氢能

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氢能(Hydrogenic energy)

目录

什么是氢能[1]

  氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中所释放的能量。

氢能的概述[2]

  人们发现氢已有400多年的历史了。400多年前,瑞士科学家巴拉塞尔斯把铁片放进硫酸中,发现放出许多气泡,可是当时人们并不认识这种气体。1766年,英国化学家亨利·卡文迪什对这种气体产生了兴趣,发现它非常轻,只有同体积空气质量的6.%,并能在空气中燃烧成水。到1777年,法国化学家拉瓦锡经过详细研究,才真正把这种物质取名为氢。

  1869年,俄国著名学者门捷列夫根据地球中各种化学元素的性质,整理出化学元素周期表,并将氢元素排在了第一周期的第一位置。此后,从氢出发,寻找其他元素与氢元素之间的关系,为众多元素的发现打下了基础,人们对氢的研究和利用也就更科学化了。

  美国化学家尤里在1932年发现氢的一种同位素,它被命名为“氘”。氘的原子核中由一个质子和一个中子构成。1934年,卢瑟福预言氢存在着另一种同位素“三重氢”。同年,他与其他物理学家在静电加速器上用氘核轰击固态氘靶,发现了氢元素的聚变现象,并制得了氚。

氢能的特点[3]

  (1)氢是元素周期表中的第一号元素。在所有元素中,氢原子结构最简单,它由一个带正电的原子核和一个核外电子组成。

  (2)在所有气体中,氢气的导热性最好,比大多数气体的热导率高出10倍,因此在能源工业中,氢是最好的传热载体。

  (3)来源广。自然界存在的氕,其丰度约为氢总量的99.98%。地球上的水储量为2×1018t,是氢取之不尽、用之不竭的重要源泉。

  (4)除核燃料外,氢的发热值为1.4×105埘/kg,是汽油发热值的3倍,是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。

  (5)氢燃烧性能好,点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点低,燃烧速度快。

  (6)清洁。氢本身无色无味无毒,燃烧生成水,对大气无污染,并可循环使用。(7)氢能利用形式多,氢能的利用既包括氢与氧燃烧所放出的热能、在热力发动机中产生的机械功,又包括氢与氧发生电化学反应用于燃料电池直接获得的电能。氢还可以转换成固态氢,用作结构材料。用氢代替煤和石油,不需对现有的技术设备做重大的改造,将现在的内燃机稍加改装即可使用。

  (8)氢能存储方式多样,可以气态、液态或固态的形式出现,能满足储运及各种应用环境的不同要求。

  (9)环保性能好。与其他燃料相比,氢燃烧时清洁,不会对环境排放温室气体,除生成水和少量氮化氢外,不会产生诸如CO、COz、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质。

  (10)潜在的经济效益高。目前,氢的主要来源是石油产品的提炼、煤的气化和水的分解等,成本比较高。今后通过利用太阳能等能源大量制氢,氢的成本会进一步降低,使制氢的价格与化石燃料的价格相匹配。

氢能的用途[4]

  氢能主要应用于以下领域。

  1.航天

  早在“二战”期间,氢即用做A一2火箭的液体推进剂。1970年美国“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。目前科学家们正在研究一种“固态氢”宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料,又作为飞船的动力燃料,在飞行期间,飞船上所有的非重要零部件都可作为能源消耗掉,这样飞船就能飞行更长的时间。

  2.交通

  在超音速飞机和洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年,目前已进入样机和试飞阶段。德国戴姆勒一奔驰航空航天公司以及俄罗斯航天公司从1996年开始试验,其进展情况证实,在配备有双发动机的喷气式飞机中使用液态氢,其安全性是有足够保证的。美、德、法等国采用氢化金属储氢,而日本则采用液氢作燃料组装燃料电池示范汽车,已进行了上百万千米的道路运行试验,其经济性、适应性和安全性均较好。美国和加拿大计划在加拿大西部到东部的大铁路上采用以液氢和液氧为燃料的机车。

  3.民用

  除了汽车行业外,燃料电池发电系统在民用方面的应用也很广泛。氢能发电、氢介质储能与输送,以及氢能空调、氢能冰箱等,有的已经实现,有的正在开发,有的尚在探索中。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为能量转换装置的小型电站系统和以固体氧化物燃料电池(SOFC)为主的大型电站等均在开发中。

  4.其他

  以氢能为原料的燃料电池系统除了在汽车、民用发电等方面的应用外,在军事方面的应用也显得尤为重要,德国、美国均已开发出了以PEMFC为动力系统的潜艇,该类型潜艇具有续航能力强、隐蔽性好、无噪声等优点,受到各国的青睐。

氢的制取及其开发

  1、从化石燃料中制氢

  这是过去及目前采用最多的方法。它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作原料来制取氢气的基本反应过程为:C+H20--CO+H2.

