怎樣有氫能源

【專家解說】：氫能源的開發(fā)與利用 當今世界開發(fā)新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然氣、煤，均屬不可再生資源，地球上存量有限，而人類生存又時刻離不開能源，所以必須尋找新的能源。 氫能是一種二次能源，它是通過一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采、幾乎完全依靠化石燃料。隨著石化燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的儲量豐富的新的含能體能源。氫正是這樣一種在常規(guī)能源危機的出現(xiàn)和開發(fā)新的二次能源的同時，人們期待的新的二次能源。 氫位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1，常溫常壓下為氣態(tài)，超低溫高壓下為液態(tài)。作為一種理想的新的合能體能源，它具有以下特點: l、重量最輕的元素。標準狀態(tài)下，密度為 0.8999g/l，-252.7℃時，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個大氣壓，液氫可變?yōu)榻饘贇洹? 2、導熱性最好的氣體，比大多數(shù)氣體的導熱系數(shù)高出10倍。 3、自然界存在最普遍的元素。據(jù)估計它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的 75%，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。 4、除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142,351kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍。 5、燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快。 6、無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔滁生成水和少量氮化氫外不會產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過適當處理也不會污染環(huán)境，且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用。產(chǎn)物水無腐蝕性，對設備無損。 7、利用形式多。既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機中產(chǎn)生機械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。 8、可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求。 9、可以取消遠距離高壓輸電，代以遠近距離管道輸氫，安全性相對提高，能源無效損耗減小。 10、氫取消了內(nèi)燃機噪聲源和能源污染隱患，利用率高。 11、氫可以減輕燃料自重，可以增加運載工具有效載荷，這樣可以降低運輸成本從全程效益考慮社會總效益優(yōu)于其他能源。 時至今日，氫能的利用已有長足進步。自從1965年美國開始研制液氫發(fā)動機以來，相繼研制成功了各種類型的噴氣式和火箭式發(fā)動機。美國的航天飛機已成功使用液氫做燃料。我國長征2號、3號也使用液氫做燃料。利用液氫代替柴油，用于鐵路機車或一般汽車的研制也十分活躍。氫汽車靠氫燃料、氫燃料電池運行也是溝通電力系統(tǒng)和氫能體系的重要手段。 目前，世界各國正在研究如何能大量而廉價的生產(chǎn)氫。利用太陽能來分解水是一個主要研究方向，在光的作用下將水分解成氫氣和氧氣，關鍵在于找到一種合適的催化劑。如今世界上有50多個實驗室在進行研究，至今尚未有重大突破，但它蘊育著廣闊的前景。 發(fā)展氫能源，將為建立一個美好、無污染的新世界邁出重要一步。 在眾多的新能源中，氫能將會成為21世紀最理想的能源。這是因為，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產(chǎn)生的能量最多，而且它燃燒的產(chǎn)物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環(huán)境;而煤和石油燃燒生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分別產(chǎn)生溫室效應和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產(chǎn)物也是水，可源源不斷地產(chǎn)生氫氣，永遠不會用完。 氫是一種無色的氣體。燃燒一克氫能釋放出142千焦爾的熱量，是汽油發(fā)熱量的3倍。氫的重量特別輕，它比汽油、天然氣、煤油都輕多了，因而攜帶、運送方便，是航天、航空等高速飛行交通工具最合適的燃料。氫在氧氣里能夠燃燒，氫氣火焰的溫度可高達2500℃，因而人們常用氫氣切割或者焊接鋼鐵材料。 在大自然中，氫的分布很廣泛。