從太陽、光伏到氫能文明——電力電子新風(fēng)口

說到氫氣，小朋友都認(rèn)識它，

它很輕，氫氣球很好玩，

一不小心飛上天。

氫很容易獲得，利用金屬活動性比氫強(qiáng)的金屬與酸反應(yīng)，就能置換出氫氣來。中學(xué)實(shí)驗(yàn)中就用鋅與稀硫酸反應(yīng)制氫，Zn+H2SO4=ZnSO4+H2。當(dāng)然也可以用鉀、鈣、鈉等金屬與稀酸反應(yīng)，可能其激烈程度你Hold不住。

在商業(yè)應(yīng)用中用鋁和氫氧化鈉溶液反應(yīng)制取:

2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑

路邊賣氣球用的零壓氫氣機(jī)就是根據(jù)鋁和氫氧化鈉反應(yīng)制氫充球。因?yàn)槭情_放性，是一邊放料一邊充球，機(jī)內(nèi)是無氣壓的，安全系數(shù)較高。

氫很容易獲得，鋼鐵、化工等等生產(chǎn)中就會產(chǎn)生氫氣，氯堿副產(chǎn)氫、輕烴裂解副產(chǎn)氫等。這些氫氣可能就會混在城市煤氣中燒掉，可惜嗎？氫氣是很好的燃料，熱值高達(dá)1.4*108J/kg，而天然氣是8.5*107J/kg，而且燒氫最環(huán)保，只產(chǎn)生水，零碳排放。

我們冬運(yùn)會的火炬就是用零排放的氫氣作為燃料的。

那么我們多少熱是從氫來的呢？

就要從星空講起~

遙望夜空，群星閃爍，那是它們在把氫嬗變成氦。我們的太陽日日夜夜每秒就要消耗掉6億噸的氫，把它轉(zhuǎn)換成5.96億噸的氦。氫變氦以后，那么每秒少掉400萬噸物質(zhì)去哪里了呢？按照愛因斯坦的公式E=mc2變成了能量，其中大約1.5kg氫產(chǎn)生的熱量降臨到我們地球，賦予我們光明和能量，萬物生長靠太陽，靠氫核聚變。

氫氣是綠色燃料，可是在地球上和地球大氣中只存在極稀少的游離狀態(tài)氫。在地殼里，如果按質(zhì)量計算，氫占總質(zhì)量的1%，而如果按原子百分?jǐn)?shù)計算，則占17%。氫在自然界中分布很廣，水便是氫的“倉庫”——?dú)湓谒械馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，石油、天然氣、動植物體也含氫。在空氣中，氫氣倒不多，約占總體積的一千萬分之五。在整個宇宙中，按原子百分?jǐn)?shù)來說，氫卻是最多的元素。據(jù)研究，在太陽的大氣中，按原子百分?jǐn)?shù)計算，氫占81.75%。在宇宙空間中，氫原子的數(shù)目比其他所有元素原子的總和約大100倍。

雖然氫氣在自然界里微乎其微，

但可以向水要?dú)洹?/p>

水煤氣法

水煤氣是水蒸氣通過熾熱的焦炭而生成的氣體，主要成分是一氧化碳，氫氣。

C+H2O（g）=（高溫）CO+H2↑

如加催化劑，一份煤炭可以產(chǎn)生雙份的氫氣，

C+2H2O（g）=（高溫）CO2+2H2↑

用煤制氫很方便，成本也不高，但需要消耗化石能源煤，而且產(chǎn)生二氧化碳，這種氫現(xiàn)在有了個新名詞——灰氫。

因?yàn)闅浞浅－h(huán)保，燃燒后只產(chǎn)生水，零碳排放，如果制造氫的過程不產(chǎn)生二氧化碳，整個生態(tài)過程就完美了。

我們也可以把氫**“洗白”**，把產(chǎn)生的二氧化碳捕獲，封存和利用后，我們就稱清潔氫，捕獲的二氧化碳可以充可樂，合成可降解塑料……

我們的目標(biāo)是發(fā)展綠色氫，

采用新能源發(fā)電制氫。

新能源發(fā)電指風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電和水力發(fā)電，過程中不消耗煤和石油，不產(chǎn)生二氧化碳。

電解氫只需要水，電把水拆成氫氣和氧氣，就是說我們把電能用氫氣的形式儲存起來，變成氫能。

2H2O=2H2↑+O2↑

我們有了氫，那氫有什么用呢？

化工原料

目前，氫的四大單一用途分別是：煉油、合成氨、合成甲醇和直接還原鐵礦石生產(chǎn)鋼鐵，其它用途就數(shù)不清了，中國一年要消耗氫氣2000萬噸。

氫氣作為一種清潔的新能源載體可用于燃料電池，將太陽能、風(fēng)能等可再生能源儲存于氫氣，用于燃料電池電動汽車，飛機(jī)和輪船。

燃料電池

燃料電池是電解氫的逆過程，發(fā)電過程只產(chǎn)生純水，是非常環(huán)保的，而且加氫可以像加油一樣快速方便。

H2+1/2O2==H2O

燃料電池并不是新技術(shù)，原理也不是太復(fù)雜，已經(jīng)是中學(xué)的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了。燃料電池工作時，陽極的氫氣在催化劑的作用下分解出氫離子和電子，氫離子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則沿著外部電路到達(dá)陰極（正極）產(chǎn)生電流。而在陰極，空氣中的氧氣與氫離子、電子反應(yīng)生成水。

燃料電池可以做成充電寶，真像個電池，也可以在家里自己電解制氫，給氫罐充氫，電可以來自太陽能，貌似非常方便。

燃料電池充電寶，輸出功率2瓦

家用電解氫機(jī)，23W，每小時產(chǎn)氫3升

但車用大功率燃料電池系統(tǒng)就沒有這么簡單，是復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)。需要空氣壓縮機(jī)，氫泵，風(fēng)機(jī)，水泵等，系統(tǒng)需要電機(jī)驅(qū)動器和各類傳感器。

燃料電池發(fā)電不受發(fā)動機(jī)的卡諾循環(huán)的限制，理論上，它的發(fā)電效率可達(dá)到85%～90%，但由于系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)消耗功率，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)85%以上。這種系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化在日本家庭使用，截至2019年上半年，日本累計銷售30余萬臺家用燃料電池系統(tǒng)ENE·FARM。

熱電聯(lián)供燃料電池是高效用氣的有效途徑，下圖表示1000立方的天然氣，27GJ用于火力發(fā)電，效率58.5%。而改用燃料電池，40.6GJ的天然氣，發(fā)電15.8GJ，熱量22.8GJ，未利用僅2GJ，效率高達(dá)95%。

氫進(jìn)萬家是高能效社會的發(fā)展方向。

氫是綠色能源，也是綠色能源的載體，從新能源發(fā)電、電解制氫到燃料電池發(fā)電構(gòu)成新世界的綠色能源鏈。

我們期待著，氫燃料電池汽車、飛機(jī)、輪船，家庭熱電聯(lián)供……氫能文明時代指日可待。