[去科技馆学科学]未来清洁能源——氢能

　　全民科学素质行动科学教育专栏

　　氢能是当今社会所关注的热门可再生能源之一。在中国科技馆，可以通过“能源世界”展区的展品“可再生能源——氢能”体验如何运用科学和技术手段实现氢能的可再生利用。

　　可再生能源——氢能

　　氢是一种化学元素，在元素周期表中位于第1位。然而，在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少，自然界中它多以化合物形态出现，化合态氢的最常见形式是水和有机物。因此，想要获得大量的单质氢只有依靠人工制取。“可再生能源——氢能”这件展品将演示电解水制氢、氢储存运输、氢能驱动小车的全过程，观众通过互动操作可了解氢的制备、使用等环节的相关科学原理及知识。

　　展品“可再生能源——氢能”

　　展品主要由展台、太阳能光伏板、小车轮、灯（模拟太阳）、按钮等组成。观众按下启动按钮，灯亮起照射到光伏板上，光伏板产生电能，用于电解水产生氢气，经过管道传输到水柱上方，通过氢燃料电池驱动小汽车轮子转起。在各个互动环节有灯带提示相应的操作。展品通过机电互动的方式，引导观众亲自动手操作体验。展台设计成圆形，便于观众全方位观察展品现象。相较于传统静态展示方式，本展品让观众可以动手互动操作，以及再现模拟实际应用，将枯燥的科学知识以生动可体验的方式展现，增强观众体验感，引导观众自发探索和思考。

　　氢能制取

　　在宇宙中氢是最丰富的物质。在地壳10千米范围内（包括海洋和大气）化合态氢的重量组成约占1%，原子组成约占15.4%。其中，天然气、石油、煤炭、生物质能及其他富氢有机物等，都是氢的有效来源。氢的最大来源是水，尤其海水，据计算，9吨水可以生产出1吨氢，而且氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环，取之不尽，用之不竭。工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径。此外，在冶金工业、发酵制酒及丁醇溶剂等的生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量，估计可达15亿立方米以上。

　　制氢的方法非常多，无论是一次能源还是二次能源都可以制氢。目前，我国是最大的氢气生产国，在2015年生产了2200万吨氢气，占世界产量的34%，其中96%的氢气来自化石能源制氢，剩下的4%则来自水电解制氢。

　　从制氢的能量来源看，化石燃料制氢是我国主要的制氢方式，技术成熟、成本低，并且已“有利可图”，但不可持续、不环保，违背了氢能作为清洁能源的本质。而多种化工过程，如煤化工、电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等，均有大量副产氢气，技术成熟、成本低且对环境友好，也是我国制氢的一大特色。

　　值得一提的是，氢气与电力是可以相互转化的，太阳能、风能、水能等可再生能源可先转化为电力再通过电解水制氢，而产生的氢气反过来也可以通过发生化学反应释放化学能用来发电。从这里也可以看出，氢气是一种储能介质，甚至可以看作是与电一样的能源载体。

　　太阳能、风能、水能等再生能源都有一定的间歇性，导致弃光、弃风、弃水现象十分严重，如果利用这些可再生能源电解水制氢，不仅可解决弃电问题，还能反过来利用氢气再发电增强电网的协调性和可靠性，并且整个过程清洁环保，几乎不产生二氧化碳。除此之外，太阳能还可以通过光解水直接制氢，只需要将太阳光照在加了二氧化钛（催化剂）的水里就可以产生氢气，但是这种光解水制氢的效率很低，目前只有6%，而要达到10%左右才可以实现工业化，因此还无法大规模应用。相信随着技术的发展，制取氢的办法将越来越多，效率越来越高。

　　氢能存储

　　氢是所有元素中最轻的，在常温常压下为气态，密度仅为0.0899千克/立方米，约是水的万分之一，因此其高密度储存一直是一个世界级难题。目前常用的储氢方法主要有4种：高压气态储氢、低温液态储氢、固体材料储氢及有机液体储氢，这几种方法各有特点，可以根据需要选择（表1）。

　　氢能利用

　　近年来，氢燃料电池车领域的技术突破，使大家越来越关注氢能技术，尤其是它在交通领域的应用。氢燃料电池车相比传统汽车，具有无污染、无噪声、无传动部件的优势，相比电动车，具有续航里程长、充电时间短、起动快（8秒钟即可达全负荷）的优势。

　　曾经在中国科技馆展出的H2R原型车就是利用氢能的成功尝试，它能够在约6秒内从静止状态加速到100千米/小时，并使其达到超过300千米/小时的最高车速，在试车场创下氢燃料内燃动力汽车的9项全球速度记录。除了在交通领域的应用，氢能源还可用于大中规模的储能和发电，可作为工业能源、化工原料等，用途非常广泛。

　　宝马H2R概念车

　　氢能是公认的清洁可再生能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一。氢具有清洁、重量轻、无毒、利用率高等特点，时至今日，氢能的利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢作为燃料。我国长征5号也使用液氢作燃料。氢汽车靠氢燃料，氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段及应用。氢能源是一种非常有前景的清洁能源，氢能必将成为未来清洁能源的主角之一。