氢能源社会悄然临近第二部分进入氢社会.docx

1、氢能源社会悄然临近第二部分进入氢社会氢能源社会悄然临近（第二部分：进入氢社会） 本文转载自科学世界杂志 在这部分中，我们看一下氢的性质及生产方法等。进入氢社会 氢清洁环保且取之不尽氢是取之不尽且绿色环保的希望能源首先，我们再次确认一下氢是否是“清洁环保”的物质。在燃料电池中氢与氧发生化学反应产生电力。此过程生成的物质只有水。不会造成全球变暖的二氧化碳和引发大气污染的氮氧化物，硫氧化物等。而且，准确而言，氢与氧发生化学反应时，除了电力和水，还会产生热量。使用氢作能源，方法不仅限于燃料电池。例如，还可以通过氢燃烧带动汽轮机旋转，即“氢发电”等。氢燃烧的过程最终也是氢与氧的化学反应，所以生成的物质只

2、有水，也是清洁环保的。氢存在于水或有机物分子中在地球上，氢是大量存在的元素。虽说如此，但它不是以”氢分子”的状态存在。氢包含于地球的多种物质中，是它们的构成要素。例如，水是由一个氧原子和两个氢原子结合而成的物质，其中含有氢原子。地球被称为“水的行星”，地球上有大量的水，也就意味着存在大量的氢。事实上，氢是取之不尽的物质。同样，构成植物、动物等生物躯体的有机物主要由碳和水组成（也包含氧、氢、磷等元素），这其中也包含有大量的氢。进而言之，石油、天然气、煤炭等化石燃料也是古老的生物躯体（即有机物）经过长时间演变而成，这些物质中也包含大量的氢。由此可见，氢在地球上是大量存在的。但问题在于，如何将各种化

3、合物中所包含的氢转变为使用方便的氢分子来做能源。氢是充满希望的能源下图中显示了氢是绿色能源，事实上，地球上存在可谓取之不尽的氢。这是当前支撑人类活动的化石燃料所不具备的特征，也是人们期待氢能成为下一代能源的理由。生物的躯体是有机物的集群形成生物躯体的有机物主要由碳原子和氢原子构成，内含大量的氢。此图描绘的是作为有机物代表的葡萄糖分子。另外，埋藏在地下的化石燃料，若寻其根源，也是生物的躯体，含有大量的氢原子。氢与氧发生化学反应生产水，产生热量和电力。使用燃料电池和氢燃烧的过程都是如此，如果通过该反应能获得热量和电力，就不会产生二氧化碳和大气污染物。大量存在与水中也含有氢水分子中含有氢原子。而且，

4、地球表面70%是海洋，存在大量的水。也就是说，地球上存在大量的氢。氢与氧发生化学反应生成水，产生热量和电力。使用燃料电池和氢燃烧的过程都是如此。如果通过该反应能获得热量和电力，就不会产生二氧化碳和大气污染物。进入氢社会 电力和氢氢作为能源的存储和运输很简单石油、阳光等自然界原本存在的能源被称为“一次能源”。与此相对，将一次性能源变为我们方便使用的能源就叫“二次能源”。二次能源的代表即电力。而根据这种分类，氢也属于二次能源。所以说，电力与氢属于“同类”。由于电力可以随意使用，所以它成为了转动现代文明各种机器的能量源，这一点今后也不会改变。但是，电力也有弱项。其中之一是“存储”。要将电力原样储存，

5、这几乎是做不到的。也许你会想，蓄电池不就是储存电力的工具吗?实际上，蓄电池并没有保持电力的原样，而是把它转变为蓄电池内物质的化学能形式来储存的。使用蓄电池时，化学能会转变为电力（发电）。而且，遗憾的是，蓄电池中储存的化学能数量不多。为此，要存储大量的能源，需要的蓄电池数量非常庞大。从运输的角度来看，如果准备好电线，电力输送很简单，但是输电损耗（电力转化为热量损失掉）无法避免。距离越长，输电损耗越大。而氢可以进行长距离输送（不过输送也需要能源）。现在绝大部分电力来源于火力发电，但现实是，在火力发电过程中，化石燃料原本所拥有的能量一半以上转化为热量而散失。热量会在现场慢慢散失掉，所以难以运送到距离

