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氢能源:正向我们走来的“未来能源”

2019-08-15 09:27
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据陕西日报报道,说起新能源汽车大家都不陌生。其中,氢燃料以其绿色、高续航等优点,正在成为新能源汽车的主要发展方向之一,很多企业和机构已经开始着手氢燃料的研究和开发。氢燃料电池汽车是氢能源的一个重要应用领域。氢能源以其诸多优势,被称为“未来能源”,随着科技水平的不断进步,它还将在更多领域大显身手。

氢能源是一种清洁可再生能源,能够与电能实现高效的相互转换,被认为有望成为能源使用的终极形式。与此同时,氢能源还拥有比化石能源更高的能量密度、各类能源中最低的发电建设成本、利用工业尾气制氢或弃电水解制氢等优势,对节能减排可起到决定性的作用。

氢能源是一种二次能源,它通过一定的方法利用其他能源制取,不像煤、石油、天然气可以直接开采。氢位于元素周期表之首,原子序数为1,常温常压下为气态,超低温高压下为液态。作为一种理想的新的合能体能源,它具有以下显著的特点:

重量最轻,标准状态下,密度为0.0899g/L,-252.7℃时可成为液体,若将压力增大到数百个大气压,液氢可变为金属氢;导热性最好,比大多数气体的导热系数高出10倍;普遍无色,据估计它构成了宇宙质量的75%,主要以化合物的形态贮存于水中,而水是地球上最广泛的物质。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

氢的特征决定了氢能源拥有无可比拟的优势。氢能源拥有理想的发热值,除核燃料外,氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,为142351kJ/kg,是汽油发热值的3倍;燃烧性能好,点燃快,与空气混合时可燃范围广、燃点高、燃烧速度快;与其他燃料相比,氢燃烧时最清洁,除生成水和少量氮化氢外,不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境,且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用,产物水无腐蚀性;利用形式多,既可以通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用作结构材料;以气态、液态或固态的金属氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求;可以取消远距离高压输电,代以远近距离管道输氢,安全性相对提高,能源无效损耗减小;氢可以减轻燃料自重,可以增加运载工具有效载荷,从而降低运输成本……

氢能源的发展利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来,科学家相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、3号运载火箭也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油,用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。

世界各国正在研究如何能大量而廉价地生产氢。利用太阳能分解水,也就是在光的作用下将水分解成氢气和氧气,是其中一个主要研究方向。其中的关键在于找到一种合适的催化剂。如今,世界上有50多个实验室在进行研究,但至今尚未有重大突破。科学家预计,一旦更有效的催化剂问世,水中取“火”——制氢就成为可能。到那时,人们只要在汽车、飞机等油箱中装满水,再加入光水解催化剂,在阳光照射下,水便能不断地分解出氢,成为发动机的能源。

20世纪70年代,科学家用半导体材料钛酸锶作光电极,金属铂作暗电极,将它们连在一起,然后放入水里,通过阳光的照射,就在铂电极上释放出氢气,而在钛酸锶电极上释放出氧气。这就是我们通常所说的光电解水制取氢气法。

科学家们还发现,一些微生物也能在阳光作用下制取氢。科学家利用在光合作用下可以释放氢的微生物,通过氢化酶诱发电子,把水里的氢离子结合起来,生成氢气。苏联的科学家们已在湖沼里发现了这样的微生物,他们把这种微生物放在适合它生存的特殊器皿里,然后将微生物产生出来的氢气收集在氢气瓶里。这种微生物含有大量的蛋白质,除了能放出氢气外,还可以用于制药和生产维生素,以及用它作畜牧和家禽的饲料。科学家正在设法培养能高效产氢的这类微生物,以适应开发利用新能源的需要。

如今,世界上许多国家和地区已经广泛开展了氢能源研究,并取得了氢燃料电池发动机的关键技术突破。但是,氢燃料电池的大规模应用,还需要其产业化技术的不断改进和提升。我们期待氢能源相关产业化技术的不断成熟,希望在更多领域看到氢能源的利用。(文/张梅)

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