可再生能源如何制造氢能

“百年老店”、多元化电子电气产品制造商日本东芝集团（Toshiba）正在全力布局有“未来能源”之称的氢能，并将大规模可再生能源制取“绿氢”视为低碳能源时代的完美解决方案。

近日在上海举行的第三届中国国际进口博览会期间，东芝多位高管对澎湃新闻表示，除了已提出“氢能源 社会 ”愿景的日本本土之外，东芝非常看好氢能在中国的发展前景。

放眼全球，日本是近年来最热衷于发展氢能的国家之一。日本“氢能基本战略”提出，到2030年要确立国内可再生能源制氢技术，构建国际氢能供应链，长期目标是利用碳捕获（CCS）技术实现平价化石燃料的脱碳制氢和可再生能源制氢。对于能源自给率低的日本而言，用零碳排的可再生能源来制取清洁高效、较易储运的氢能，无疑是“后福岛时代”得以兼顾能源安全和碳中和目标的理想选择。

日本能源转型历程

“东芝早在50年前就已经开始做氢能方面的技术研发，进行相关技术储备。我们在40年前推向市场的产品，已经有氢能利用的影子。”负责氢能业务的东芝（中国）有限公司营业总监张童对澎湃新闻表示，早年东芝的制氢路线是烃类醇类重整制氢。但在零碳理念下，该公司内部近十年间全面提升氢能体系，东芝燃料电池体系全部是纯氢燃料电池。

据介绍，东芝的纯氢能燃料电池系统H2Rex已累计在日本国内交付100台以上。这种100kW的模块化单元可根据需求灵活组合，启动时间不到5分钟，高效将管道或气罐中的氢气转化为电能和热能。

东芝的纯氢能燃料电池系统H2Rex累计在日本交付100台以上

典型场景如东芝的新氢能综合应用中心，利用太阳能电解水制备氢气，并直接将其应用在东芝的日本府中工厂的燃料电池物流叉车上。这样，不但燃料电池物流叉车在运转时不排放二氧化碳，而且，因为使用了通过可再生能源制取的氢气作为燃料，从制氢到氢利用的全程实现了零碳排。

当突发灾难时，这套小型分布式能源亦可大显身手，作为一条生命线为300名受灾群众提供一周的电力和热水供应。

纯氢固然样样好，但目前在全球范围内仍受居高不下的成本所困。据澎湃新闻了解，上述在日本落地的东芝纯氢燃料电池系统均为有日本政府政策支持的项目。

张童表示，全球可再生能源快速发展，但风电、光伏始终存在间歇性问题。尤其在中国，风电、光伏装机的迅猛增长对电网调峰要求巨大，弃风、弃电的问题屡见不鲜。若将这部分电力转换成氢能储存起来，在需要时再调取，就是一个最理想的结合。“可再生能源与电解质制氢技术结合起来，制出来的氢完全是绿色的。”

他认为，在该领域，东芝的所长是对电力系统、电子设备、控制系统的深入了解和对氢的长期技术积累，目前正在与多家上游制氢企业探讨合作。在氢能起步阶段，东芝呼吁政府对全行业予以政策支持，鼓励更多企业参与氢能产业链的完善，并尽早明确氢使用的法律法规。在这些前提下，氢能成本才能随着规模化效应快速下降。

氢能成本的下降有赖于一个足够大且高速成长的下游市场。东芝正在推动纯氢能燃料电池系统H2Rex尽早应用于中国市场，使其成本上尽早符合中国市场潜在的需求，并联合中国合作伙伴一起开拓市场。

实际上，东芝对于“终极能源解决方案”的认识，在日本福岛核事故之后出现了彻底的转变。东芝曾是全球核能领域的重要参与者，旗下拥有 历史 战绩辉煌的美国西屋电气公司。但由于2011年福岛核事故后全球核电建设放缓、建造成本陡增、西屋电气申请破产保护等原因，东芝最终选择剥离核电资产。

今年10月，日本首相菅义伟在临时国会上发表施政演说时宣布，日本将争取在2050年实现温室气体净零排放。这标志着作为全球第三大经济体和第五大碳排放国的日本在气候议题上的立场发生巨大转变。目前，日本的温室气体排放中有至少80%来自能源领域。

