未来能源氢能

三秦都市报 2019-09-10 01:42 大字

能源问题一直是世界各国共同关注的焦点。人类的生存与发展离不开能源的供给，但随着煤炭、石油等不可再生资源储存量的减少以及环境污染问题日益严峻，科学家们纷纷将视线投向了新能源，氢能源便是其中的一种。

重量最轻的氢

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。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。据估计，它构成了宇宙质量的75%，它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。氢能源的另一个显著特点便是回收利用，利用氢能源的汽车排出的废物只是水，所以可以再次分解氢，再次回收利用。氢能源具有理想的发热值，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，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。无毒，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，对设备无损。

氢能源利用形式多，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；氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高；氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本等。

人们对氢能源的开发

氢能的利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，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作燃料。我国长征2号、3号也使用液氢作燃料。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。利用太阳能来分解水，也就是在光的作用下将水分解成氢气和氧气，这是一个主要研究方向，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。随着太阳能研究和利用的发展，人们已开始利用阳光分解水来制取氢气。在水中放入催化剂，在阳光照射下，催化剂便能激发光化学反应，把水分解成氢和氧。例如，二氧化钛和某些含钌的化合物，就是较适用的光水解催化剂。大胆想象一下，一旦当更有效的催化剂问世时，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，那么，在阳光照射下，水便能不断地分解出氢，成为发动机的能源。

上世纪70年代，人们用半导体材料钛酸锶做光电极，金属铂做暗电极，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，以及用它做畜牧和家禽的饲料。科学家们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。

氢能的高效利用——

氢燃料电池

燃料电池是氢能高效利用的重要途径，燃料电池装置有助于实现氢能的移动化、轻量化和大规模普及，可广泛应用在交通、工业、建筑等场景。氢燃料电池原理是氢与氧结合生成水的同时将化学能转化为电能和热能。这个过程不受卡诺循环效应的限制，具有很高的经济性。燃料电池的阳极和阴极中间有一层坚韧的隔膜以隔绝氢气和氧气，有效规避了氢气和氧气直接接触发生燃烧和爆炸的危险。氢气进入燃料电池的阳极，在催化剂的作用下分解成氢离子和电子。随后氢离子穿过隔膜到达阴极，在催化剂的作用下与氧气结合生成水，电子则通过外部电路向阴极移动形成电流。不同于传统的铅酸、锂电等储能电池，氢燃料电池类似于“发电机”，且整个过程不存在机械传动部件，没有噪声和污染物排放。

1839年，欧洲科学家William.R.Grove发明了世界上第一个氢氧气体电池。1909年，诺贝尔奖获得者W.F.Ostwald提出了完整的燃料电池的工作原理。20世纪60年代，燃料电池作为辅助电源首次应用于航天飞船。1967年，第一辆燃料电池车在美国诞生。

氢能将成为

能源体系的重要组成部分

经过多年科技攻关，我国已掌握了部分氢能基础设施与一批燃料电池相关核心技术，具备一定的产业装备及燃料电池整车的生产能力。中国燃料电池车经过多年研发积累，已形成自主特色的电——电混合技术路线，并经历规模示范运行。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》提到，目前，我国已经基本掌握了车用燃料电池核心技术，具备进行大规模示范运行的条件。自2008年北京奥运会、2010年上海世博会投运以来，累计200余量燃料电池电动车示范运行里程十余万公里。2013年，中国第一辆氢燃料电池机车研制成功。

《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》公布总体目标，氢能将成为中国能源体系的重要组成部分，预计到2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10%，氢气需求量接近6000万吨，年经济产值超过10万亿元，交通运输、工业等领域将实现氢能普及应用，燃料电池车产量达到520万辆/年，固定式发电装置2万台套/年，燃料电池系统产能550万台套/年。按照此目标，届时，中国可减排约7亿吨二氧化碳，可累计拉动33万亿元经济产值，且预计2050年平均制氢成本不高于10元/公斤。本报记者王嘉

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