从太阳、光伏到氢能文明——电力电子新风口

说到氢气，小朋友都认识它，

它很轻，氢气球很好玩，

一不小心飞上天。

氢很容易获得，利用金属活动性比氢强的金属与酸反应，就能置换出氢气来。中学实验中就用锌与稀硫酸反应制氢，Zn+H2SO4=ZnSO4+H2。当然也可以用钾、钙、钠等金属与稀酸反应，可能其激烈程度你Hold不住。

在商业应用中用铝和氢氧化钠溶液反应制取:

2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑

路边卖气球用的零压氢气机就是根据铝和氢氧化钠反应制氢充球。因为是开放性，是一边放料一边充球，机内是无气压的，安全系数较高。

氢很容易获得，钢铁、化工等等生产中就会产生氢气，氯碱副产氢、轻烃裂解副产氢等。这些氢气可能就会混在城市煤气中烧掉，可惜吗？氢气是很好的燃料，热值高达1.4*108J/kg，而天然气是8.5*107J/kg，而且烧氢最环保，只产生水，零碳排放。

我们冬运会的火炬就是用零排放的氢气作为燃料的。

那么我们多少热是从氢来的呢？

就要从星空讲起~

遥望夜空，群星闪烁，那是它们在把氢嬗变成氦。我们的太阳日日夜夜每秒就要消耗掉6亿吨的氢，把它转换成5.96亿吨的氦。氢变氦以后，那么每秒少掉400万吨物质去哪里了呢？按照爱因斯坦的公式E=mc²变成了能量，其中大约1.5kg氢产生的热量降临到我们地球，赋予我们光明和能量，万物生长靠太阳，靠氢核聚变。

氢气是绿色燃料，可是在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳里，如果按质量计算，氢占总质量的1%，而如果按原子百分数计算，则占17%。氢在自然界中分布很广，水便是氢的“仓库”——氢在水中的质量分数为11%，石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中，氢气倒不多，约占总体积的一千万分之五。在整个宇宙中，按原子百分数来说，氢却是最多的元素。据研究，在太阳的大气中，按原子百分数计算，氢占81.75%。在宇宙空间中，氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

虽然氢气在自然界里微乎其微，

但可以向水要氢。

水煤气法

水煤气是水蒸气通过炽热的焦炭而生成的气体，主要成分是一氧化碳，氢气。

C+H2O（g）=（高温）CO+H2↑

如加催化剂，一份煤炭可以产生双份的氢气，

C+2H2O（g）=（高温）CO2+2H2↑

用煤制氢很方便，成本也不高，但需要消耗化石能源煤，而且产生二氧化碳，这种氢现在有了个新名词——灰氢。

因为氢非常环保，燃烧后只产生水，零碳排放，如果制造氢的过程不产生二氧化碳，整个生态过程就完美了。

我们也可以把氢**“洗白”**，把产生的二氧化碳捕获，封存和利用后，我们就称清洁氢，捕获的二氧化碳可以充可乐，合成可降解塑料……

我们的目标是发展绿色氢，

采用新能源发电制氢。

新能源发电指风力发电，光伏发电和水力发电，过程中不消耗煤和石油，不产生二氧化碳。

电解氢只需要水，电把水拆成氢气和氧气，就是说我们把电能用氢气的形式储存起来，变成氢能。

2H2O=2H2↑+O2↑

我们有了氢，那氢有什么用呢？

化工原料

目前，氢的四大单一用途分别是：炼油、合成氨、合成甲醇和直接还原铁矿石生产钢铁，其它用途就数不清了，中国一年要消耗氢气2000万吨。

氢气作为一种清洁的新能源载体可用于燃料电池，将太阳能、风能等可再生能源储存于氢气，用于燃料电池电动汽车，飞机和轮船。

燃料电池

燃料电池是电解氢的逆过程，发电过程只产生纯水，是非常环保的，而且加氢可以像加油一样快速方便。

H2+1/2O2==H2O

燃料电池并不是新技术，原理也不是太复杂，已经是中学的课堂教学和实验内容了。燃料电池工作时，阳极的氢气在催化剂的作用下分解出氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子则沿着外部电路到达阴极（正极）产生电流。而在阴极，空气中的氧气与氢离子、电子反应生成水。

燃料电池可以做成充电宝，真像个电池，也可以在家里自己电解制氢，给氢罐充氢，电可以来自太阳能，貌似非常方便。

燃料电池充电宝，输出功率2瓦

家用电解氢机，23W，每小时产氢3升

但车用大功率燃料电池系统就没有这么简单，是复杂的发电系统。需要空气压缩机，氢泵，风机，水泵等，系统需要电机驱动器和各类传感器。

燃料电池发电不受发动机的卡诺循环的限制，理论上，它的发电效率可达到85%～90%，但由于系统的辅助系统消耗功率，目前燃料电池的能量转化效率约为40%～60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达85%以上。这种系统已经产业化在日本家庭使用，截至2019年上半年，日本累计销售30余万台家用燃料电池系统ENE·FARM。

热电联供燃料电池是高效用气的有效途径，下图表示1000立方的天然气，27GJ用于火力发电，效率58.5%。而改用燃料电池，40.6GJ的天然气，发电15.8GJ，热量22.8GJ，未利用仅2GJ，效率高达95%。

氢进万家是高能效社会的发展方向。

氢是绿色能源，也是绿色能源的载体，从新能源发电、电解制氢到燃料电池发电构成新世界的绿色能源链。

我们期待着，氢燃料电池汽车、飞机、轮船，家庭热电联供……氢能文明时代指日可待。

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