未来的能源——氢能
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,人类对氢能应用自200年前就产生了兴趣,到20世纪70年代以来,世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究.
氢能利用方面很多,有的已经实现,有的人们正在努力追求.为了达到清洁新能源的目标,氢的利用将充满人类生活的方方面面,我们不妨从古到今,把氢能的主要用途简要叙述一下.
依靠氢能可上天
古代,秦始皇统一中国,他想长生不老,曾积极支持炼丹术.其实炼丹术士最早接触的就是氢的金属化合物.无奈多少帝王梦想长生不老,或幻想遨游太空,都受当时的科学技术水平所限,真是登天无梯.到后来,1869年俄国著名学者门捷列夫整理出化学元素周期表,他把氢元素放在周期表的首位,此后从氢出发,寻找与氢元素之间的关系,为众多的元素打下了基础,人们则氢的研究和利用也就更科学化了.至1928年,德国齐柏林公司利用氢的巨大浮力,制造了世界上第一艘“LZ—127齐柏林”号飞艇,首次把人们从德国运送到南美洲,实现了空中飞渡大西洋的航程.大约经过了十年的运行,航程16万多公里,使1.3万人领受了上天的滋味,这是氢气的奇迹.
然而,更先进的是本世纪50年代,美国利用液氢作超音速和亚音速飞机的燃料,使B57双引擎辍炸机改装了氢发动机,实现了氢能飞机上天.特别是1957前苏联宇航员加加林乘坐人造地球卫星遨游太空和1963年美国的宇宙飞船上天,紧接着1968年阿波罗号飞船实现了人类首次登上月球的创举.这一切都依靠着氢燃料的功劳.面向科学的21世纪,先进的高速远程氢能飞机和宇航飞船,商业运营的日子已为时不远.过去帝王的梦想将被现代的人们实现.
利用氢能可开车.
以氢气代替汽油作汽车发动机的燃料,已经过日本、美国、德国等许多汽世公司的试验,技术是可行的,目前主要是廉价氢的来源问题.氢是一种高效燃料,每公斤氢燃烧所产生的能量为33.6千瓦小时,几乎等于汽车燃烧的2.8倍.氢气燃烧不仅热值高,而且火焰传播速度快,点火能量低（容易点着）,所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20％.当然,氢的燃烧主要生成物是水,只有极少的氮氧化物,绝对没有汽油燃烧时产生的一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等污染环境的有害成分.氢能汽车是最清洁的理想交通工具.
氢能汽车的供氢问题,目前将以金属氢化物为贮氢材料,释放氢气所需的热可由发动机冷却水和尾气余热提供.现在有两种氢能汽车,一种是全烧氢汽车,另一种为氢气与汽油混烧的掺氢汽车.掺氢汽车的发动机只要稍加改变或不改变,即可提高燃料利用率和减轻尾气污染.使用掺氢5％左右的汽车,平均热效率可提高15％,节约汽油30％左右.因此,近期多使用掺氢汽车,待氢气可以大量供应后,再推广全燃氢汽车.德国奔驰汽车公司已陆续推出各种燃氢汽车,其中有面包车、公共汽车、邮政车和小轿车.以燃氢面包车为例,使用200公斤钛铁合金氢化物为燃料箱,代替65升汽油箱,可连续行车130多公里.德国奔驰公司制造的掺氢汽车,可在高速公路上行驶,车上使用的储氢箱也是钛铁合金氢化物.
掺氢汽车的特点是汽油和氢气的混合燃料可以在稀薄的贫油区工作,能改善整个发动机的燃烧状况.在中国许当城市交通拥挤,汽车发动机多处于部分负荷下运行、采用掺氢汽车尤为有利.特别是有些工业余氢（如合成氨生产）未能回收利用,若作为掺氢燃料,其经济效益和环境效益都是可取的.
燃烧氢气能发电.