  用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢化学反应为:CH4+H2 +3H2+CO 上述反应均为吸热反应,反应过程中所需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧中获得,也可利用外部热源。自从天然气大规模开采后,现在氢的制取有96%都是以天然气为原料。天然气和煤都是宝贵的燃料和化工原料,用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖。

  2、电解水制氢

  这种方法是基于如下的氢氧可逆反应:H2+1/202一n20+△Q 分解水所需要的能量△p是由外加电能提供的。为了提高制氢效率,电解通常在高压下进行,采用的压力多为3.0~5.0 MPa。目前电解效率约为50% ~70%。由于电解水的效率不高且需消耗大量的电能,因此利用常规能源生产的电能来大规模电解水制氢显然是不合算的。

  3、热化学制氢

  这种方法是通过外加高温高热使水起化学分解反应来获取氢气。到目前为止虽有多种热化学制氢方法,但总效率都不高,仅为20% ~50%,而且还有许多工艺问题需要解决。随着新能源的崛起,以水作为原料利用核能和太阳能来大规模制

  氢已成为世界各国共同努力的目标。其中太阳能制氢最具吸引力,也最有现实意义。目前正在探索的太阳能制氢技术有以下几种:

  (1)太阳热分解水制氢

  热分解水制氢有两种方法,即直接热分解和热化学分解。前者需要把水或蒸汽加热到3000 K以上,水中的氢和氧才能够分解,虽然其分解效率高,不需催化剂,但太阳能聚焦费用太昂贵。后者是在水中加入催化剂,使水中氢和氧的分解温度降低到9O0二1200 K,催化剂可再生后循环使用,目前这种方法的制氢效率已达50%。

  (2)太阳能电解水制氢

  这种方法是首先将太阳能转换成电能,然后再利用电能来电解水制氢。

  (3)太阳能光化学分解水制氢

  将水直接分解成氧和氢是很困难的,但把水先分解为氢离子和氢氧离子,再生成氢和氧就容易得多。基于这个原理,先进行光化学反应,再进行热化学反应,最后再进行电化学反应即可在较低温度下获得氢和氧。在上述三个步骤中可分别利用太阳能的光化学作用、光热作用和光电作用。这种方法为大规模利用太阳能制氢提供了实现的基础,其关键是寻求光解效率高、性能稳定、价格低廉的光敏催化剂。

  (4)太阳能光电化学分解水制氢

  这种方法是利用特殊的化学电池,这种电池的电极在太阳光的照射下能够维持恒定的电流,并将水离解而获取氢气。这种方法的关键是如何一34一ENERGY ENGINEERING 20o3②选取合适的电极材料。

  (5)模拟植物光合作用分解水制氢

  植物光合作用是在叶绿素上进行的。自从在叶绿素上发现光合作用过程的半导体电化学机理后,科学家就企图利用所谓“半导体隔片光电化学电池”来实现可见光直接电解水制氢的目标。不过由于人们对植物光合作用分解水制氢的机理还不够了解,要实现这一目标还有一系列理论和技术问题需要解决。

  (6)光合微生物制氢

  人们早就发现江河湖海中的某些藻类也有利用水制氢的能力,如小球藻、固氮蓝藻等就能以太阳光作动力,用水作原料,源源不断地放出氢气来。因此深入了解这些微生物制氢的机制将为大规模的太阳能生物制氢提供良好的前景。除了利用太阳能和核能制氢外,从生物质中制氢也正在大力研究之中。目前采用的方法是,利用生物质和有机废料中的碳素材料与溴及水在250℃下作用,形成氢溴酸和二氧化碳溶液,然后再将氢溴酸水溶液电解成氢及溴,溴再循环使用。

  生物制氢能还有以下几种方法:①异养细菌发酵制氢②厌氧梭菌发酵制氢③混合微生物发酵制氢④活性污泥发酵制氢⑤光和细菌利用有机废水生产氢⑥微型藻是制氢的重要途径⑦甲醇用来生产氢气。

  (7)核能制氢

  日本计划采用核能制氢发电,供50万人口的中等城市使用L6。

氢能使用必须解决的问题[5]

  氢能虽然是一种理想的能源,但要充分利用氢能,必须解决两个问题,即储运问题和安全性问题。根据物理化学原理,目前所采用的储氢方法主要有物理方法和化学方法。物理法储氢是指储氢物质和氢分子之间发生纯粹的物理作用或物理吸附;化学法储氢主要是储氢物质和氢分子之间发生化学反应,生成新的化合物,具有吸收或释放氢的特性。总体来看,氢能的储运主要有:液化储运法、压缩储运法、固氢一液氢混合储运法、金属氢化物储运法、有机液态氢化物储氢、无机化合物储氢、活性炭吸附储氢等。

  近年来,随着碳纳米管研究的不断深入,碳纳米管在氢能储运方面的广阔应用前景正日益显现出来。当前氢能研究的直接目标是以氢燃料电池为动力的汽车,近年来几个发达国家纷纷展示了各自的原型车,但是无论从技术上还是经济上规模化车载氢供应系统尚未切实解决。因此各国科学家均致力于研究高储氢材料与系统,其中最有潜力是碳纳米管的吸附储氢。

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参考文献

  1. 许雅周,李玉芬主编.基础化学.机械工业出版社,2009.1.
  2. 冯飞,张蕾等编著.新能源技术与应用概论.化学工业出版社,2011.02.
  3. 舒新前,张蕾,张磊编著.煤催化热解制氢技术.科学出版社,2011.09.
  4. 熊双贵,高之清主编.无机化学.华中科技大学出版社,2011.08.
  5. 张淑谦,童忠良编.化工与新能源材料及应用.化学工业出版社,2010.09.
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