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氢能经济

19世纪，煤炭和蒸汽机火车引发了欧洲的工业革命；20世纪，石油和内燃机汽车促成了美国的经济腾飞；21世纪，以氢能和燃料电池为基础的氢能经济有望成为人类可持续发展的理想选择。美国、欧洲、日本等经济强国在制定其未来的能源政策时，都把发展氢能作为一个主要方向。我国也正在实施多项氢能和燃料电池的科技研究和发展计划。

氢气是一种清洁的能源载体，以氢为燃料的燃料电池驱动的电动汽车是未来城市理想的交通工具。燃料电池通过氢和氧的化学反应过程，直接将化学能转化为电能，没有燃烧过程，而且氢已经过净化处理，废气中没有一般内燃汽车的污染排放物，如氮氧化物、一氧化碳等，而只有干净的水汽，因此为零污染排放，并且噪声小，非常适合于城市车辆使用。

燃料电池电动车比内燃机汽车有更高的能源使用效率，特别适合在城市交通条件下运行。在正常行驶条件下，内燃机汽车具有较高的效率，但是作为城市交通使用的汽车，经常处于低速条件下运行，其内燃机的效率急剧下降，平均效率大约只有14％，相当于每一百公里的能耗为10升油。而燃料电池发电效率很高，可达60％以上。燃料电池在其行驶载荷变化的范围内，效率变化不大，即使考虑到制氢能源转换的损失，燃料电池电动汽车的能源使用效率大约是内燃机汽车的两倍多。

我国石油资源相对贫乏，近几年来随着汽车的高速增长，石油进口大量增加，使国家能源安全面临着重大挑战。由于大部分石油用于交通运输，大规模发展氢燃料电池汽车可以大大地减少对进口石油的依赖，是保障国家能源安全的重要战略。

氢燃料电池除用于交通运输外，还可用于分布的固定式发电站和热电联供站，为医院、学校、办公楼、居民小区等用户冬季提供供暖，夏季提供制冷，同时向电网提供电力，其能源利用效率非常高，而且无污染、低噪声。

氢早已在工业中获得广泛的应用，特别是在合成氨工业中，积累了大量的经验。目前经济上现实可行的制氢技术是由天然气或煤转化技术为基础的。以天然气为原料制氢，首先通过甲烷蒸汽重整，在相当高的温度下(约900℃)将天然气转化为CO和H2合成气，将合成气冷却后经过水蒸汽转化反应，使合成气中的CO转化成CO2，并产生更多的氢气，再采用变压吸附工艺将氢气从上述反应所产生的CO2和H2混合气体中分离出来。

以煤为原料的制氢技术是以煤气化技术为基础的，并采用与天然气制氢相类似的流程，将氢气从CO2和H2混合气体中分离出来，剩下的CO2加以回收，并可加压打入地下储存。由于混合气体中CO2的浓度很高，因此可以用较低成本实现二氧化碳的分离收集。从而，以煤气化为基础的制氢技术还可望实现二氧化碳近零排放的目标。

此外，氢的制取还可以由核能和可再生能源来获得。

燃料电池技术随着生产成本的降低，以及其可靠性、寿命等问题的逐步解决，可望在2020年左右在一些先进国家进入商业应用，也即燃料电池汽车价格和氢的燃料费在当地可以与内燃汽车相竞争，而且就近有加氢站可以补充氢燃料。

在实际应用中，氢气需要压缩或液化才能进行运输、存储。但是，由于氢气的密度很低，压缩或液化、运输、存储、分配等过程耗费的能量是很大的，此外，还要考虑基础设施的建设。因此，从现有以电力、石油、天然气为主要终端能源载体的能源系统，转换到未来以电力和氢能为主要终端能源载体的能源系统，也即实现氢能经济，尚需时日。

来源：《气候变化通讯》2004年2月期
作者：吴宗鑫 刘 滨