氢能简介（1）

1、简介

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。氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，是二次能源。氢能在21世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的能源，氢的制取、储存、运输、应用技术也将成为21世纪备受关注的焦点。氢具有燃烧热值高的特点，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，可持续发展。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。

需要注意的是，我们介绍的氢能利用与氢弹是有本质区别的：（1）氢弹是利用分子量为2的重氢（也叫氘）或分子量为3的超重氢（也叫做氚）在超1亿摄氏度下产生核聚变反应，高温条件下，氚和氘两个原子凝聚成一个新的原子，它就是氦原子。（2）氢能利用主要是将氢燃烧或在燃料电池里反应提供电能，且主要是氢燃料电池应用。氢元素利用后还是氢，不发生核反应。

2、氢能利用主要特点

作为能源，氢有以下特点：

（l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为固体氢。

（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很好的传热载体。

（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。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

（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，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。每公斤氢燃烧所产生的能量为33.6千瓦小时，几乎等于汽油燃烧的2.8倍。

（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，除生成水和少量氨气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，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。

（7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，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。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现有的内燃机稍加改装即可使用。

（8）氢可以以气态、液态或固态的氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

3、氢燃料电池

更新的氢能发电方式是氢燃料电池。这是利用氢和氧（成空气）直接经过电化学反应而产生电能的装置。换言之，也是水电解槽产生氢和氧的逆反应。燃料电池的简单应用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。最早，这种发电装置很小，造价很高，主要用于宇航作电源。现已大幅度降价，逐步转向地面应用。这种新型的发电方式已引起世界的关注。

氢燃料电池汽车的主要优点：

从技术原理来看：氢燃料电池原理是氢与氧结合生成水的同时将化学能转化为电能和热能，该过程不受卡诺循环效应的限制，理论效率可达90%以上，具有很高的理论经济性。同时，不同于铅酸、锂电等储能电池，燃料电池类似于“发电机”，且整个过程不存在机械传动部件，没有噪声和污染物排放。

从热值来看：氢气是常见燃料中热值最高的，约是石油的3倍，煤炭的4.5倍。这意味着消耗相同质量的石油、煤炭和氢气，氢气所提供的能量最大，这一特性是满足汽车、航空航天等实现轻量化的重要因素之一。

更全能：尽管锂电池技术已经发展得很成熟，但仍然有无法解决的问题，比如商用车天然对载重、长途运输、低温启动有着较高的要求，而锂电技术则难以解决这三个难题。

举个例子，50吨的柴油大挂车，在续航800公里需求下，一般需要10600兆焦耳的能量，换算成柴油约为290升左右，但如果换成锂电池，则需要装载体积为3立方米、11吨重的3000kwh电池，再加上十几吨的车身自重，有效载重将不足一半，充电时间更是会长达数十个小时。

但氢燃料电池就不存在这些问题，在同样条件下，如果用氢能，则只需2立方氢气，有效载重就可提升50%以上，加注时长接近于传统加油。更重要的是氢燃料电池汽车“不怕冷”，在-20℃~60℃以内均可正常工作，但锂电池不行了，一般气温接近0度时，输出功率就会明显减弱。

4、氢能产业的情况

氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择，将成为我国能源转型的关键补充。氢的应用相当广泛，主要的产业情况如下：

从技术角度来说，氢能是世界上最干净的清洁能源，具有燃烧热值高的特点，其热值（142KJ/g）约是石油的3倍、煤炭的4.5倍。目前相关技术已经趋于成熟。

从产业化角度考虑，中国是全球最大制氢大国，生产和应用已经具备产业化条件。尽管短期国内氢能生产应用尚处于初始期，但随着氢能在冶金、汽车等领域加快应用，未来氢能的消费需求前景大好。

从政策层面看，氢能产业已被写入“十四五”规划。隆基股份和中国石化等新老能源企业也纷纷进军氢能源。

从市场空间来看，中国氢能联盟在其《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》中测算，到2050年，预计氢能在中国能源体系中的占比约为10%，氢气需求量接近6000万吨，年经济产值超过10万亿元。

根据美银美林近日发布的研报称，氢可以满足全球能源需求，为汽车提供燃料、为家庭供暖，并帮助应对气候变化，预计到2050年，市场份额将猛增6倍，产生2.5万亿美元的直接收入，间接基础设施市场潜力高达11万亿美元。

氢能行业各产业链刚起步发展，行业一方面需要上下游共同努力，在技术、规模等方面持续提升从而实现成本的下降，另一方面在当前阶段仍较为依赖政府政策支持。在“碳达峰碳中和”背景下，国家对氢能产业的支持力度正持续提升，在政府的引导下，越来越多相关行业的龙头企业正积极选择切入氢能行业，无论是资金还是技术水平的引入都将推动行业景气度持续提升。