6、远的能源消耗地。另一方面，如果用氢进行燃料电池发电，不仅可以在各个家庭等能源消费地发电，而且能当场使用同时产生的热量。这一点也是使用氢这种二次能源的有利之处。另外，在此要强调我们并非在谈论电力与氢何者更出色。电力有电力的优势，氢有氢的好处。在明确这一点的基础上将二者有效结合才是最重要的。电力与氢的比较 下图上半部分为电力，下半部分为氢，分别描述了它们各自作为二次能源的特征。电力的使用如果将一次性能源转化为电力使用，发电过程中约60%的能量会以热量的形式损失。但近年来，火力发电站的效率有所提升，有些发电站的损失可以降低至40%左右。输电时，会有一部分电力转化为热量散失（在日本，平均损耗率为5%）

7、。氢的使用将一次性能源转化为氢使用时，可以将其储存到氢罐等设备内。根据需要将氢运送到能源消费的现场，供各个家庭的燃料电池使用等。使用燃料电池产生的电力和发电过程中产生的热量都可当场使用，以此可以实现能源的有效利用。现在正在向各家庭推广普及的“能源家庭”系统，就是用氢作能源，通过燃料电池发电，同时利用过程中产生的热量烧水。进入氢社会 用化石燃料生产氢现在，氢已通过化石燃料进行大量生产要让氢社会成为现实，需要大量的氢气。也就是说，我们需要将水或者有机物中含有的氢原子提取为氢分子。现在，氢实际上已经被大量生产。例如，在石油提炼过程中，为除去硫等不纯物质，会使用大量的氢与不纯物质发生化学反应。因此，在

8、炼油厂，通过天然气中的甲烷与水蒸气发生反应的“重整”方法（下图）可以制氢。但是，这种方法会产生二氧化碳。除此之外，在炼铁厂，为了生产炼铁用的焦炭而对煤进行烘烤加热时，会产生大量的氢。而且，在通过电解食盐水生产氯和氯氧化钠的“制碱工厂”，也会有大量的氢产生。现在，日本国内每年的制氢量为150亿标方（换算成0、1大气压、不含水蒸气状态下的气体体积单位），大部分氢被用于炼油厂的石油提炼和各工厂自家发电燃料的一部分。但是，用化石燃料制氢的方法无法实现氢社会本来的目的，即“能源的替代”和“环境负荷的减轻”。在将来，其他的制氢方法必不可缺。用天然气制氢上图为目前制氢的主要方法“天然气重整”。在天然气（主要

9、成分是甲烷）中加入水蒸气，结果会生成氢和二氧化碳。另外，该反应过程中需要使用催化剂。进入氢社会 通过电解水制氢通过水的电解可获得氢在普通环境下，水不会自发分解为氢和氧。但如果从外部施加电压，就可以通过“电解”得到氢。电解水（插图下半部分）需要将两根电极放入水中，连接电路，然后通电。这样，电子通过电路进入负极（阴极），在负极处水中的氢离子（H+）获得电子成为氢原子，两个氢原子结合形成氢分子（H2）。同时，带有负电的氢氧根离子通过水到达正极（阳极）。在此处，氢氧根离子将电子交给阳极，生成氧分子(O2)和水分子。总体而言，该反应就是两个水分子生成了两个氢分子和一个氧分子。电解水时，如果使用的电力来自