“二氧化碳零排放并不是最近才有的呼声，很早以前大家就在进行与此相关的探讨。”东芝中国总代表宫崎洋一对澎湃新闻说道，福岛核事故改变了全球的碳减排思路。2011年之前，日本、欧洲都将低碳发电目标寄希望于核能，但福岛事故后由于安全标准升级、核能发电成本陡增，欧洲主要国家纷纷选择弃核。

宫崎洋一称，除了重点业务氢能之外，目前东芝还有其他颇具竞争力的能源业务和碳捕捉技术，可以根据不同地区的特征进行灵活组合。具体而言，在水电领域，东芝的实际供货数量和技术实力处于全球第一梯队，已经向44个国家及地区累计供货2300多台水轮机和1800多台发电机；光伏领域，东芝的工业用光伏发电系统在日本有2700处应用，住宅用光伏发电系统在日本为10万户以上客户使用；地热领域，东芝已向全球提供累计达3.7GW的地热发电设备，以设备容量计处于全球第一。

福岛氢能研究基地（FH2R）

在日本国立的新能源产业技术综合开发机构（NEDO）牵头下，东芝与另外两家日本企业合作的福岛氢能研究基地（FH2R）已于今年2月底建成。

FH2R系统概览

该项目建有全球最大的利用可再生能源的10MW级制氢装置，正在验证清洁低成本的制氢技术。这里产生的氢气不仅用来平衡电力系统，还为固定的氢燃料电池系统、移动的氢燃料车等提供动力。

