未來的能源-氫能

1、未來的能源氫能氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，人類對氫能?yīng)用 自200年前就產(chǎn)生了興趣，到20世紀(jì)70年代以來，世界上許多國家 和地區(qū)就廣泛開展了氫能研究。氫能利用方面很多，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，有的人們正在努力追求。為 了達(dá)到清潔新能源的目標(biāo)，氫的利用將充滿人類生活的方方面面，我 們不妨從古到今，把氫能的主要用途簡要敘述一下。依靠氫能可上天古代，秦始皇統(tǒng)一中國，他想長生不老，曾積極支持煉丹術(shù)。其 實(shí)煉丹術(shù)士最早接觸的就是氫的金屬化合物。無奈多少帝王夢想長生 不老，或幻想遨游太空，都受當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)水平所限，真是登天無 梯。到后來，1869年俄國著名學(xué)者門捷列夫整理出化學(xué)元素周期表， 他把氫

2、元素放在周期表的首位，此后從氫出發(fā)，尋找與氫元素之間的 關(guān)系，為眾多的元素打下了基礎(chǔ)，人們則氫的研究和利用也就更科學(xué) 化了。至1928年，德國齊柏林公司利用氫的巨大浮力，制造了世界 上第一艘“LZ127齊柏林”號飛艇，首次把人們從德國運(yùn)送到南美 洲，實(shí)現(xiàn)了空中飛渡大西洋的航程。大約經(jīng)過了十年的運(yùn)行，航程 16萬多公里，使1.3萬人領(lǐng)受了上天的滋味，這是氫氣的奇跡。然而，更先進(jìn)的是本世紀(jì)50年代，美國利用液氫作超音速和亞 音速飛機(jī)的燃料，使B57雙引擎輟炸機(jī)改裝了氫發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氫能 飛機(jī)上天。特別是1957前蘇聯(lián)宇航員加加林乘坐人造地球衛(wèi)星遨游 太空和1963年美國的宇宙飛船上天，緊接著196

3、8年阿波羅號飛船實(shí) 現(xiàn)了人類首次登上月球的創(chuàng)舉。這一切都依靠著氫燃料的功勞。面向 科學(xué)的21世紀(jì)，先進(jìn)的高速遠(yuǎn)程氫能飛機(jī)和宇航飛船，商業(yè)運(yùn)營的 日子已為時不遠(yuǎn)。過去帝王的夢想將被現(xiàn)代的人們實(shí)現(xiàn)。利用氫能可開車。以氫氣代替汽油作汽車發(fā)動機(jī)的燃料，已經(jīng)過日本、美國、德國 等許多汽世公司的試驗(yàn)，技術(shù)是可行的，目前主要是廉價氫的來源問 題。氫是一種高效燃料，每公斤氫燃燒所產(chǎn)生的能量為33.6千瓦小 時，幾乎等于汽車燃燒的2.8倍。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)?播速度快，點(diǎn)火能量低（容易點(diǎn)著），所以氫能汽車比汽油汽車總的 燃料利用效率可高20%。當(dāng)然，氫的燃燒主要生成物是水，只有極 少的氮氧化物，絕對

4、沒有汽油燃燒時產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳和二 氧化硫等污染環(huán)境的有害成分。氫能汽車是最清潔的理想交通工具。氫能汽車的供氫問題，目前將以金屬氫化物為貯氫材料，釋放氫 氣所需的熱可由發(fā)動機(jī)冷卻水和尾氣余熱提供?，F(xiàn)在有兩種氫能汽 車，一種是全燒氫汽車，另一種為氫氣與汽油混燒的摻氫汽車摻氫 汽車的發(fā)動機(jī)只要稍加改變或不改變，即可提高燃料利用率和減輕尾 氣污染。使用摻氫5%左右的汽車，平均熱效率可提高15%，節(jié)約汽 油30%左右。因此，近期多使用摻氫汽車，待氫氣可以大量供應(yīng)后， 再推廣全燃?xì)淦?。德國奔馳汽車公司已陸續(xù)推出各種燃?xì)淦?，?中有面包車、公共汽車、郵政車和小轎車。以燃?xì)涿姘嚍槔?，使?20

5、0公斤鈦鐵合金氫化物為燃料箱，代替65升汽油箱，可連續(xù)行車 130多公里。德國奔馳公司制造的摻氫汽車，可在高速公路上行駛，車上使用的儲氫箱也是鈦鐵合金氫化物。摻氫汽車的特點(diǎn)是汽油和氫氣的混合燃料可以在稀薄的貧油區(qū) 工作，能改善整個發(fā)動機(jī)的燃燒狀況。在中國許當(dāng)城市交通擁擠，汽 車發(fā)動機(jī)多處于部分負(fù)荷下運(yùn)行、采用摻氫汽車尤為有利。特別是有 些工業(yè)余氫（如合成氨生產(chǎn)）未能回收利用，若作為摻氫燃料，其經(jīng) 濟(jì)效益和環(huán)境效益都是可取的。燃燒氫氣能發(fā)電。大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發(fā)出的電送彳主電網(wǎng)， 由電網(wǎng)輸送給用戶。但是各種用電戶的負(fù)荷不同，電網(wǎng)有時是高峰， 有時是低谷。為了調(diào)節(jié)峰荷、電網(wǎng)中

