m2，包括外供氢、天然气重整制氢及清洁能源制氢装置。北京奥运会上示范运行的500多辆燃料电池汽车全部在此维护和加氢。

1.4 氢内燃机问世

1972年,美国在通用汽车（G eneralM otors）公司的试车场上举行的城市交通工具对大气污染最小的比赛中，大众（V olkswagen）汽车公司改用氢的汽车夺得第一名，据称它排放的废气比吸入发动机的城市空气还干净。日本武藏工业大学与日产（Nissan）公司长期合作，从1974年开始研制“武藏一号”氢燃料电池，几乎每一届世界氢能大会都展出新品。德国奔驰（B enz）汽车公司和巴伐利亚汽车厂还组建了1个用水分解氢气作为燃料的汽车队，同时开展公共汽车用氢燃料的试验研究。第一批未来型公共汽车——M A N公司制造的氢燃料公共汽车，已于1996年投入运行，德国为此每年投资5000万马克的费用[5]484-485。

进入21世纪以来，随着计算机技术、控制技术以及氢气存储供给和电控缸内直喷技术的不断发展，世界各国各大汽车公司纷纷推出新型氢内燃机汽车。

1.4.1 宝马公司

宝马公司在氢内燃机的技术上走在了世界最前端。2004年，1部名为H 2R 的氢内燃机驱动的汽车创造了9项世界纪录。H 2R 加氢是通过1个移动加氢站完成的。液氢储氢罐具有双真空绝热层，容量为11 kg液氢，被安置在驾驶座椅的一侧，其三阀门设计可以确保最大的安全性。工作阀门在4.5 Pa的压力下打开，另外2个安全阀门可以防止任何液氢泄漏产生的危险后果；当压力超过5 Pa时立即开启，释放压力，从而保证液氢储氢罐不会因为压力过高而发生事故。

1.4.2 马自达公司

马自达公司自20世纪80年代末开始一直致力于转子式氢气内燃机的研究与开发。2004年，马自达公司推出装有氢燃料R enesis转子发动机的R X-8跑车。这种转子式氢气内燃机的进气室与燃烧室完全隔离，避免了回火问题的发生。2006年，R X-8R E 诞生，可以在氢气和汽油任意一种燃料方式下运行。

1.4.3 福特公司

2003年，美国福特公司开发出福特U 型氢内燃机越野汽车，氢燃料喷射系统由Q uantum公司提供。其动力系统的热效率达到38%，比典型的汽油燃料汽车的热效率提高25%，与氢燃料电池大致一样。它具有稀燃NOx收集后处理功能，在工作过程中，包括CO2在内的污染物排放几乎可以忽略不计。

1.4.4 中国

20世纪后期，我国开始跟踪美国、德国、日本和俄罗斯等国对氢燃料发动机的研究，以高等院校为主对氢燃料发动机的燃烧规律和机理进行探索。浙江大学对氢发动机运转中存在的问题开展了研究，提出了燃烧改进方案，并针对氢燃料的需要开发出基于模糊控制的模型。上海交通大学也利用计算机数值模拟技术对氢气发动机的性能进行了预测。然而，我国在氢气发动机研究方面起步较晚，在关键技术上与国外还存在较大的差异。

2008年，北京奥运会上3辆燃料电池大客车和20辆燃料电池小轿车为奥运服务。上海世博会提出“绿色出行，让世博更清洁”，期间共使用197辆燃料电池汽车[2]43-48。

2 中国氢能应用现状和发展方向

我国对氢能的研究与发展可以追溯到20世纪60年代初，我国科学家为发展本国的航天事业而对作为火箭燃料的液氢的生产开发进行了大量有效的工作。将氢能作为能源载体和新的能源系统进行开发，则是从20世纪70年代开始的。现在，氢能技术已被列为“科学发展‘十五’计划和2015年远景计划（能源领域）”。近几年来，我国已经成为最大的潜在氢能燃料和电池消费市场之一[5]41-45。

