核電/氫能係統應用前景淺析

　　一、“氫能經濟”興起的背景 　　氫是自然界最普遍存在的元素，在常溫常壓下呈氣態

，無色無臭，熔點-259.3℃(13.9K)、沸點-252.78℃(20.4K)。在地球上平均6-7個原子中就有一個氫原子。除空氣中含有少量氫氣外
，氫主要以化合物形態存在於水、全部酸和有機化合物中。所以，氫不能視為一次能源，而應看作是一種能源載體。作為能源載體
，氫有以下特點：(1)它是一種清潔能源：氫氣對人體無害，燃燒後生成水和少量的氮化氫，稍加處理後不會汙染環境
；(2)是一種高熱值能源：氫的單位重量的發熱量為28900千卡/kg，是汽油熱值的3倍
、煤熱值的4倍。除核燃料外，氫的燃燒熱值是所有礦物燃料、生物燃料和化工燃料中最高的。 　　多年來，科學家們一直致力研究氫能的大規模製取
、儲chu存cun和he應ying用yong的de技ji術shu，以yi便bian用yong這zhe種zhong優you質zhi潔jie淨jing的de能neng源yuan載zai體ti替ti代dai礦kuang物wu燃ran料liao，特te別bie是shi替ti代dai日ri益yi緊jin缺que的de油you氣qi資zi源yuan。近jin年nian來lai，在zai全quan球qiu範fan圍wei內nei，加jia快kuai研yan究jiu氫qing能neng的de規gui模mo應ying用yong呼hu聲sheng日ri高gao
，以yi至zhi出chu現xian“氫能經濟（Hydroge nEconomy）”,“氫-電（Hydricity）”“氫能基礎設施（Hydrogen infrastructure）”這樣一些專門詞彙。 　　氫能經濟的興起主要有以下三方麵的原因： 　　1）開發油氣資源的替代能源。石油資源預計在未來50年左右的時間內枯竭，而需求量卻不斷增加。美國每年石油的消費為全球生產總量的1/4。中東成為多事地區的重要原因就是超級大國對石油資源的爭奪。我國去年進口了8000萬噸石油，戰略能源對外依存度日益增加，能源安全的形勢不容樂觀。因此，開發戰略能源的替代品已成為世界各國的當務之急。 　　2）開(kai)發(fa)綠(lv)色(se)交(jiao)通(tong)工(gong)具(ju)的(de)需(xu)求(qiu)。隨(sui)著(zhe)交(jiao)通(tong)運(yun)輸(shu)所(suo)消(xiao)耗(hao)的(de)能(neng)源(yuan)的(de)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)
，尾(wei)氣(qi)的(de)排(pai)放(fang)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)世(shi)界(jie)各(ge)國(guo)大(da)城(cheng)市(shi)空(kong)氣(qi)汙(wu)染(ran)的(de)主(zhu)要(yao)根(gen)源(yuan)。調(tiao)查(zha)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，北(bei)京(jing)市(shi)1998年機動車排放的一氧化碳

、氮氧化物、可吸入顆粒物全年總量分別為153.33萬噸、11.65萬噸和3359噸，分別占各項總排放量的63.4%、46%和50%。可見，汽車的尾氣排放已經成為大城市空氣的主要汙染源。特別應當指出，可吸入顆粒物（TSP）已經被證明是致病的重要因素，減排TSP已(yi)成(cheng)為(wei)汙(wu)染(ran)控(kong)製(zhi)的(de)重(zhong)要(yao)任(ren)務(wu)。因(yin)此(ci)，加(jia)速(su)開(kai)發(fa)綠(lv)色(se)交(jiao)通(tong)工(gong)具(ju)替(ti)代(dai)常(chang)規(gui)的(de)車(che)輛(liang)已(yi)十(shi)分(fen)緊(jin)迫(po)。以(yi)氫(qing)為(wei)能(neng)源(yuan)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)電(dian)動(dong)車(che)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)未(wei)來(lai)最(zui)有(you)希(xi)望(wang)的(de)綠(lv)色(se)車(che)輛(liang)。 　　3）燃料電池和氫儲存技術的突破 　　燃料電池和氫儲存技術的突破發展使以氫為能源的先進綠色交通工具成為現實。 　　燃料電池是將氫基燃料的化學能通過電化學過程直接轉化為電的裝置，其工作原理頗似電解水的逆過程。它具有發電效率高、環境兼容性好、模塊式結構便於安裝、可直接安裝在用戶附近節省輸變電投資的優點，是比較理想的高效清潔的分布式發電裝置。 　　質子交換膜燃料電池（PEFC）是從宇航和軍事應用發展起來的
，比其他燃料電池有更高的出力密度，且具有構造簡單、可工作於常溫下等優點,是為電動車提供動力的最佳選擇。目前

，先進的質子交換膜燃料電池堆，如Stack2000
，最大功率已達到94-129kW,功率密度達到0,94kW/kg,工作溫度為800C。 　　燃料電池實用化的另一個關鍵技術是儲氫技術。氫儲存的技術近年取得了重要進展。用於儲氫主要辦法有：壓縮儲氫（氫儲存在高強碳纖維合成材料的壓力容器內）
；冷凍儲氫（冷凍到-2530C）；金屬氫化物固態儲氫；納米材料吸附儲氫等。現在，一個重量為95公斤的壓力儲氫罐可以儲藏4.6公斤的氫，等效於約13.8公斤汽油。作為對比，目前最先進的電池（如鋰電池）的儲能密度為0.2kWh/kg

