1.8　氢能的应用

2001年，在一个由联合国发展计划署发起的论坛上，皇家荷兰壳牌公司的主席菲尔·瓦特说：“石油和天然气是最重要的矿物燃料，它们曾经把整个世界推进了工业时代，但21世纪它们将为以氢经济为基础的能源新制度革命让出发展空间。”纵观全球，自进入21世纪以来，氢能的开发应用步伐逐渐加快，尤其是在一些发达国家，都将氢能列为国家能源体系中的重要组成部分，人们对其寄予了极大的希望和热忱。

目前，氢能的应用方式主要有三种：①直接燃烧，即利用氢和氧发生反应放出的热能；②通过燃料电池转化为电能，即利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能；③核聚变，即利用氢的热核反应释放出的核能。其中最安全高效的使用方式是通过燃料电池将氢能转化为电能。

1.8.1　直接燃烧

氢气除作为化工原料以外，还用作燃料，主要使用方式是直接燃烧，用氢气作燃料有许多优点，首先是干净、卫生。氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，非常有利于环境的保护。其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。氢气作为燃料，在工业与民用上有着广泛应用。

氢在航天领域中应用广泛，早在第二次世界大战期间，即用作A-2火箭液体推进剂。1970年，美国“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。我国的长征系列火箭也是采用液氢作燃料。目前，科学家们正研究一种“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。

汽车、飞机、轮船等作为一种现代交通工具，已经与当今人们的生活密不可分。而这些交通工具多数是用内燃机作发动机的，内燃机是汽车、飞机等机械的动力源头。一般的内燃机，通常以柴油或汽油作燃料，不仅消耗大量的化石能源，同时污染环境，亟待研发其替代品。以氢作为燃料的氢内燃机，由于具有点火能量小、效率高、易实现稀薄燃烧、可全天候使用、对受控污染物和温室气体（CO₂）的近乎零排放等优点，被认为是最具潜力的替代产品。所谓氢内燃机，就是以氢气为燃料，将氢气存储的化学能通过燃烧的过程转化成机械能的新型内燃机，其原理与普通的汽油内燃机原理一样。氢内燃机直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。氢内燃机不需要任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完全做功，这样就不会存在造价过高的问题。目前丰田、福特等大型国际汽车制造商采用氢内燃机制造的氢汽车已经商业化生产。

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。德国戴姆勒·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氢，其安全性有足够保证。美、德、法等国采用氢化金属储氢，而日本则采用液氢作燃料组装的燃料电池示范汽车，已进行了上百万千米的道路运行试验，其经济性、适应性和安全性均较好。美国和加拿大计划在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。

氢能在工业领域中也有着广泛的应用。例如，氢气在氧气中燃烧放出大量的热，其火焰——氢氧焰的温度高达3000℃，可用来焊接或切割金属。目前各种大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，再由电网输送给用户。但是，因为终端用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。用电高峰期经常闹“电荒”，电力供不应求；在低谷时期，发出的电还有富余。为了调节峰荷，电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电最适合扮演这个角色。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、要停即停。在电网低负荷时，还可以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。这种调节作用对于电网运行是极其有利的。此外，氢能在日常生产生活中具有广泛的用途。例如，氢能进入家庭后，可以作为取暖的材料、做饭的燃料。与天然气等化石原料相比，其最大优点是减少温室气体的排放量。

1.8.2　氢燃料电池

燃料电池是氢能利用的最安全、高效、理想的使用方式，它是电解水制氢的逆反应。相较于燃料直接燃烧释放的热能，电能转化不受卡诺循环的限制，转化效率更高，同时应用更加方便，对环境更为友好，因此，通过燃料电池能实现对能源更为有效的利用。

氢燃料电池发电的基本原理是把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。

负极：燃料H₂发生氧化反应，放出电子。

H₂2H⁺+2e　　（1-56）

正极：释放的电子通过外电路到达燃料电池的正极，使氧化剂O₂发生还原反应。

O₂+4e+4H⁺2H₂O　　（1-57）

总反应：

2H₂+O₂2H₂O　　（1-58）

氢燃料电池发电即为通常的氢气氧化反应，通过燃料电池，反应的化学能以电能的形式给出，其原理如图1-4所示。氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置，它把电能储存起来，需要的时候再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。而使用氢燃料电池发电，是将燃烧的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。从本质上看，氢燃料电池的工作方式不同于内燃机，氢燃料电池通过化学反应产生电能来推动汽车，它是二次能源，而内燃机则是通过燃烧热能来推动汽车的，是一次能源。由于燃料电池汽车工作过程不涉及燃烧，因此无机械损耗及腐蚀，氢燃料电池产生的电能可以直接被用于推动汽车的四轮上，从而省略了机械传动装置。现在，各发达国家的研究者都已强烈意识到氢燃料电池将结束内燃机时代这一必然趋势，以氢为燃料的“燃料电池发动机”技术取得重大突破，美国、德国、法国等采用氢化金属储氢，而日本则采用液氢燃料组装的燃料电池应用在汽车上。目前，已经开发研究成功氢燃烧电池汽车的汽车厂商包括通用（GM）、福特（Ford）、丰田（Toyota）、奔驰（Benz）、宝马（BMW）等国际大公司。

除了汽车行业外，燃料电池发电系统在民用方面的应用主要有氢能发电、氢介质储能与输送以及氢能空调、氢能冰箱等，有的已经得到实际应用，有的正在开发，有的尚在探索中。目前，美国、日本和德国已经有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供电源。

此外，在军事方面的应用也显得尤为重要，德国、美国均已开发出了以PEMFC为动力系统的核潜艇，该类型潜艇具有续航能力强、隐蔽性好、无噪声等优点，受到各国的青睐。

1.8.3　核聚变

核聚变，即氢原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时放出巨大的能量。热核反应或原子核的巨变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核如氢、氘、氟、锂等，从热运动获得必要的动能从而引起聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这是目前正在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供清洁而又取之不尽的能源。

目前，可行性较大的可控核聚变反应堆就是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）。最初是由莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿奇莫维奇等在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。我国也有两座核聚变实验装置。

氢能技术不仅在制备氢气的过程中体现了可持续发展，更重要的是在氢能的运用中对环境友好。真正从源头解决污染是实现可持续发展的最佳途径，因此氢能是最好的选择之一。