氢能技术知识

七、氢能技术知识

什么是氢能呢？这得从《神秘岛》的预言说起。1870年，法国伟大科幻小说家朱利·凡尔纳在他的著作《神秘岛》中，对氢作为燃料的优点大加赞扬，并预言——氢是未来的能源，是理想的燃料。

如今，智慧的人类将这美好的幻想渐渐地变成现实：氢是登天的云梯；氢是汽车和飞机的替代燃料；氢能发电等等，人类大规模应用氢能的日子到来了。

当年朱利·凡尔纳为什么还说“氢是未来的理想燃料”呢？因为氢具有非同凡响的优点。

我们知道氢是所有元素中最轻的，宇宙中所有元素都与氢有联系，氢是宇宙中的一种基本物质。不少星球都源于氢的变化，太阳中氢约占总体积的80%，氢的燃烧值特别高。如将氢气冷却到252.72℃以下,再加以压力,氢气就不再是气体,而变成无色液体。液态氢燃烧时产生的热量，每千克高达120.8兆焦，是汽油燃烧值的3倍。

氢非常易于燃烧，爆发力强，而且在空气中燃烧的温度极高，可达到2000℃。火焰传播速度极快，比甲烷快4倍。

制造氢的原料非常丰富，除空气中含有氢气外，水也是氢的化合物。在水分子中，氢的重量占11%，而地球是“二山七水一分田”，水是大量存在的。

氢是没有污染、品质最纯洁的燃料。它无色、无臭、无毒，十分纯净，它燃烧后生成水和少量的氯化氢，不产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和铝化物等对人体有害的物质。少量氯化氢稍加处理后也不会污染环境，而且它燃烧后的生成物还是水，水再源源不断地产生氢气，反复循环使用。

氢的储运非常方便，可以气态、液态或固态的金属氢化物形态进行运输和贮存。

正是氢的诸多优点，赢得了人们的青睐。从长远和宏观来看，氢的主要来源是水，以水裂解制氢应是当代高技术的主攻方向。

一是光解海水制氢。20世纪80年代末，国际上出现了光解海水制氢的方法，运用激导MOCVD制膜技术制成的新型金属/半导体/金属氧化物电化学膜，作为海水电解的隔膜，能使海水分离制成氢和氧。

二是热分解水制氢。当水直接加热到很高温度时，如300℃以上，部分水或水蒸气可离解为氢或氧。但这种过程非常复杂，其中最突出的技术问题是高温和高压。较有希望的是利用太阳能聚焦或核反应的热能。

三是硫化氢制氢。这种方法包括气相分解法（干法）和溶液分解法（湿法），能同时获得硫磺和氢气。不过这种方法需600℃的高温和适当的催化剂或经过光照等措施，化害为利、综合利用，也是一种制氢的好方法。

四是生物制氢。利用植物的光合作用制氢和微生物分解有机物制氢，甚至许多原始低等生物（如红极毛杆菌）在新陈代谢过程中也可放出氢气。

开发氢能还有一个技术难题，就是氢气的贮存，它直接影响到氢能的应用。因此，要广泛应用氢能，必须解决好两大技术难题，即制氢技术和贮氢技术。贮存氢气有如下方法：一是加压贮存法。由于氢气的密度比较小，在高压情况下才可用特制的钢瓶贮存，通常需15000千帕的压力。对于固定地点的大量贮氢，可采用加压地下贮氢，如利用密封好的气穴、采空的油田或盐窑等，这样不需贮氢容器而降低费用，是比较经济安全的方法。二是金属氢化物贮氢。为解决贮氢问题，科研人员发现钛、铌、镁、锆等金属和它们的合金，能像海绵吸水一样将氢贮存起来，形成贮氢金属，且根据需要可随时将氢释放出来，这样大大方便了人们对氢气的贮存、运送和使用。

如美国已经有供实验室用的小型“海绵罐”出售。有些贮氢金属，如钛、铁氢化物，利用空气加热放氢，就能使空气本身降温到20℃，因而可以制成不消耗能源的冰箱。

氢气的运输。专家们认为，制氢技术、贮氢技术、运氢技术三者处于同等重要的位置，它们都是人类应用氢能链条上的关键环节。现代科学可以将氢气像运输煤气一样用管道从贮存库运往用氢量最大的消费部门，甚至可以输送给企业中心和近郊的小型发电站。

有些国家已经建成了这种输氢管道。用管道输送氢气的技术比较成熟，但近距离可行，远距离就要在中间增设加压措施，建造就较复杂了。

用车船运输氢气，如用卡车、火车和船都是可以的，但需要特制钢瓶、钢罐装贮。由于这些高压贮氢容器的自身重量较大，所以实际运气量占运输量的比例较小。

氢能的用途：氢用作燃料能源的优点，在对重量特别敏感的航天、航空领域显得格外突出。液态氢燃料巨大的推力，使庞大的火箭载着各种宇宙飞行器升上太空。1989年4月，前苏联一架由图-155运输客机改装的氢能燃料实验飞机试飞成功，人类应用氢能迈出了成功的一步。

1990年，法国展出了一种用氢能运转的5升13兆瓦系列汽车。日本马自达公司试制了氢能汽车，它利用计算机控制氢泵和管道阀门，使氢液温度在发动机点火之前始终保持在253℃，行驶时，时速可达125千米。

氢气还可以制成燃料电池直接发电。燃料电池和氢气与蒸汽联合循环发电，能量转换效率比火力发电站最大效率高出1倍，可达70%～80%，这无疑是非常诱人的一个重要用途。

现在，氢能用于上述各个单项的技术都已实现，一旦廉价制氢技术有所突破，人们的理想就不难实现。《神秘岛》中描绘的氢能世界不再是幻想或海市蜃楼。