21世纪的理想能源--氢能

在众多的新能源中，氢能将会成为 21 世纪最理想的能源。这是因为，在 燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃 烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是 二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限 的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气， 永远不会用完。 氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出 142 千焦尔的热量，是汽油 发热量的 3 倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而 携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧 气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达 2500℃，因而人们常用氢气切割或者 焊接钢铁材料。 在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有 11％ 的氢。泥土里约有 1.5％的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有 氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约 71％为水所覆盖， 储水量很大；因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用 合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。 氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化 学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热 放氢的本领。可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。 氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976 年 5 月，美国研制出一种 以氢气作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为动力的汽车； 70 年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了 五千克氢，就使汽车行驶了 110 公里。 用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐 蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全 可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴 趣的是，只要在汽油中加入 4％的氢气，用它作为汽车发动机燃料，就可节 油 40％，而且无需对汽油发动机作多大的改进。 氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁路罐车、公路 拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用 作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人 造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。 另外，使用氢—氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利 用更为方便。目前，这种燃料电池已在字宙飞船和潜水艇上得到使用，效果 不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。 现在世界上氢的年产量约为 3600 万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和 天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有 4％的氢是用 电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极 探索研究新的制氢方法。 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。科学家在水中放入催化剂，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。人们预计，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，水便不断地分解出氢，成为发动机的 能源。 本世纪 70 年代，人们用半导体材料钛酸锶作光电极，以金属铂作暗电 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。人们利用在光 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。 前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，以及用它作牲畜和家禽的饲料。 现在，人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。 引人注意的是，许多原始的低等生物在新陈代谢的过程中也可放出氢 气。例如，许多细菌可在一定条件下放出氢。日本已找到一种叫做“红鞭毛 杆菌”的细菌，就是个制氢的能手。在玻璃器皿内，以淀粉作原料，掺入一 些其它营养素制成的培养液就可培养出这种细菌，这时，在玻璃器皿内便会 产生出氢气。这种细菌制氢的效能颇高，每消耗五毫升的淀粉营养液，就可 产生出 25 毫升的氢气。 美国宇航部门准备把一种光合细菌——红螺菌带到太空中去，用它放出 的氢气作为能源供航天器使用。这种细菌的生长与繁殖很快，而且培养方法 简单易行，既可在农副产品废水废渣中培养，也可以在乳制品加工厂的垃圾 中培育。 对于制取氢气，有人提出了一个大胆的设想：将来建造一些为电解水制 取氢气的专用核电站。譬如，建造一些人工海岛，把核电站建在这些海岛上， 电解用水和冷却用水均取自海水。由于海岛远离居民区，所以既安全，又经 济。制取的氢和氧，用铺设在水下的运气管道输入陆地，以便供人们随时使 用。 开发氢能还存在一种难题，那就是氢气的贮存。氢气虽然可以变成液体 装在特制的钢瓶里，但是，液态氢的沸点很低，常温下的蒸汽压力又很大， 贮存使用很不安全，因而在一般动力设备上很难推广应用。 为了解决氢的贮存问题，人们发现了钛、铌、镁、锆、镧等金属和它们 的合金，能像海绵吸水一样将氢贮存起来，形成贮氢金属，而且还可根据需 要随时将氢释放出来，这就大大方便了人们对氢的贮存、运送和使用。现在 在美国已经有这种供给实验室用的小型“海绵罐”出售。有些贮氢金属如钛 铁氢化物，利用空气加热放氢，就能使空气本身降温到零下 20℃，因而可以 制成不消耗能源的理想冰箱。 还有一些贮氢金属的放氢压力能随温度的高低而急剧变化，这样就可用 来制成结构简单、无噪音、无振动的氢气压缩机。所以，人们将金属氢化物 也称为“静止式氢气压缩器”。例如，金属氢化物——氢化钒（VH2），当温 度由 25℃升高到 200℃时，放出氢的压力就会由 0.19 兆帕（1.9 个大气压） 急剧升高到 87 兆帕（870 个大气压），可以说是一种比较理想的压缩机。

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