6、常需要啟動快和比較靈活的發(fā)電 站，氫能發(fā)電就最適合搶演這個角色。利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫 氧發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組是火箭型內(nèi)燃發(fā)動機(jī)配以發(fā)電機(jī)，它不需要復(fù) 雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，啟動迅速，要開即開， 欲停即停。在電網(wǎng)低負(fù)荷的，還可吸收多余的電來進(jìn)行電解水，生產(chǎn) 氫和氧，以備高峰時發(fā)電用。這種調(diào)節(jié)作用對于用網(wǎng)運(yùn)行是有利的。 另外，氫和氧還可直接改變常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，提高電站 的發(fā)電能力。例如氫氧燃燒組成磁流體發(fā)電，利用液氫冷卻發(fā)電裝置， 進(jìn)而提高機(jī)組功率等。更新的氫能發(fā)電方式是氫燃料電池。這是利用氫和氧（成空氣） 直接經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。換言之，也是水電解

7、槽產(chǎn)生 氫和氧的逆反應(yīng)。70年代以來，日美等國加緊研究各種燃料電池， 現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)性開發(fā)，日本已建立萬千瓦級燃料電池發(fā)電站，美國有30多家廠商在開發(fā)燃料電池。德、英、法、荷、丹、意和奧地利等 國也有20多家公司投入了燃料電池的研究，這種新型的發(fā)電方式已 引起世界的關(guān)注。燃料電池的簡單原最巧是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能不需 要進(jìn)行燃燒，能源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%80%，而且污染少，噪聲小， 裝置可大可小，非常靈活。最早，這種發(fā)電裝置很小，造價很高，主 要用于宇航作電源?，F(xiàn)在已大幅度降價，逐步轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。目前， 燃料電池的種類很多，主要有以下幾種：磷酸鹽型燃料電池。磷酸鹽型燃料電池是最早的一類燃料

8、電池，工藝流程基本成熟， 美國和日本已分別建成4500千瓦及11 000千瓦的商用電站。這種燃 料電池的操作溫度為200C，最大電流密度可達(dá)到150毫安/平方厘 米，發(fā)電效率約45%，燃料以氫、甲醇等為宜，氧化劑用空氣，但 催化劑為鉑系列，目前發(fā)電成本尚高，每千瓦小時約4050美分。融熔碳酸鹽型燃料電池。融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱為第二代燃料電池，其運(yùn)行溫度 650C左右，發(fā)電效率約55%，日本三菱公司已建成10千瓦級的發(fā) 電裝置。這種燃料電池的電解質(zhì)是液態(tài)的，由于工作溫度高，可以承 受一氧化碳的存在，燃料可用氫、一氧化碳、天然氣等均可。氧化劑 用空氣。發(fā)電成本每千瓦小時可低于40美分。固體氧

9、化物型燃料電池。固體氧化物型燃料電池被認(rèn)為是第三代燃料電池，其操作溫度 1000C左右，發(fā)電效率可超過60%,目前不少國家在研究，它適于建 造大型發(fā)電站，美國西屋公司正在進(jìn)行開發(fā)，可望發(fā)電成本每千瓦小 時低于20美分。此外，還有幾種類型的燃料電池，如堿性燃料電池，運(yùn)行溫度約 200C，發(fā)電效率也可高達(dá)60%，且不用貴金屬作催化劑，瑞典已開 發(fā)200千瓦的一個裝置用于潛艇。美國最早用于阿波羅飛船的一種小 型燃料電池稱為美國型，實(shí)為離子交換膜燃料電池，它的發(fā)電效率高 達(dá)75%，運(yùn)行溫度低于100C，但是必需以純氧作氧化劑。后來，美 國又研制一種用于氫能汽車的燃料電池，充一次氫可行300公里，時 速可達(dá)100公里，這是一種可逆式質(zhì)子交換膜燃料電池，發(fā)電效率最 高達(dá)80%。燃料電池理想的燃料是氫氣，因?yàn)樗请娊庵茪涞哪娣磻?yīng)。燃料 電池的主要用途除建立固定電站外，特別適合作移動電源和車船的動 力，因此也是今后氫能利用的孿生兄弟。家庭用氫真方便。隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用遲早將進(jìn)入家 庭，首先是發(fā)達(dá)的大城市，它可以像輸送城市煤氣一樣，通過氫氣管 道送彳主千家萬戶。每個用戶則采用金屬氫化物貯罐將氫氣貯存，然后 分別接通廚房灶具、浴室、氫氣冰箱、空調(diào)機(jī)等等，并且在車庫內(nèi)與 汽車充氫設(shè)備連接。人們的生活靠一條氫能管道，可以