，一個100公斤重的蓄電池儲存的能量隻相當於1.72公斤汽油。可見目前儲氫的能量密度已經大大超過先進蓄電池的儲能密度。 　　HydroGen3型電動車，燃料電池功率94kW，電動機功率60kW，每次裝4。6kg液態氫
，最高時速達150km,行程400km
，冷啟動時間為30秒。 　　二、氫的製取和儲存氫能的製取工藝主要分從化石燃料製氫和電解水製氫兩大類： 　　1）化石燃料製氫目前已達到商業化的製氫工藝有：①天然氣蒸汽轉化；②天然氣催化分解
；③重油部分氧化
；④煤炭氣化等。製氫的原料是天然氣、石油和煤，其中天然氣占了90%yishang。zhexiechuantongdezhiqingfangfarengranbaituobuleduikuangwuranliaodeguofenyilai，tongshizaizhiqingguochengzhongdoubanyoudaliangwenshixiaoyingqitidepaifang。congkechixufazhandejiaodu，zhezhonggongyibingbukequ。 　　2）電解水製氫電解水製氫已經是十分成熟的技術。關鍵是如何減低電解過程的能耗
，提高能源轉換效率。電解水製氫必須以強堿
、強酸或含氫的鹽溶液作電解液。商用電解槽法，能耗大約為4.5-5.5kWh/Nm3。最近，美國GE公司開發了一種固體高分子電解質(SPE)水解法，以離子交換膜作為隔膜和電解質，這種方法可大大降低能耗。 　　此外還有熱化學製氫
、光電化學法製氫

、等離子體化學法製氫

、微生物發酵製氫
、光合微生物製氫等。但這些製氫技術，絕大部分處於理論研究和試驗室階段。 　　目前氫的製取費尚高
，據報道，用電解法生產氣態氫的價格比汽油約高65%，生產液態氫的價格則比汽油高260%以上。 　　但是，隨著技術進步和製氫的規模化，以及油氣資源的短缺，氫能的經濟競爭力會逐漸加強。 　　三
、核電/氫能係統 　　從長遠的觀點看，隨著油氣資源的短缺和可持續發展的要求，“氫-電係統”將成為未來的主導能源係統。所謂“氫-電係統”可以設想為這樣的一個能源係統：各種一次能源都可以用來發電
；為了替代常規的液體燃料和氣體燃料、實現電能的間接儲存，一部分電力可用來電解水製氫；氫作為高能量密度的燃料可以儲存
、運輸，然後可以在終端用戶附近用燃料電池等分布式電源再轉換為電能。 　　由核電和水電

、風電、太陽能發電等可再生能源發電與電解製氫的聯合係統被認為是重要的“氫-電係統“。筆者認為，從長遠看，核電-氫能係統有廣闊的發展前途，理由如下： 　　1）核電-氫能係統的各個環節都沒有溫室效應氣體和其他有害的排放
，對環境影響很小； 　　2）核能是最有希望實現永續利用的一次能源； 　　3）核電與產氫係統的結合可以保證核電站始終運行在恒定負荷狀態
，有利於提高核電站的安全性和經濟性； 　　四
、應用前景展望 　　要實現氫能廣泛替代傳統的液體、氣體燃料，使燃料電池推動的車輛進入千家萬戶
，還有很長的路程要走。實現“氫-電“係統的 　　產業化需要解決其經濟競爭力相關的一係列問題：如大幅度降低製氫和儲氫的費用、降(jiang)低(di)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)造(zao)價(jia)等(deng)。另(ling)外(wai)，需(xu)要(yao)建(jian)立(li)遍(bian)及(ji)千(qian)家(jia)萬(wan)戶(hu)的(de)加(jia)氫(qing)站(zhan)及(ji)配(pei)送(song)係(xi)統(tong)，即(ji)供(gong)氫(qing)的(de)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)。這(zhe)絕(jue)不(bu)是(shi)一(yi)朝(chao)一(yi)夕(xi)能(neng)夠(gou)完(wan)成(cheng)的(de)。目(mu)前(qian)，全(quan)球(qiu)的(de)加(jia)氫(qing)站(zhan)僅(jin)數(shu)十(shi)個(ge)，與(yu)加(jia)油(you)站(zhan)相(xiang)比(bi)，隻(zhi)是(shi)滄(cang)海(hai)一(yi)粟(su)。但(dan)是(shi)，隨(sui)著(zhe)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)，氫(qing)能(neng)經(jing)濟(ji)會(hui)日(ri)益(yi)壯(zhuang)大(da)。有(you)專(zhuan)家(jia)估(gu)計(ji)，2011年燃料電池的市場為300億美圓左右，製氫的費用也將逐年下降。從長遠的觀點看問題
，氫-核電係統定有廣闊的應用前景。我們在研究核電發展戰略時，應當關注這一發展趨勢。