氫能

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氫能(Hydrogenic energy)

目錄

什麼是氫能[1]

  氫能是指以氫及其同位素為主體的反應中或氫狀態變化過程中所釋放的能量。

氫能的概述[2]

  人們發現氫已有400多年的歷史了。400多年前,瑞士科學家巴拉塞爾斯把鐵片放進硫酸中,發現放出許多氣泡,可是當時人們並不認識這種氣體。1766年,英國化學家亨利·卡文迪什對這種氣體產生了興趣,發現它非常輕,只有同體積空氣質量的6.%,並能在空氣中燃燒成水。到1777年,法國化學家拉瓦錫經過詳細研究,才真正把這種物質取名為氫。

  1869年,俄國著名學者門捷列夫根據地球中各種化學元素的性質,整理出化學元素周期表,並將氫元素排在了第一周期的第一位置。此後,從氫出發,尋找其他元素與氫元素之間的關係,為眾多元素的發現打下了基礎,人們對氫的研究和利用也就更科學化了。

  美國化學家尤里在1932年發現氫的一種同位素,它被命名為“氘”。氘的原子核中由一個質子和一個中子構成。1934年,盧瑟福預言氫存在著另一種同位素“三重氫”。同年,他與其他物理學家在靜電加速器上用氘核轟擊固態氘靶,發現了氫元素的聚變現象,並制得了氚。

氫能的特點[3]

  (1)氫是元素周期表中的第一號元素。在所有元素中,氫原子結構最簡單,它由一個帶正電的原子核和一個核外電子組成。

  (2)在所有氣體中,氫氣的導熱性最好,比大多數氣體的熱導率高出10倍,因此在能源工業中,氫是最好的傳熱載體。

  (3)來源廣。自然界存在的氕,其豐度約為氫總量的99.98%。地球上的水儲量為2×1018t,是氫取之不盡、用之不竭的重要源泉。

  (4)除核燃料外,氫的發熱值為1.4×105塒/kg,是汽油發熱值的3倍,是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。

  (5)氫燃燒性能好,點燃快,與空氣混合時有廣泛的可燃範圍,而且燃點低,燃燒速度快。

  (6)清潔。氫本身無色無味無毒,燃燒生成水,對大氣無污染,並可迴圈使用。(7)氫能利用形式多,氫能的利用既包括氫與氧燃燒所放出的熱能、在熱力發動機中產生的機械功,又包括氫與氧發生電化學反應用於燃料電池直接獲得的電能。氫還可以轉換成固態氫,用作結構材料。用氫代替煤和石油,不需對現有的技術設備做重大的改造,將現在的內燃機稍加改裝即可使用。

  (8)氫能存儲方式多樣,可以氣態、液態或固態的形式出現,能滿足儲運及各種應用環境的不同要求。

  (9)環保性能好。與其他燃料相比,氫燃燒時清潔,不會對環境排放溫室氣體,除生成水和少量氮化氫外,不會產生諸如CO、COz、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質。

  (10)潛在的經濟效益高。目前,氫的主要來源是石油產品的提煉、煤的氣化和水的分解等,成本比較高。今後通過利用太陽能等能源大量制氫,氫的成本會進一步降低,使制氫的價格與化石燃料的價格相匹配。

氫能的用途[4]

  氫能主要應用於以下領域。

  1.航天

  早在“二戰”期間,氫即用做A一2火箭的液體推進劑。1970年美國“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料。目前科學家們正在研究一種“固態氫”宇宙飛船。固態氫既作為飛船的結構材料,又作為飛船的動力燃料,在飛行期間,飛船上所有的非重要零部件都可作為能源消耗掉,這樣飛船就能飛行更長的時間。

  2.交通

  在超音速飛機和洲際客機上以氫作動力燃料的研究已進行多年,目前已進入樣機和試飛階段。德國戴姆勒一賓士航空航天公司以及俄羅斯航天公司從1996年開始試驗,其進展情況證實,在配備有雙發動機的噴氣式飛機中使用液態氫,其安全性是有足夠保證的。美、德、法等國採用氫化金屬儲氫,而日本則採用液氫作燃料組裝燃料電池示範汽車,已進行了上百萬千米的道路運行試驗,其經濟性、適應性和安全性均較好。美國和加拿大計劃在加拿大西部到東部的大鐵路上採用以液氫和液氧為燃料的機車。

  3.民用

  除了汽車行業外,燃料電池發電系統在民用方面的應用也很廣泛。氫能發電、氫介質儲能與輸送,以及氫能空調、氫能冰箱等,有的已經實現,有的正在開發,有的尚在探索中。以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為能量轉換裝置的小型電站系統和以固體氧化物燃料電池(SOFC)為主的大型電站等均在開發中。

  4.其他

  以氫能為原料的燃料電池系統除了在汽車、民用發電等方面的應用外,在軍事方面的應用也顯得尤為重要,德國、美國均已開發出了以PEMFC為動力系統的潛艇,該類型潛艇具有續航能力強、隱蔽性好、無雜訊等優點,受到各國的青睞。

氫的制取及其開發

  1、從化石燃料中制氫

  這是過去及目前採用最多的方法。它是以煤、石油或天然氣等化石燃料作原料來制取氫氣。用蒸汽作催化劑以煤作原料來制取氫氣的基本反應過程為:C+H20--CO+H2.

