求化學(xué)論文一篇 關(guān)于未來能源技術(shù)的

【專家解說】：1前言 石油和天然氣兩種處于自然狀態(tài)的烴類化合物能源具有不可再生性，隨著化石燃料耗量的日益增加，終將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料、儲(chǔ)量豐富的新的能源。氫能 就是這種能源，且氫能的研究同時(shí)還迎合了工業(yè)化國(guó)家日趨嚴(yán)格的環(huán)保政策，因而各國(guó)對(duì)氫能的研究變的日益活躍起來。 氫原子序數(shù)為1，常溫常壓呈氣態(tài)，超低溫、高壓下又可成為液態(tài)。作為能源， 氫有以下特點(diǎn)： 1）氫是構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75％，存儲(chǔ)量大。 2）氫的發(fā)熱值高，是汽油發(fā)熱值的3倍。 3）氫燃燒性好，點(diǎn)燃快，3％－97％范圍內(nèi)均可燃。 4）氫循環(huán)使用性好，燃燒反應(yīng)生成的水可用來制備氫，循環(huán)使用。 5）氫利用形式多，可以產(chǎn)生熱能、可用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫作結(jié)構(gòu)材料。 美國(guó)著名石油專家?？酥Z米迪斯博士預(yù)測(cè)：主宰未來世界的能源將是氫能。 2氫能的主要應(yīng)用領(lǐng)域 2.1二航天 早在M戰(zhàn)期間，氫即用作A－2火箭液體推進(jìn)劑。1970年美國(guó)”阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料。 目前科學(xué)家們正研究一種”固態(tài)氫”宇宙飛船。固態(tài)氫既作為飛船的結(jié)構(gòu)材料，又作為飛船的動(dòng)力燃料，在飛行期間，飛船上所有的非重要零部件都可作為能源消耗掉，飛船就能飛行更長(zhǎng)的時(shí)間。 2.2交通 在超聲速飛機(jī)和遠(yuǎn)程洲際客機(jī)上以氫作動(dòng)力燃料的研究已進(jìn)行多年，目前已進(jìn)人樣機(jī)和試飛階段。據(jù)歐洲空客公司預(yù)測(cè)，到2004年，歐洲生產(chǎn)的飛機(jī)將部分采用液氫為燃料。德國(guó)戴姆勒一奔馳航空航天公司以及俄羅斯航天公司從1996年開始試驗(yàn)，其進(jìn)展證實(shí)，在配備有雙發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣機(jī)中使用液態(tài)氫，其安全性有足夠保證。 美、德、法等國(guó)采用氫化金屬貯氫，而日本則采用液氫作燃料組裝的燃料電池示范汽車，已進(jìn)行了上百萬公里的道路運(yùn)行試驗(yàn)，其經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和安全性均較好。美國(guó)和加拿大計(jì)劃從加拿大西部到東部的大鐵路上采用液氫和液氧為燃料的機(jī)車。 2.3：民用 除了在汽車行業(yè)外，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在民用方面的應(yīng)用也很廣泛。氫能發(fā)電、氫介質(zhì)儲(chǔ)能與輸送，以及氫能空調(diào)、氫能冰箱等，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，有的正在開發(fā)，有的尚在探索中。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)目前也開發(fā)的如火如茶：以PEMFC為能量轉(zhuǎn)換裝置的小型電站系統(tǒng)和以SOFC為主的大型電站等均在開發(fā)中。 2.4：其它 以氫能為原料的燃料電池系統(tǒng)除了在汽車、民用發(fā)電等方面的應(yīng)用外，在軍事方面的應(yīng)用也顯得尤為重要，德國(guó)、美國(guó)均已開發(fā)出了以PEMFC為動(dòng)力系統(tǒng)的核潛艇，該類型潛艇具有續(xù)航能力強(qiáng)，隱蔽性好，無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)的青睞。 