10、于化石燃料就没有多大意义了，因为这样既无法实现能源替代，也不能削减二氧化碳的排放量。而且，如果无论如何都要使用化石燃料，那就无需“绕道”，一开始将化石燃料“重整”为氢就可以。所以我们期待的是，用风力发电、水力发电或太阳能发电等可再生能源所产生的电力来电解水，将难以储存、发电量不易调整的可再生能源所产生的电力，以氢的形式进行储存。这样一来，代替化石燃料和削减二氧化碳的排放就都可以实现了。问题是成本。从现状来看，可再生能源产生的电力成本很高，即使是成本相对较低的风力发电，价格也比火力发电贵。用高价的电力进行水的电解是不现实的。于是，我们希望使用偏远地区价格便宜的电力（来自可再生能源）来电解水制氢气

11、，然后运输到需要的地方进行消费。用来自可再生能源的电力进行水电解上图中描绘了未来可期待的制氢方法电解水的原理。如果电解所使用的电力来自可再生能源，那就意味着氢可以成为代替石油的能源，同时也可以削减二氧化碳的排放量。进入氢社会 用光和水制氢用太阳光和光催化剂分解水的方法制氢不把太阳能转化为电力，而是直接利用太阳光进行水分解，这也是一种制氢的方法。但是，只让水接受阳光照射是不会产生氢的。需要“光催化剂”的辅助。所谓光催化剂，是指通过阳光照射可以发挥催化剂作用的物质的总称。植物的光合作用（利用光能，促进水和空气中的二氧化碳合成为葡萄糖等碳水化合物的反应）也是光催化反应的一种。研究发现，有多种物质可以

12、用作制氢的光催化剂。这些物质有一个共同的基本特点，即受到阳光照射时，催化剂中原子捕获的电子能从光中获得能量而离开原子，在催化剂中自由活动，这些电子将水分子分解，从而产生氢。目前，用“光催化剂”制氢的效率不高，与阳光原本所拥有的能量相比，所获得的氢的能量只有1%2%。另一方面，有部分太阳能产品，其发电的效率已超过了20%。但是，如果用太阳能发电所产生的电进行水的电解（电力难以储存，所以要转换成氢的形式），投入的电力至少会有几成损耗。按道理，不经电力转换的光催化剂方式更有优势，但现在，这种方式的生产效率还不及利用太阳能发电再进行电解的效率高。研究光催化剂的日本东京大学大学院工学系研究科的堂免一成教

13、授表示，在理论上，能量转换率可以提升到30%40%。堂免教授的团队正在推进研究计划，他们的目标是在2022年将转换率提升至10%。如果能够开发出高效的光催化剂，就有可能在沙漠等阳光条件好的地方建设大规模制氢基地，将生产的氢集中运送到能源消费地。如上图所示，在板的表面粘贴光催化剂粒子，将其与水一起放入容器。像太阳能电池板一样设置，让其接受阳光照射。这样，就会产生氢和氧。产生了氢和氧，就会失去水，但可以提前设置好随时供水模式。这样产生的氢和氧是混合在一起的，目前正在探讨如何使用只有氢分子可以通过的膜进行分离，因为氢分子与氧分子大小不同（氢分子小），因此可以使它们分离。要生产大量的氢，以支撑氢能源系

14、统，就需要广阔的制氢面积。另外，可以使用海水作原料。但如此一来，由于海水中氯的影响等，与淡水相比效率会降低至70%左右。太阳光中含有各种波长的光。上图中横轴表示波长，纵轴表示强度，图中显示了太阳光各个波长的强度（只是大概）。光催化剂利用波长较短的紫外线是很简单的。但波长越长的光越难利用，进行水分解时，可见光与红外线的边界，即800纳米前后是理论上的利用界限。要提高效率，如何开发出能够利用波长较长的光催化剂是个重点。现在，我们所能利用的波长为小于600纳米的光。进入氢社会 氢的运输通过液化将体积缩小至几百分之一来运输氢氢在常温下是气体。与液体相比，气体状态时体积比较大。为此，在大量运输氢时，需要