大型电站,无论是水电、火电或核电,都是把发出的电送往电网,由电网输送给用户.但是各种用电户的负荷不同,电网有时是高峰,有时是低谷.为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站,氢能发电就最适合抢演这个角色.利用氢气和氧气燃烧,组成氢氧发电机组.这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机,它不需要复杂的蒸汽锅炉系统,因此结构简单,维修方便,启动迅速,要开即开,欲停即停.在电网低负荷的,还可吸收多余的电来进行电解水,生产氢和氧,以备高峰时发电用.这种调节作用对于用网运行是有利的.另外,氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况,提高电站的发电能力.例如氢氧燃烧组成磁流体发电,利用液氢冷却发电装置,进而提高机组功率等.
更新的氢能发电方式是氢燃料电池.这是利用氢和氧（成空气）直接经过电化学反应而产生电能的装置.换言之,也是水电解槽产生氢和氧的逆反应.70年代以来,日美等国加紧研究各种燃料电池,现已进入商业性开发,日本已建立万千瓦级燃料电池发电站,美国有30多家厂商在开发燃料电池.德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究,这种新型的发电方式已引起世界的关注.
燃料电池的简单原最巧是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,能源转换效率可达60%—80%,而且污染少,噪声小,装置可大可小,非常灵活.最早,这种发电装置很小,造价很高,主要用于宇航作电源.现在已大幅度降价,逐步转向地面应用.目前,燃料电池的种类很多,主要有以下几种：
磷酸盐型燃料电池.
磷酸盐型燃料电池是最早的一类燃料电池,工艺流程基本成熟,美国和日本已分别建成4500千瓦及11 000千瓦的商用电站.这种燃料电池的操作温度为200℃,最大电流密度可达到150毫安/平方厘米,发电效率约45％,燃料以氢、甲醇等为宜,氧化剂用空气,但催化剂为铂系列,目前发电成本尚高,每千瓦小时约40～50美分.
融熔碳酸盐型燃料电池.
融熔碳酸盐型燃料电池一般称为第二代燃料电池,其运行温度650℃左右,发电效率约55％,日本三菱公司已建成10千瓦级的发电装置.这种燃料电池的电解质是液态的,由于工作温度高,可以承受一氧化碳的存在,燃料可用氢、一氧化碳、天然气等均可.氧化剂用空气.发电成本每千瓦小时可低于40美分.
固体氧化物型燃料电池.
固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池,其操作温度1000℃左右,发电效率可超过60%,目前不少国家在研究,它适于建造大型发电站,美国西屋公司正在进行开发,可望发电成本每千瓦小时低于20美分.
此外,还有几种类型的燃料电池,如碱性燃料电池,运行温度约200℃,发电效率也可高达60%,且不用贵金属作催化剂,瑞典已开发200千瓦的一个装置用于潜艇.美国最早用于阿波罗飞船的一种小型燃料电池称为美国型,实为离子交换膜燃料电池,它的发电效率高达75%,运行温度低于100℃,但是必需以纯氧作氧化剂.后来,美国又研制一种用于氢能汽车的燃料电池,充一次氢可行300公里,时速可达100公里,这是一种可逆式质子交换膜燃料电池,发电效率最高达80％.
燃料电池理想的燃料是氢气,因为它是电解制氢的逆反应.燃料电池的主要用途除建立固定电站外,特别适合作移动电源和车船的动力,因此也是今后氢能利用的孪生兄弟.
家庭用氢真方便.
随着制氢技术的发展和化石能源的缺少,氢能利用迟早将进入家庭,首先是发达的大城市,它可以像输送城市煤气一样,通过氢气管道送往千家万户.每个用户则采用金属氢化物贮罐将氢气贮存,然后分别接通厨房灶具、浴室、氢气冰箱、空调机等等,并且在车库内与汽车充氢设备连接.人们的生活靠一条氢能管道,可以代替煤气、暖气甚至电力管线,连汽车的加油站也省掉了.这样清洁方便的氢能系统,将给人们创造舒适的生活环境,减轻许多繁杂事务
氢能在工业领域(如切割,焊接),巳有非常长的历史. 特别是在首饰加工行业, 有机玻璃制品火焰抛光, 连铸坯切割,制药厂水针剂拉丝封口等领域的应用非常普及.