水就是氫的大“倉庫”，其中含有11%的氫。泥土里約有1.5%的氫;石油、煤炭、天然氣、動植物體內(nèi)等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70%為水所覆蓋，儲水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法從水中制取氫，那么氫也將是一種價格相當便宜的能源。 氫的用途很廣，適用性強。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學能、熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的功能。例如，儲氫金屬具有吸氫放熱和吸熱放氫的本領，可將熱量儲存起來，作為房間內(nèi)取暖和空調(diào)使用。 氫作為氣體燃料，首先被應用在汽車上。1976年5月，美國研制出一種以氫作燃料的汽車;后來，日本也研制成功一種以液態(tài)氫為燃料的汽車;70年代末期，前聯(lián)邦德國的奔馳汽車公司已對氫氣進行了試驗，他們僅用了五千克氫，就使汽車行駛了110公里。 用氫作為汽車燃料，不僅干凈，在低溫下容易發(fā)動，而且對發(fā)動機的腐蝕作用小，可延長發(fā)動機的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現(xiàn)有汽車的構(gòu)造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4%的氫氣。用它作為汽車發(fā)動機燃料，就可節(jié)油40%，而且無需對汽油發(fā)動機作多大的改進。 氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵罐車、公路拖車或者輪船運輸都很方便。液態(tài)的氫既可用作汽車、飛機的燃料，也可用作火箭、導彈的燃料。美國飛往月球的“阿波羅”號宇宙飛船和我國發(fā)射人造衛(wèi)星的長征運載火箭，都是用液態(tài)氫作燃料的。 另外，使用氫-氫燃料電池還可以把氫能直接轉(zhuǎn)化成電能，使氫能的利用更為方便。目前，這種燃料電池已在宇宙飛船和潛水艇上得到使用，效果不錯。當然，由于成本較高，一時還難以普遍使用。 現(xiàn)在世界上氫的年產(chǎn)量約為3600萬噸，其中絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取的，這就得消耗本來就很緊缺的礦物燃料;另有4%的氫是用電解水的方法制取的，但消耗的電能太多，很不劃算，因此，人們正在積極探索研究制氫新方法。 隨著太陽能研究和利用的發(fā)展，人們已開始利用陽光分解水來制取氫氣。在水中放入催化劑，在陽光照射下，催化劑便能激發(fā)光化學反應，把水分解成氫和氧。例如，二氧化鈦和某些含釕的化合物，就是較適用的光水解催化劑。人們預計，一旦當更有效的催化劑問世時，水中取“火”--制氫就成為可能，到那時，人們只要在汽車、飛機等油箱中裝滿水，再加入光水解催化劑，那么，在陽光照射下，水便能不斷地分解出氫，成為發(fā)動機的能源。 本世紀70年代，人們用半導體材料鈦酸鍶作光電極，金屬鉑作暗電極，將它們連在一起，然后放入水里，通過陽光的照射，就在鉑電極上釋放出氫氣，而在鈦酸鍶電極上釋放出氧氣，這就是我們通常所說的光電解水制取氫氣法。 科學家們還發(fā)現(xiàn)，一些微生物也能在陽光作用下制取氫。人們利用在光合作用下可以釋放氫的微生物，通過氫化酶誘發(fā)電子，把水里的氫離子結(jié)合起來，生成氫氣。前蘇聯(lián)的科學家們已在湖沼里發(fā)現(xiàn)了這樣的微生物，他們把這種微生物放在適合它生存的特殊器皿里，然后將微生物產(chǎn)生出來的氫氣收集在氫氣瓶里。這種微生物含有大量的蛋白質(zhì)，除了能放出氫氣外，還可以用于制藥和生產(chǎn)維生素，以及用它作牧畜和家禽的飼料?，F(xiàn)在，人們正在設法培養(yǎng)能高效產(chǎn)氫的這類微生物，以適應開發(fā)利用新能源的需要。 引人注意的是，許多原始的低等生物在新陳代謝的過程中也可放出氫氣。例如，許多細菌可在一定條件下放出氫。日本已找到一種叫做“紅鞭毛桿菌”的細菌，就是個制氫的能手。在玻璃器皿內(nèi)，以淀粉作原料，摻入一些其他營養(yǎng)素制成的培養(yǎng)液就可培養(yǎng)出這種細菌，這時，在玻璃器皿內(nèi)便會產(chǎn)生出氫氣。這種細菌制氫的效能頗高，每消耗五毫升的淀粉營養(yǎng)液，就可產(chǎn)生出25毫升的氫氣。 美國宇航部門準備把一種光合細菌--紅螺菌帶到太空中去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。這種細菌的生長與繁殖很快，而且培養(yǎng)方法簡單易行，既可在農(nóng)副產(chǎn)品廢水廢渣中培養(yǎng)，也可以在乳制品加工廠的垃圾中培育。 對于制取氫氣，有人提出了一個大膽的設想:將來建造一些為電解水制取氫氣的專用核電站。譬如，建造一些人工海島，把核電站建在這些海島上，電解用水和冷卻用水均取自海水。由于海島遠離居民區(qū)，所以既安全，又經(jīng)濟。制取的氫和氧，用鋪設在水下的通氣管道輸入陸地，以便供人們隨時使用。