15、将其液化。要将氢转化为液体，可以用冷却的方法。这与将天然气冷却成为液化天然气（LNG）进行运输的道理相同。冷却液化后，氢的体积将变成原来的1/800。但是，氢液化需要-252.6的低温（天然气液化温度是-160）。因此，就算完成液化，防止挥发又是一个难点。即使将液化氢储存在内部像暖瓶一样做过真空处理的有隔热结构的罐里，每天也会有0.5%左右的氢蒸发（气化）。虽然可以把变为气体的氢再次冷却，或者用作运输车船的燃料，但无论如何，冷却液化的方法都不适合长时间的运输和储存。近年来，另外一种将氢转化为液体的技术引起了人们的关注，这就是“有机氢化物法”。这种技术是指，使甲苯与氢发生化学反应生成“甲基环已烷

16、”，这种物质在常温下是液体，以此进行氢的运输和储存。这种技术可以将氢的体积缩小至原来的1/500。但是，在使用氢时，必须从甲基环已烷液体中将氢分离出来。分离氢需要催化剂。近年来，日本千代田化工建设株式会社成功开发出一种高效的催化剂，据该公司称，目前这种催化剂“处于可以实用的阶段”。氢分离之后，甲苯会被回收再利用。由于是常温，所以长时间的运输和储存都不成问题。而且，甲基环已烷可以用现有的罐和卡车等进行运输，这一点也非常有利。但对于氢的使用者（如加氢站）来说，需要有将氢从甲基环已烷中分离出来的设备。对于量少的使用者，就需要对氢进行统一分离，将其装入高压储氢瓶后再进行配送。无论哪种方法，都有各自的优

17、缺点，可能需要根据输送距离、氢使用者的情况来选择不同的运输储存方法。另外，用高压罐进行大量的氢运输是不现实的。这是因为，高压罐很重，运输效率差。但燃料电池汽车需要用简单的方法长时间保存氢，所以采用了高压氢罐。将氢转化为液体的两种有效方法上图为大量的氢转化为液体进行运输的两种方法。上半部分是低碳液化法，下半部分是有机氢化物法。进入氢社会 氢发电用氢发电供应社会大部分用电需求燃料电池汽车的上市暗示着可能迈向氢社会的边缘了。当然，汽车在社会能源消费结构中所占比例毕竟不大。其他能源消费（产业部门、民生部门）的大部分都是电力消费。现在，大部分电力产生于火力发电站。也就是说，如果火力发电站使用的燃料不是化

18、石燃料，而是氢，那么迈向氢社会的构想就会迅速推进。在现有的发电站进行氢发电，在某种程度上是可以实现的。那么，发电站能否用氢发电呢？实际上，已经有部分工厂在自用发电时会将氢与化石燃料混合燃烧，进行火力发电。一般而言，混合的比例是氢占5%，所以可以直接使用现有的火力发电设备。氢的混合比例还可以进一步提高，现有的火力发电站中，有些机种甚至可以将氢的混合比例提高至70%。而且，如果新建专业设备，从技术上来讲，以100%氢为燃料的火力发电站也是可以实现的。但是，发电站用氢发电时，如果这些氢来源于化石燃料，那就无法实现能源替代和二氧化碳的减排。由于目前完全不存在来源于可再生能源的氢，所以暂时还需使用来自化

19、石燃料的氢，同时不断积累技术，未来的时代我们会获得大量非源于化石燃料的氢，为此做好准备非常重要。燃料电池能否实现大规模化？那能否实现燃料电池的大规模化，让其代替火力发电站呢？燃料电池是发电设备，所以看上去好像可以。但实际上，这并非易事。因为，从燃料电池的性质来看，增加发电量需要增加燃料电池的单元，如此一来，发电厂的规模将非常大。而且，原本燃料电池的发电效率就不如火力发电站高。燃料电池汽车或作为普通家用燃料电池系统（ENE-FARM）所使用的燃料电池，许多都是“固体高分子燃料电池”(PEFC)。PEFC稳定运转的温度是80。由于运转温度低，容易操作，且易实现小型化，适用于燃料电池汽车或家庭。但是