3 氫能應(yīng)用的主要問題 3.1：氫氣制備 氫氣能否廣泛使用，制氫工藝是基礎(chǔ)，目前主要的制氫工藝主要包括： 1）采用礦物燃料、核能、太陽能、水能、風(fēng)能及潮汐能等方式電解水制備氫氣是目前的主要研究方向，其中以利用太陽能制氫的研究最多也最有前途； 2）熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫方法是在水反應(yīng)系統(tǒng)中加人中間物，經(jīng)歷不同的反應(yīng)階段，最終將水分解為氫和氧，且中間物不消耗； 3）光化學(xué)制氫是在有光照催化劑作用下，促使水解制得氫氣； 4）礦物燃料制氫是利用化學(xué)方法將礦物中的氫元素提取出來的方法，如煤的焦化、煤的氣化等； 5）生物質(zhì)制氫是在將生物體中的氫元素通過裂解或者氣化的方法提取出來的方法； 6）各種化工過程副產(chǎn)品氫氣的回收，如氯堿工業(yè)、冶金工業(yè)等。水電解制氫、生物質(zhì)制氫等制氫方法，現(xiàn)已形成規(guī)模，其中，低價(jià)電解水制氫方法在今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法，目前應(yīng)用中尚需要降低電耗。 3.2：氫氣一運(yùn)輸 工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中大致有五種貯氫方法，即： (1)常壓貯存，如濕式氣柜、地下儲(chǔ)倉； （2）高壓容器，如鋼制壓力容器和鋼瓶； （3）液氫貯存：采用液氫貯存，就必須先制備液氫，生產(chǎn)液氫一般可采用三種液化循環(huán)，其中帶膨脹機(jī)的循環(huán)效率最高，在大型氫液化裝置上被廣泛采用；節(jié)流循環(huán)，效率不高，但流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，所以在小型氫液化裝置中應(yīng)用較多。氦制冷氫液化循環(huán)消除了高壓氫的危險(xiǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠，但氦制冷系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，故在氫液化中應(yīng)用不多。 （4）金屬氫化物：當(dāng)用貯氫合金制成的容器冷卻和壓人氫時(shí)，氫即被儲(chǔ)存；加熱這一貯存系統(tǒng)或降低其內(nèi)部壓力，氫就會(huì)釋放出來。 目前金屬氫化物合金體系主要有：l）LaNi5系合金；2）MnNi5系合金等；3）TiMn系合金；4）TiMn系合金（ABZ）；5）鎂系合金；6）納米碳等。 （5）除管道輸送外，高壓容器和液氫槽車也是目前工業(yè)上常規(guī)應(yīng)用的氫氣輸送方法。 3.3金屬氫化物貯氫裝置的開發(fā) 在氫的制備和貯存、輸送問題解決后，下一步的研究就是氫化物貯氫裝置的開發(fā)，目前主要包括以下兩類： 3.3.l固定式貯氫裝置 固定式貯氫器其服務(wù)場(chǎng)合多種多樣，容量則以大中型為主。美國(guó)開發(fā)的以TiFe0.9Mn0.1合金為基體中型固定式貯氫器；日本則用MmNi4.5Mn0.5貯氫合金開發(fā)了疊式固定裝置；德國(guó)用TiMn2型多元合金開發(fā)的貯罐是由32個(gè)獨(dú)立貯罐并聯(lián)而成，容量為目前世界上最大的；我國(guó)浙江大學(xué)分別用（MmCaCu）（NiA1）5增壓型貯氫合金、MINi4. 5 Mn0. 5合金分別開發(fā)了兩種固定式裝置。 3.3.2移動(dòng)式貯氫裝置 移動(dòng)式貯氫器除了攜帶運(yùn)輸氫氣外，還可用于燃料電池氫燃料的存儲(chǔ)。作為移動(dòng)式裝置要兼顧貯存與輸送，因此要求重量輕、貯氫量大等問題。其中金屬氫化物貯氫器不需附加設(shè)備（如裂解及凈化系統(tǒng)），安全性高，適于車船方面應(yīng)用；用常溫型合金，質(zhì)量貯能密度與 15 M Pa高壓鋼瓶基本相同，但體積可小得多。如德國(guó)海軍的混合推進(jìn)系統(tǒng)在潛艇，氧以液氧形式貯存，氫則以TIFe合金貯存。 3.4目前工作的方向 在PEMFC已有技術(shù)基礎(chǔ)上，除繼續(xù)加強(qiáng)大功率PEMFC的關(guān)鍵技術(shù)研究外，還應(yīng)注意PEMFC系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)技術(shù)集成，這是PEMFC發(fā)電系統(tǒng)走向?qū)嵱没^程的關(guān)鍵。 在航空領(lǐng)域則要是解決氫能的貯存和生產(chǎn)成本問題，目前的一個(gè)研究趨勢(shì)是開始將傳統(tǒng)的機(jī)翼設(shè)計(jì)成為可以容納更多液態(tài)氫的新型構(gòu)造。 