但是，中国在氢能以及燃料电池的产业化推进上还不尽人意。主要原因是氢能是一种新型能源，它涉猎到材料科学、电化学、计算机和微电子技术及控制技术，还需与各种软件和硬件多重技术相结合。我国在以往10年、20年的科学研究上投入了相当的精力，但是在产业化方面的推进几乎是空白。目前急需解决的问题就是利用国家政策给予的一些税务上的补助或者直接的财政支持，使这种新技术能够尽快平滑地过渡到成本上可以被社会和使用者所接受。另一方面，还要减少燃料电池的成本。途径之一是依靠技术本身的发展，使用新型材料、新型工艺及不同的设计达到成本上的降低；第二个途径是实现大规模的产业化，直接减少材料成本和其中的劳力成本、检验成本和批量成本等，从而推进产业化进程[6]。

国家“863”计划的实施，把公众的注意力都集中到了氢燃料等新能源汽车上，政府部门的导向给很多汽车企业带来了压力和动力，很多企业不顾自己的实力而一味追求氢能源汽车是很危险的。

科学而有效的做法是做出近期重点发展方向的规划，并逐步拓展氢能应用领域。针对中国环境污染严重和节能减排的要求，以及国防安全以及生存和发展的需要，近期氢能重点研究方向应包括：燃料电池在交通上的应用；备用电源的应用；分布式电站的应用。

2.1 燃料电池

燃料电池用在交通方面可有效解决城市的空气污染。另一方面，各种车辆消耗大量的石油，如果能够用氢能源解决这部分消耗，就能解决人类目前遇到的节能减排、环境污染和能源匮乏这个大问题。目前国内一些氢能企业和西南交通大学合作，共同研究氢燃料电源驱动的有轨电车。

2.2 备用电源

在通常情况下备用电源不工作，但如果电网出现故障它会自动启动。在诸如地震、泥石流等自然灾害情况下备用电源具有保证维持紧急通讯的重要作用。如果可以用氢燃料取代目前备用电源的铅酸电池，据统计，每年大概可以节电50×108kW h。每节省1 kW h电，可以减少380g左右二氧化碳的排放，同时减少能耗。

2.3 分布式电站

分布式电站在持续供电领域或者国防上有特殊意义，同时还能应对环境污染问题。如北京和周边地区环境污染严重，国家不再批建火力发电站，那么就可以建氢燃料电源电站。另外，分布式电站在救灾和紧急情况下具有很重要的作用。目前国家电网是1个全国大网，从适用性、安全性角度考虑，也需要独立于主电网之外的分布式电站。相对而言，美国每一个州可能就是1个网。据报道，新疆的1个工厂，大概每断电1 min就要产生接近二三百万元人民币的损失。氢能源分布式电站在不使用时并不产生消耗，在需要的时候提供分布式电能，有更多的灵活性和适用性。

3 结论

氢在地球上不但有巨大蕴藏量，而且氢能使用之后其释放的是水，因此，它是一种取之不尽、用之不竭的能源。世界上大部分经济学家、社会学家、环境学家都认为，氢能是一种不可取代的、最终发展的“终极能源”。在石油能源日益短缺的今天，氢能作为燃料一直是人类梦寐以求、为之奋斗的一个目标，发展氢能同时也是中国不可多得的机遇。

对于氢能的研究和应用，需要从战略、系统和技术方面进行不断突破，从政策方面坚持不懈地扶持，从市场方面不断培养和完善，从国民教育行动上提高公众接受程度。应该相信，氢燃料能源的应用终将逐步实现，并为人类的进一步发展做出巨大贡献。

[1]张志强,郑军卫.氢经济社会发展前瞻及我国的对策[J].科学对社会的影响,2006(3):21-25.

[2]王赓,郑津洋.氢能技术标准体系与战略[M].北京:化学工业出版社,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]氢能协会.氢能技术[M].宋永臣,译.北京:科学出版社,2009.

[5]李星国.氢与氢能[M].北京:机械工业出版社,2012.

[6]李然.氢能源应用的长效机制[OL].2014-01-06.中国网.