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氢能的开发与利用

氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是氢的化学能,氢在地球上主要以化合态的形式出现,是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%,二次能源。工业上生产氢的方式很多,常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。



氢能的开发与利用

氢能利用各方面

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。在电网低负荷时,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.

作为新能源,其安全性受到人们的普遍关注。从技术方面讲,氢的使用是绝对安全的。氢在空气中的扩散性很强,氢泄漏或燃烧时,可以很快地垂直升到空气中并消失得无影无踪,氢本身没有毒性及放射性,不会对人体产生伤害,也不会产生温室效应。科学家已经做过大量的氢能安全试验,证明氢是安全的燃料。如在汽车着火试验中,分别将装有氢气和天然汽油燃料罐点燃,结果氢气作为燃料的汽车着火后,氢气剧烈燃烧,但火焰总是向上冲,对汽车的损坏比较缓慢,车内人员有较长得时间逃生,而天然燃料的汽车着火后,由于天然气比空气重,火焰向汽车四周蔓延,很快包围了汽车,伤及车内人员的安全。

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