在汽車領(lǐng)域的問題主要是存在貯氫密度小和成本高兩大障礙：以儲(chǔ)氫合金貯氫為動(dòng)力的汽車連續(xù)行駛的路程受限制，而以液氫為動(dòng)力的主要是由于液氫供應(yīng)系統(tǒng)費(fèi)用過高而受到限制。 氫在航天動(dòng)力方面已廣泛應(yīng)用，例如大容量鎳氫電池等，但氫能的大規(guī)模的應(yīng)用還有待解決以下關(guān)鍵問題：l）廉價(jià)的制氫技術(shù)；2）安全可靠的貯氫和輸氫方法。 4 未來氫能經(jīng)濟(jì)社會(huì)的特色 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和氫能系統(tǒng)技術(shù)的全面進(jìn)展，氫能應(yīng)用范圍必將不斷擴(kuò)大，氫能將深人到人類活動(dòng)的各個(gè)方面，因而我們可以勾勒出未來氫能經(jīng)濟(jì)社會(huì)的一副大致圖畫： l）、化石能源（石油、煤炭、天然氣）封存，留作化工原料； 2）、建立居家小型電站，取消遠(yuǎn)距離高壓輸電，通過管道網(wǎng)，送氫氣至千家萬戶。 3）、各種類型空氣一氫燃料電池成為普遍采用的發(fā)電工具。 4）、取締內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力，汽車、火車、飛機(jī)改用燃料電池，消滅了一切能源污染隱患和內(nèi)燃機(jī)車噪音源。 5）、每個(gè)城市和家庭有能源供應(yīng)和回收的完善循環(huán)系統(tǒng)。 6）取消火力發(fā)電，核電站、水利發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站、潮汐發(fā)電完成正常的電力供應(yīng)后，剩余電力用于電解水制氫，作為儲(chǔ)備能源。 5 我國(guó)發(fā)展氫能的對(duì)策 氫能的研究和應(yīng)用是歷史不可逆轉(zhuǎn)的潮流，各國(guó)政府目前均對(duì)此展開了大量的研究，我國(guó)在這方面也投入了不少的人力、物力、財(cái)力，并取得了一定的成果，但我們也應(yīng)該看到目前我們與工業(yè)化國(guó)家的差距，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情制定相應(yīng)的氫能發(fā)展戰(zhàn)略，個(gè)人認(rèn)為應(yīng)包括以下的幾點(diǎn)： (1)電解水制氫是獲取氫源的重要途徑，目前因耗電量大、電價(jià)高導(dǎo)至氫氣成本高，推廣使用受到限制，開發(fā)新型電解水制氫工藝，降低能耗也是一個(gè)重要的議題。 (2)各種新的制氫方法如從HZS制氫、從生物質(zhì)制氫及用熱化學(xué)法水分解制氫以及化工產(chǎn)品中副產(chǎn)品氫氣的回收等應(yīng)予以重視； (3)儲(chǔ)氫材料的研究國(guó)內(nèi)進(jìn)行了較多的研究，但是目前很少有實(shí)用化的報(bào)道，因而開展科技成果的轉(zhuǎn)化以及新型儲(chǔ)氫和輸氫裝置的研究也尤為重要； (4)氫能未來應(yīng)用的主要領(lǐng)域還是在燃料電池方面，我國(guó)開展這方面的研究也已經(jīng)有一定基礎(chǔ)，但主要是集中在研究燃料電池組件方面，對(duì)于系統(tǒng)集成等研究報(bào)道不多，同時(shí)由于資金和技術(shù)方面等因素，目前與國(guó)外還是有較大的差距，因而應(yīng)加大投資力度，迎頭趕上。 (5)氫能開發(fā)最有前景的方式是與太陽能結(jié)合，因而對(duì)于太陽能電池系統(tǒng)及材料的研究也應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。 6結(jié)語 就環(huán)境保護(hù)和市場(chǎng)需求而言，潔凈和成本是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，光有潔凈而成本過高就沒有市場(chǎng)，因而目前降低氫能的利用成本成為當(dāng)務(wù)之急，各工業(yè)化國(guó)家對(duì)這方面的研究都十分重視，其中美國(guó)政府決定今后五年為開發(fā)氫能撥款 17億美元，力爭(zhēng)到 2040年以前使每天的石油消耗量減少 1100萬桶。世界上40家重要的汽車廠商中，已有25家決定考慮采用氫能，以適應(yīng)日益嚴(yán)格的環(huán)保政策。因而雖然目前困難重重，但在不久的將來我們可以預(yù)見氫能的利用一定能夠走進(jìn)我們生活的方方面面。