• 美国能源部(DOE)启动了一系列氢能研 究项目。2001年以来，美国政府将发展 氢能作为其能源政策的一个重要方面， 先后制定了多项氢能研究计划，以实现 向氢经济的过渡。
• 2004年2月，美国能源部出台了《氢态 势计划：综合研究、开发和示范计划》。
• 氢经济必须经历4个相互重叠、关联的阶 段： – 技术研发与示范(2000—2015年) – 前期市场渗透(2010—2025年) – 基础设施建设与投资(2015—2035年) – 氢经济实现(2025—2040年)
• 氢燃料电池工作原理：
• 氢燃料电池的应用：
•
把化学能直接转化为电能供机械应用
采 用 氢 燃 料 电 池 的 实 验 车
• 在旧金山召开的英特尔开发商论坛上， 千年电池公司向人们展示了一台运行原 型氢燃料电池的电脑。目前绝大多数笔 记本电脑在电池充满情况下可工作三到 四小时。
• 迄今，千年电池的 工作时间仅有三小 时，但是公司的开 发目标是将电池性 能提高到八小时。
• 但随后二十年间中东形势趋缓、原油价格 下跌，石油依旧成为交通运输业的首要选
择，因此对于氢经济发展的相关研究渐少。 直到1990年代末期气候变化（全球变暖 等）问题引起重视以后，氢能与氢经济又 再度成为世界各国研究的热点。
（1）美国氢经济发展战略：
• 美国在1990年就通过了氢能研究与发展、 示范法案。
因此利用常规能源生产的电能来大规模 的电解水制氢显然是不合算的。
• 热化学制氢
• 这种方法是通过外加高温热使水起化学 分解反应来获取氢气。
• 到目前为止虽有多种热化学制氢方法， 但总效率都不高，仅为20％～50％，而 且还有许多工艺问题需要解决。依靠这 种方法来大规模制氢还有待进一步研究。
• 太阳能制氢 • 随着新能源的崛起，以水作为原料利用
• (2) 太阳能电解水制氢
• 这种方法是首先将太阳能转换成电能， 然后再利用电能来电解水制氢。
• (3) 太阳能光化学分解水制氢
• 将水直接分解成氧和氢是很困难的，但 把水先分解为氢离子和氢氧离子，再生 成氢和氧就容易得多。
• 基于这个原理，先进行光化学反应，再 进行热化学反应，最后再进行电化学反 应即可在较低温度下获得氢和氧。
• 这种装置的最大特点是由于反应过程中 不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不 受“卡诺循环”的限制，其能量转换率 高达60%－80%，实际使用效率则是普 通内燃机的2－3倍。
• 氢燃料电池工作原理： • 工作时给负极供给燃料
(氢)，给正极供给氧化 剂(空气)。 • 氢在负极分解成正离子 H＋和电子e-： 2H2→4H++4e－，氢 离子进入电解质中，而 电子则沿外部电路(含 负载)移向正极。 • 氧在正极获得氢离子和 电子反应为水： O2+4H++4e-→2H2O。
• 自从天然气大规模开采后，现在氢的制 取有96%都是以天然气为原料。天然气 和煤都是宝贵的燃料和化工原料，用它 们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源 的依赖。
• 电解水制氢 • 这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：
H2