校对：刘威

一、概述 石油、煤矿、天然气等能源储量有限并日益枯竭，我们不得不思考：人类明天能源将会是什么呢？ 早在半个世纪以前，法国科幻小说家凡尔纳在其小说中就预言，有朝一日社会将通过以氢为基础的能源而被彻底改造。 氢气作为一种清洁、高效和丰富的新能源已渐为世人所共识。它具有以下优点： 1清洁。氢气燃烧过程中只产生水对环境没有任何污染，实现真正的“零排放”。 2贮能高。燃烧1克氢可以放出14万焦耳的热量，约为燃烧1克汽油放热的3倍。 3使用效率高。采用催化燃烧氢气燃烧产热，比常规化石燃料的热效率高10－15；用于内燃 机产生动力，比汽油效率高15－25%。 4来源丰富。占地球表面71的水中含有大量的氢，资源非常丰富。 5便于运输。输氢成本最低，损失最少。一条直径0.91米的输氢管道，用于950－1600公里输 氢，其所输送能站相当于50万伏高压输电线路所输能量的10倍以上。而建设这样的输送管道 所需费用，仅为建设高压输电线路的1/2－1/4。 6.用途广泛。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装 即可使用。还可用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。 因此，随着“氢经济”时代的到来，人类社会亟待寻求经济有效的，可以实现工业化生产的制氢技术。 21传统制氢技术 传统的电解水制氢技术电耗过高，一般约为45kw/m3H2，成本过高不利于氢气使用技术的普及。而用火力发电的方法同样造成亏染。 此外，采用化石燃料裂解方法制氢，在产生氢气同时还有大量的CO2生成，同时化石燃料本身是不可再的。与当今世界共识的可续发展背道而驰。 22太阳能--氢能转换 太阳能是地球上能量的最终来源，既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。地球上卜海水资源十分丰富，通过太阳能把海水中的氢释放出来，经利用后又生成水，不对环境造成任何影响，不失为一条环保可持续的方法。 常规的太阳能--氢能转化通常有三种方法： （1）太阳能电解水制氢。其能量的利用得不偿失（如21一节所述）。 （2）太阳能热分解水制。生达到3000K以上的高温水的氢氧才能分解，这需要大量高倍聚光器意味着大面积土地和空间被占用，同时也是对景观的一种污染。 （3）太阳能热化学循环制氢。在较低温度（900－1200K）就能进行，但大量中间物的使用影响着氢气的价格并造成环境污染，这不是我们提们的入法。 水中氢和氧结合非常牢固。要释放出氢需要很高的能量，同时考虑对环境的作用寻找合适的太阳光分解水催化剂，通过光合作用或模拟光合作用制氢是可行之道。 222太阳光络合催化分解水制氢 科学家发现一（联吡啶钉络合物的激发态具有电子转移能力。日本产业技术综合研究所的中国籍科学家研制出一种新型的光催化剂，它由钢钽氧化物组成，表面有一层镍氧化物。这种催化剂在可见光波段起作用。 利用催化剂的化学活性，在太阳光的照射下吸收光能，产生电荷的分离、转移和集结，与水的电离反应状联，把集结的电荷转移给H+从而释放出氢气。因此，应选择易发生电荷分离的、多电子的。具有电行集结和转移能力的物质作为该过程的催化剂。锰、铬、镍、姻、担的双核或多核三联吡啶钉络合物作光解水制氢的催化剂。 采用曲率适当的透明球形密封反应器可以最大量地吸收太阳光和收集氢气，反应器内壁附着一层出纳米技术处理其表面结构制成某三联吡啶钉络合物催化剂。为了提高反应器的效率，在反应器内适当增加吸光板，以增加吸光面积和反应接触面，吸光板下部装上清扫刷，通过固定转轴与反应器底部相连。反应原料（水）在压力作用下从反应器表面和吸光板上进人反应器，以利于生成的气体及时释放出去，同时可把由于水量减少，饱和沉淀出的溶质洗到反应器底部，以防止气泡和溶质隔离水和催化剂，减小反应效率。吸光板在进水作用下以适当的速度旋转，使气体尽快逸出。在此动力作用下，清扫刷不停清扫底部淤积的溶质于反应器带的容器中，溶质可定期从容器中取出。反应器可安装在低于海平面处，利用水压自然驱动。不用额外提供动力维持反应器运行。 223利用光合作用制氢 植物在光合作用过程中，可利用太阳光将水分解为活泼的氢和氧，再利用活泼氢同二氧化碳作用合成有机物。爱默生（EmersonR）发现光合作用是两个系统的协同作用，即光系统 Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ(PSⅡ)。美国田纳西大学环境生物技术研究中心和橡树岭国家实验所的研究人员已成功将光合系统Ⅰ与光合系统Ⅱ分离开来，即去掉光合系统Ⅱ和连接结构，并在光合系统Ⅰ的一侧涂上一层铂原子，在加人电子给予体后成功地制造出氢气。 我们可以这样设想：利用光合作用的两个系统从水中释放出活泼氢和高能电子，同时阻断活泼氢同二氧化碳生成有机物的过程，并把高能电子导出给活泼氢使之还原为氢气。要使这一设想称为现实，有两个技术关键需要解决：一是怎样使反应既产生活泼氢和高能电子，又不会消耗活泼氢生成碳水化合物。爱默生提出光合作用的两个系统各自吸收不同波长的光，进行不同的特征反应。PSI的反应是长波光反应，其主要特征是NADPH的还原：PSⅡ的反应是短波光反应，主要特征是水的光解和放氧。可见活泼氢的产生和还原在不同的系统中进行，因此，分离两个系统让它们单独作用是可行之的。实际上美国研究员已完成这步的工作，并证明是可行的。 另一个技术关键问题是如何导出高能电子并传递给活泼氢，即怎样把分离的两个系统“从头到脚”重新连接起来，从而使光合系统Ⅰ可以直接利用光合系统Ⅱ分解水分子过程中产生的电子。我们知道光合作用产生的高能电子要经过复杂的电子连传递才能被利用，而从电子的产生到被利用是在 10－15－10－12秒内完成的。如此短的时间想要直接导出电子显然不可能。不过，我们可以设想利用磁场作用来解决这一问题。首先，需要提供一个强度足够大的勾强磁场并保证磁场的边界性，以保证电子有确定的偏转角；其次，得为电子提供一条合适的通道。光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ都是极其微小的，要建造这样小的匀强磁场同时保证其边界性还要提供一条足够小的电子通道，其技术难度相当高。电子的运动方向的不确定性，决定最终的前进方向的不确定性，这将影响电子导出效率。那么导出电子有效可行的方法在哪呢？除草剂的原理让我们看到了希望。除草剂能够与电子传递链中某些物质相结合，从而阻断电子传递，阻断光反应，阻断了光合作用，导致植物死亡。我们可以设想，同样可以利用某种物质（可能具有除草剂类似的结构）同电子传递链上的某种物质结合以阻止其电子传递，同时用电子受体代替这种物质导出电子并传递给活泼氢。理想的电子受体是既能够吸附活泼氢有能传递电子，使活泼氢在它表面接受电子还原成氢气。因此，该课题的研究可以从吸氢材料和及其电子传递机理人手，适宜的吸氢材料可能是含有某种活泼金属(如Ti、Fe、Mg等）和非金属（如P）的合金。 3小结 氢气将取代化石燃料成为人类未来主要能源之一。太阳能一氢能转化和生物制氢是氢气工业化生产技术发展的方向。在已有研究成果的基础上，通过分析光合作用过程，大胆提出“氢经济”下的太阳能一氢能转化方法，提出了太阳能络合催化水制氢的反应装置。生物制氢的原料可以是工业和生活有机废水，通过发酵细菌可以获得氢气，同时净化水质。既能处理有机废水，又保护环境，获得清洁的氢能源，是一条可持续发展的路子。 仍然有很多实际的问题，比如光催化剂的催化原理，怎样生产具有催化活性的反应器及吸光板，如何使电子受体接受电子等还都有待于深人研究。但“氢经济”即将成为必然，而清洁高效的氢气生产技术的工业化必将在远的将来成为现实。有理由相信，人类社会告别化石燃料时代的时间不会太远，基于可再生清洁能源生产和使用技术之上的可持续发展之路，将是一条光明大道。

