氢气：无碳燃料，将减少CO2排放

1.燃料性能、制备、潜能

氢气是化学元素周期表中最轻、最简单的元素。它有一个质子和一个电子。氢气像所有气体一样，除惰性气体外，总是双原子分子（H₂）。氢气无色、无臭、无味、无毒。氢气在地球上实际上不是以自由状态出现的，它是唯一的以化合物形式存在的，如水（H₂ O）、各种碳氢化合物（石油、天然气、煤、生物群等），或以另外的有机化合物出现。为此，必须对化合物施加能量才能从中释放出氢。

当前，氢气主要从石化能源载体中提炼（天然气中提炼出50%氢、石油为30%、煤为10%）。只有很少部分的氢气是由电解水得到的。从所有的碳氢化合物，如天然气、原油、煤或生物群中可制备合成气。合成气主要组分为CO和H₂。通过将含在合成气中的CO和蒸汽（H₂O）转换成CO₂，就可得到富氢的混合气。从富氢的混合气中可分离出纯氢气^[20]。

氢气是唯一的无碳燃料，在降低CO₂排放时具有很大的潜力。除化学初级能源载体制备氢气外，还利用初级电能制备氢气。氢气可采用生物的或非生物的甲烷的蒸气重整工艺或电解水得到。电解所需的电能可从各种可再生能源，如太阳能、风能、水能获得。如果社会接受核能，也可从没有CO₂排放的核能获得。从可再生或无CO₂排放的核能得到的电能其前提当然是竭尽所能地减少CO₂排放^[21]。

按氢气重量计，它有很高的内能。氢气的能量密度（33.3kW·h/kg）约是汽油能量密度的3倍。但按体积计，则完全是另外一回事。在大气压力和温度下使用氢气燃料时1Nm³氢气内能约为0.3L柴油内能。为提高氢气的单位体积内能，可以压缩氢气或低温液化。在工业上对气态氢采用CGH₂（压缩气态氢，Compressed Gaseous Hydrogen）或CH₂（压缩氢气，Com-pressed Hydrogen）标志；对低温液化氢采用LH₂（Liquefied Hydrogen）标志。

2.氢燃料驱动方案

氢燃料可采取不同的驱动方案。由电动机与燃料电池驱动的汽车需要供给燃料电池氢气以产生电能。氢气也可直接用作内燃机燃料（图5.9-7）。

图5.9-7 带内燃机的氢气汽车（1）、带燃料电池—电动机驱动的氢气汽车（2）和带燃料电池—电动机驱动的甲醇汽车（3）[20]

在内燃机中使用氢气的优点在于，人们可以利用现今的点燃式发动机和柴油机的开发平台，并在未来的进一步开发中得到好处。氢气内燃机功率与常规内燃机功率很接近。氢气发动机的细节见4.3.5小节。

作为能量转换器的燃料电池工作原理和通过电动机驱动汽车的细节已在4.3.2小节中进行了论述。燃料电池可用各种燃料工作，如当前在汽车上使用的PEM燃料电池，当然需要供给氢气或富氢的气体。在使用碳氢化合物时，如汽油、甲醇时先要将燃料转换为富氢气体。通过重整工艺实现转换。在重整工艺中燃料与水裂解成氢气和二氧化碳。用氢气直接驱动汽车（通过电动机）是最简单和高效率的方案，燃料电池组合在汽车动力装置中。

3.氢气储存系统(www.xing528.com)

代用能源的燃料供给系统见7.7节。使用氢燃料的关键在于能否成功地提高氢气的体积能量密度（图5.9-8）。这里着重介绍氢气的各种储存系统和最新的研究动态。

图5.9-8 不同能源载体单位体积和单位质量内能比较

（资料来源：Linde Gas AG）

储存压缩气态氢和储存低温液化氢目前处于使用或正在开发阶段（见7.7节）。

当前进行的研究工作集中在如何有效和安全地储存氢气：

1）使用金属氢化是基于某些金属氢化合金通过热处理吸收氢气并能再释放。如果氢分子与储存材料表面接触，氢分子分解为氢原子并渗入储存材料中。这样可以采用相对压力储存系统较低的工作压力以及相应的简化安全装置。在释放氢气时氢储存器冷却并由此而降低氢气释放速率。使用金属氢化的优点可提高储存器的容积密度。缺点是在低温氢化时储存器的重量密度低、有限的循环储存次数和高的材料成本。开发的目标是通过使用新合金材料和降低工作温度（＜100℃）提高储存器的重量密度（3%～8%）^[23]。

2）在以化合物储存氢气时是基于某些材料能与氢气化合。在化学变化中又能释放氢气。有不少材料能胜任这一任务。用氨和联氨（NH₂-NH₂）储存氢气的试验由于它们的毒性而放弃。当前还进行氢化钡钠（NaBH₄）的试验。它的重量储存密度为5.4%。充灌氢化钡钠含水溶液后通过有效的催化剂产生氢气，留下的是硼砂（NaBH₄+H₂ O→4H₂+Na₂ BO₂）。硼砂在充灌站除去，并进行化学变化过程（氢化/加氢）又转换为氢化钡钠。由于是液态氢化钡钠，充灌简单。不利的是在汽车中的高热量、在生产储存材料时高的能量消耗而导致高生产成本、储存材料会自行分解以及它的高毒性。

3）一个刚开始的研究项目是在碳纳米纤维中储存氢气^[24]。碳纳米纤维是由相互堆叠的石墨层组成的。氢气在大气温度和约120bar压力下储存在石墨中。压力约低于40bar时氢气又从石墨层中逃逸出来。虽然有不少有关氢气的高重量储存密度（重量的8%～20%）的文章发表，这些对汽车上的储存系统的适用性尚需深入的、科学的试验。

4）同样，在不久前进行了铝氧化储存氢气的研究，但目前没有乐观的预测^[25]。