1 2
O2

H 2O

Q
• 为了提高制氢效率，电解通常在高压下 进行，采用的压力多为3.0～5.0MPa。 目前电解效率约为50％～70％。由于电 解水的效率不高且需消耗大量的电能，
• 随着常规能源危机的出现，在开发新的 一次能源的同时，人们将目光也投向寻
求新的“含能体能源”，氢能正是一种
人们期待的新的二次能源。
• 21世纪最有前途的能源有两种：
•
氢能
•
受控核聚变能
二、氢的特点
氢位于元素周期表之首，它的原子序数 为1，在常温常压下为气态，在超低温高 压下又可成为液态。
6
1）所有元素中，氢 重量最轻。
燃烧氢气能 发电
氢能汽车
氢能
氢燃料电池
氢能 航空航天
三、氢的利用 • 氢能汽车 • 氢能航空航天 • 氢燃料电池 • 燃烧氢气能发电
• 氢能汽车：
氢能汽车可有两种形式： ⒈通过内燃机燃烧氢产生动能，此时的
燃料可以是纯氢，也可以是氢与天然气的 混合物。
⒉以氢为原料的燃料电池作为汽车的动 力，即现在我们所说的氢燃料电池汽车。
• 确定了在发展氢经济的初始阶段的技术 研究、开发与示范的具体内容和目标， 以及相关的后续行动等。该计划明确提 出美国将于2040年实现向氢经济的过渡。
（2）氢经济循环过程：
制取
储存
应用
运输 • 氢能在化工、航空航天、交通运输、供
热、供电等方面有着广泛的应用空间。 氢主要有两种转化应用的方式，以燃烧 的形式在发动机中使用，以化学作用的 形式在燃料电池中使用。
7）氢能利用形式多， 既可以通过燃烧产生 热能，又可以作为能 源材料用于燃料电池， 或转换成固态氢用作 结构材料。
8）氢可以以气态、 液态或固态的金属氢 化物出现，能适应贮 运及各种应用环境的 不同要求。
• 氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重 量轻和储存及输送性 能好、应用形式多等
诸多优点，赢得了人们的青睐。
• 在交通运输方面，美、德、法、日等汽 车大国早已推出以氢作燃料的示范汽车， 并进行了几十万公里的道路运行试验。
• 试验证明，以氢作燃料的汽车在经济性、 适应性和安全性三方面均有良好的前景， 但目前仍存在贮氢密度小和成本高两大 障碍。
• 目前制造一辆燃料 电池车的花费大约 是普通汽车成本的 100倍左右，只有 那些为批量上市而 生产的车型才能产 生经济效益，但其 成本仍然是普通汽 车成本的10倍。
卡车APV 分布式电站 组合式取暖和电力
氢能与氢能经济
氢能系统
可再生能源制备 化石原料制备
CO2处理
输运 转换
储存
应用
五、氢的制取
• 氢能是一种二次能源，在人类生存的地 球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然 界中氢多以化合物的形式的存在，氢气 极少。
• 最丰富的含氢物质是水（H2O），其次 就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气） 及 各种生物质等。因此要开发利用这种 理想的清洁能源，必需首先开发氢源， 即研究开发各种制氢的方法。
• 长远看以水为原料制取氢气是最有前途 的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放 出能量后又生成产物水，不造成环境污 染。
• 各种矿物燃料制氢是目前制氢的最主要 方法，但其储量有限，且制氢过程会对 环境造成污染。
• 其它各类含氢物质转化制氢的方法目前 尚处次要地位。
常用的制取氢气的方法原理图：
• 制取氢气目前最常用的四种方法： • 1.从合烃的化石燃料中制氢 • 2.电解水制氢 • 3.热化学制氢 • 4.太阳能制氢
• 氢的能量密度很高，是普 通汽油的3倍，这意味着燃 料的自重可减轻2／3，这 对航天飞机无疑是极为有 利的。
• 今天的航天飞机以氢作为 发动机的推进剂，以纯氧 作为氧化剂，液氢就装在 外部推进剂桶内，每次发 射需用1450m3，重约100t。
• 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，目前已进 入样机和试飞阶段。
新能源篇——氢能 hydrogen energy
1
• 氢能概述 • 氢的特点 • 氢的利用 • 氢经济 • 氢的制取 • 氢的储存与运输
一、氢能概述
一次能源
二次 能源
能源用户
二次能源又可分为两类：
•
过程性能源 （水能、风能、电能……）
•
含能体能源 （汽油、柴油…… ）
• 由于目前“过程性能源”尚不能大量地 直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机 动性强的现代交通运输工具就只能采用 像柴油、汽油这一类“含能体能源”。
• 从合烃的化石燃料中制氢 • 这是过去以及现在采用最多的方法。它
是以煤、石油或天然气等化石燃料作原 料来制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作 原料来制取氢气的基本反应过程为：
C＋H2O→CO＋H2
• 用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢 化学反应为：
CH4 H2O 8003H2 CO
• 上述反应均为吸热反应，反应过程中所 需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧 中获得，也可利用外部热源。
• 氢燃料电池展示：
东 芝 燃 料 电 池 本 本 亮 相
• 燃烧氢气能发电： • 利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机
组。
• 这种机组是火箭型内燃发动机配以发电 机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因 此结构简单，维修方便，启动迅速，要 开即开，欲停即停。
• 在电网低负荷的，还可吸收多余的电来 进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时 发电用。这种调节作用对于用网运行是 有利的。
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）氢本身无毒，与其 他燃料相比氢燃烧时最 清洁，除生成水和少量 氮化氢外不会产生诸如 一氧化碳、二氧化碳、 碳氢化合物、铅化物和 粉尘颗粒等对环境有害 的污染物质，而且燃烧 生成的水还可继续制氢，
反复循环使用。
2）所有气体中，氢 气的导热性最好，比 大多数气体的导热系 数高出10倍，因此在 能源工业中氢是极好 的传热载体。
3）氢是自然界存在 最普遍的元素，据估 计它构成了宇宙质量 的75%，除空气中含 有氢气外，它主要以 化合物的形态贮存于 水中，而水是地球上 最广泛的物质。
4）除核燃料外氢的发热值 是所有化石燃料、化工燃 料和生物燃料中最高的， 每千克氢燃烧后能放出 142.35千焦的热量，约为 汽油的3倍，酒精的3.9倍， 焦炭的4.5倍。
• (5) 模拟植物光合作用分解水制氢
• 在上述三个步骤中可分别利用太阳能的 光化学作用、光热作用和光电作用。
• 这种方法为大规模利用太阳能制氢提供 了实现的基础，其关键是寻求光解效率 高、性能稳定、价格低廉的光敏催化剂。