20、，这种电池的发电效率只有40%左右，ENE-FARM在发电的同时所产生的热量可以用于烧热水，所以总体来看能源利用率较高。但是，如果将PEFC做成大规模的成套设备进行发电，与ENE-FARM不同，由于远离能源消费地，发电过程中产生的热量有效利用方法受到限制。即使通过ENE-FARM的运转获得80的热水（与运转温度程度相同），恐怕未送至消费地就冷却了。所以，从能源利用率的角度来看，它与现有的火力发电站相当，甚至新建的火力发电站的效率比它更高。新建的火力发电站的发电效率之所以高，是因为采用了“联合循环发电”。以前的火力发电站一般会通过燃烧化石燃料产生的热量将水转化为高温高压蒸汽，喷出的蒸汽带动汽轮机

21、运转发电。所谓联合循环发电是指，通过燃烧化石燃料产生的热量使燃气膨胀，在这种热力的推动下使燃气轮机转动发电，进而利用燃气的热量加热水蒸气，再用蒸汽在汽轮机中发电，这是一种双重结构的发电方式。这样，这些新型火力发电站的发电效率高达近60%。最强的“三重联合“ 因为能在此基础上进一步提升发电效率，未来有一种发电站的建设备受人们关注，这就是同时使用燃料电池的“三重联合循环发电”。三重联合循环发电使用的是一种被称为“固体氧化物燃料电池”（SOFC）类型的燃料电池。SOFC的特点是运转温度为7001000，非常高，若用于汽车或家庭，温度太高，且断续使用时无法保持运转温度，能量损失较多。但另一方面，若能持

22、续使用，发电效率可以达到50%。三重联合循环发电首先以氢为燃料在SOFC中发电。发电时也会产生热量。如何利用这些热量是三重联合发电的关键。加热后，SOFC中未完全反映，包括氧气的空气会从SOFC中排出。将这些空气与SOFC中未完全反映的氢（也对其加热）及新加入的氢等燃料充分混合，使其燃烧。由于原本就是在加热的状态下使其燃烧，所以即使追加少量的燃料，也会获得高温燃气。之后将与联合循环发电一样，燃气会在燃气轮机中发电，然后在汽轮机中发电。发电共计三个阶段，所以被称为“三重联合”。用SOFC的余热减少了燃料的消耗，结果总体的发电效率就会提升。正在研究、开发三重联合发电的三菱日立电力系统燃料电池事业室

23、的小林由则室长表示：“像榨汁一样充分利用能源，通过这种方式，发电效率可以超过70%。”但是，要实现燃料电池的大规模化，配备巨大的成套设备不可避免。为此，要让一处发电站的发电能力达到现有火力发电站（数十万到数百万千瓦）的规模是不现实的。三菱日立电力系统制定的目标是首先建立可生产4万10万千瓦电力的发电站。虽然一处三重联合循环发电站的发电能力不及现有的火力发电站，但如果能够分散建设多处，就可以生产相当多的电力。而且，分散建设发电站本身也有利于减轻灾害等风险。三重联合循环发电同时使用以氢为燃料的火力发电和燃料电池，当我们能够获得来源于可再生能源的氢时，也就能在真正意义上实现氢社会了。现在，我们在提高

24、氢发电的效率的同时，要积累对氢进行大量输送和储存的技术。这样，我们不久就可以掌握进入氢社会必需的技术，拥有制氢体系和氢的流通体系。真正意义上的氢社会，其本义是使用新开发的能源，所以这些氢在一定程度上发挥了“能源代替”的作用。我们的目标是大量生产二氧化碳排放量为零的氢。而且，如何大规模且价廉地使用来自可再生能源的电力进行水的电解，或者利用阳光和光催化进行水的电解，这是目前正在研究和开发的课题。这样，我们才可能找到一种对环境影响小的制氢方法，在真正意义上实现氢社会。不久的将来能否顺利进入氢社会，目前尚不可知。前方的道路充满曲折。但即便如此，未来能够实现可持续能源供给，同时可以降低环境负担，而且能够较早突破技术难关的现实方法，现在看来，似乎非“氢”莫属。本文文章为重塑未来整理转载自科学世界杂志