未来的能源-氢能

1、未来的能源氢能氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能应用 自200年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家 和地区就广泛开展了氢能研究。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

2、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“LZ127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196

3、8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

4、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 20

5、0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，都是把发出的电送彳主电网， 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

6、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。在电网低负荷的，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

7、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

8、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200C，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4050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 650C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

9、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 1000C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 200C，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100C，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 道送彳主千家万户。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