  用天然氣作原料、蒸汽作催化劑的制氫化學反應為:CH4+H2 +3H2+CO 上述反應均為吸熱反應,反應過程中所需的熱量可以從煤或天然氣的部分燃燒中獲得,也可利用外部熱源。自從天然氣大規模開采後,現在氫的制取有96%都是以天然氣為原料。天然氣和煤都是寶貴的燃料和化工原料,用它們來制氫顯然擺脫不了人們對常規能源的依賴。

  2、電解水制氫

  這種方法是基於如下的氫氧可逆反應:H2+1/202一n20+△Q 分解水所需要的能量△p是由外加電能提供的。為了提高制氫效率,電解通常在高壓下進行,採用的壓力多為3.0~5.0 MPa。目前電解效率約為50% ~70%。由於電解水的效率不高且需消耗大量的電能,因此利用常規能源生產的電能來大規模電解水制氫顯然是不合算的。

  3、熱化學制氫

  這種方法是通過外加高溫高熱使水起化學分解反應來獲取氫氣。到目前為止雖有多種熱化學制氫方法,但總效率都不高,僅為20% ~50%,而且還有許多工藝問題需要解決。隨著新能源的崛起,以水作為原料利用核能和太陽能來大規模製

  氫已成為世界各國共同努力的目標。其中太陽能制氫最具吸引力,也最有現實意義。目前正在探索的太陽能制氫技術有以下幾種:

  (1)太陽熱分解水制氫

  熱分解水制氫有兩種方法,即直接熱分解和熱化學分解。前者需要把水或蒸汽加熱到3000 K以上,水中的氫和氧才能夠分解,雖然其分解效率高,不需催化劑,但太陽能聚焦費用太昂貴。後者是在水中加入催化劑,使水中氫和氧的分解溫度降低到9O0二1200 K,催化劑可再生後迴圈使用,目前這種方法的制氫效率已達50%。

  (2)太陽能電解水制氫

  這種方法是首先將太陽能轉換成電能,然後再利用電能來電解水制氫。

  (3)太陽能光化學分解水制氫

  將水直接分解成氧和氫是很困難的,但把水先分解為氫離子和氫氧離子,再生成氫和氧就容易得多。基於這個原理,先進行光化學反應,再進行熱化學反應,最後再進行電化學反應即可在較低溫度下獲得氫和氧。在上述三個步驟中可分別利用太陽能的光化學作用、光熱作用和光電作用。這種方法為大規模利用太陽能制氫提供了實現的基礎,其關鍵是尋求光解效率高、性能穩定、價格低廉的光敏催化劑。

  (4)太陽能光電化學分解水制氫

  這種方法是利用特殊的化學電池,這種電池的電極在太陽光的照射下能夠維持恆定的電流,並將水離解而獲取氫氣。這種方法的關鍵是如何一34一ENERGY ENGINEERING 20o3②選取合適的電極材料。

  (5)模擬植物光合作用分解水制氫

  植物光合作用是在葉綠素上進行的。自從在葉綠素上發現光合作用過程的半導體電化學機理後,科學家就企圖利用所謂“半導體隔片光電化學電池”來實現可見光直接電解水制氫的目標。不過由於人們對植物光合作用分解水制氫的機理還不夠瞭解,要實現這一目標還有一系列理論和技術問題需要解決。

  (6)光合微生物制氫

  人們早就發現江河湖海中的某些藻類也有利用水制氫的能力,如小球藻、固氮藍藻等就能以太陽光作動力,用水作原料,源源不斷地放出氫氣來。因此深入瞭解這些微生物制氫的機制將為大規模的太陽能生物制氫提供良好的前景。除了利用太陽能和核能制氫外,從生物質中制氫也正在大力研究之中。目前採用的方法是,利用生物質和有機廢料中的碳素材料與溴及水在250℃下作用,形成氫溴酸和二氧化碳溶液,然後再將氫溴酸水溶液電解成氫及溴,溴再迴圈使用。

  生物制氫能還有以下幾種方法:①異養細菌發酵制氫②厭氧梭菌發酵制氫③混合微生物發酵制氫④活性污泥發酵制氫⑤光和細菌利用有機廢水生產氫⑥微型藻是制氫的重要途徑⑦甲醇用來生產氫氣。

  (7)核能制氫

  日本計劃採用核能制氫發電,供50萬人口的中等城市使用L6。

氫能使用必須解決的問題[5]

  氫能雖然是一種理想的能源,但要充分利用氫能,必須解決兩個問題,即儲運問題和安全性問題。根據物理化學原理,目前所採用的儲氫方法主要有物理方法和化學方法。物理法儲氫是指儲氫物質和氫分子之間發生純粹的物理作用或物理吸附;化學法儲氫主要是儲氫物質和氫分子之間發生化學反應,生成新的化合物,具有吸收或釋放氫的特性。總體來看,氫能的儲運主要有:液化儲運法、壓縮儲運法、固氫一液氫混合儲運法、金屬氫化物儲運法、有機液態氫化物儲氫、無機化合物儲氫、活性炭吸附儲氫等。

  近年來,隨著碳納米管研究的不斷深入,碳納米管在氫能儲運方面的廣闊應用前景正日益顯現出來。當前氫能研究的直接目標是以氫燃料電池為動力的汽車,近年來幾個發達國家紛紛展示了各自的原型車,但是無論從技術上還是經濟上規模化車載氫供應系統尚未切實解決。因此各國科學家均致力於研究高儲氫材料與系統,其中最有潛力是碳納米管的吸附儲氫。

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參考文獻

  1. 許雅周,李玉芬主編.基礎化學.機械工業出版社,2009.1.
  2. 馮飛,張蕾等編著.新能源技術與應用概論.化學工業出版社,2011.02.
  3. 舒新前,張蕾,張磊編著.煤催化熱解制氫技術.科學出版社,2011.09.
  4. 熊雙貴,高之清主編.無機化學.華中科技大學出版社,2011.08.
  5. 張淑謙,童忠良編.化工與新能源材料及應用.化學工業出版社,2010.09.
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