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氢能源电池的原理是将氢气和氧气发生反应来给汽车供能，最后化成水排放到汽车的外部。

1、污染小：

与传统燃油发动机不同的是，以氢燃料电池作为供能系统的汽车在行驶中不会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物，所以其污染更低，几乎没有什么污染。

2、噪声低：

氢燃料电池汽车在行驶时产生的噪音比较低，所以可以在一定程度上提升驾乘人员的舒适性。

3、效率高：

氢燃料电池的发电效率可以达到50%以上，它可以直接将化学能转化为电能，所以动力传递效率比较高，使汽车的动力更加突出。

因为直接用可再生能源发电导致电网的调峰压力非常大，巨大。弃风弃光弃水问题很严重。储能是提高电网调节能力的最佳手段之一。目前应用最多的是抽水蓄能，其次也有储热、电化学电池、压缩空气的各种技术路线。

本质上电制氢也是储能的一种。在电网下调峰能力不足的时候（即出现弃电的时候），将弃电部分用来制氢，或者在夜间负荷低的时候，用低价电制氢，在需要的时候，不管是发电还是直接燃烧，取用储存的能量。

用氢作为能源发电，两步过程中能量难免会有损失，但是其实仔细琢磨一下，还是可行的，主要是得采用廉价易得的电能来电解之制氢，像大规模的太阳能、风能都是很好的清洁能源。

提高电解制氢的效率后，能量从太阳能转移到氢能源里。由于氢气能量密度大，移动性好，不受天气影响，所以用氢气作为汽车的驱动能源还是很不错的选择，清洁环保。这其中最主要的还是得提高制氢的效率和氢转化为电和动力的效率。

可再生能源制氢的用处

可再生能源制氢有它的优势，采用了可再生能源，以风光水等等可再生能源为载体，以氢气作为一个二次能源的载体，在能源转型中可以和电力互为补充，以实现工业、建筑、电力、交通运输等产业互联。

目前广泛使用的氢源主来自化石燃料、电解水和化工副产氢。此外，生物质制氢、核能制氢和光催化制氢正在研究，还没达到工业化应用的水平。可再生能源制氢只能选择电解水制氢，化石燃料制氢和化工副产氢都是有碳排放的。

1、氢能源燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

2氢能源燃料电池对环境无污染，它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式，最典型的传统后备电源方案，燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

3、氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。

氢能电池是利用氢气制造和储存的。基本原理是电解水的逆反应，分别向阳极和阴极供给氢气和氧气，通过阳极向外扩散反应，通过外部负载到达阴极形成能量并储存。

附:氢能电池优点:

1.无污染:

燃料电池对环境没有污染，主要是通过电化学，而不是燃烧。燃烧后会释放有毒物质，污染大气。燃料电池反应后，只能产生水和热，不会对大气造成污染。如果用可再生能源生产氢气，整个循环就是一个没有有害物质排放的完整过程。

2.无噪音:

与普通电池相比，燃料电池运行更安静，噪音得到优化。氢能电池的噪音相当于人的正常对话水平。这种电池更适合室内使用，或者在噪音有限的室外使用。

3.高效率:

燃料电池的发电效率比较高，正常情况下可以达到50%以上，由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。

氢燃料电池

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

中文名

氢燃料电池

外文名

Hydrogen Fuel Cell

使用元素

氢

原理

电解水的逆反应

适用领域

汽车能源，航天能源等

特点

无污染

燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等），整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

无噪声

燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。

高效率

燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。

区别

干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。