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取之不尽用之不竭的新能源—氢能

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发表于 2014-1-1 06:41:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
取之不尽用之不竭的新能源—氢能  

氢如同汽油和天然气一样,易燃性强,空气环境下含量达到4%—96%均可燃,所以可用作燃料。氢气加氧气在火花点燃后产生热量。而其燃烧后的残留生成物仅仅是纯水,所以氢被誉为是零排放燃料。其燃烧生成的水可进行收集或直接以水汽形式排入大气。燃烧生成的水与制氢所消耗的水量完全一样。所以从这个角度而言,氢是取之不尽,用之不竭的。
氢是一种二次能源,一种理想的新的含能体能源,在人类生存的地球上,虽然氢是最丰富的元素,但自然氢的存在极少。因此必需将含氢物质加工后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水,其次就是各种矿物燃料(煤、石油、天然气)及各种生物质等。
     
二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。当今电能就是应用最广的“过程性能源”;柴油、汽油则是应用最广的“含能体能源”。过程性能源和含能体能源是不能互相替代的,各有自己的应用范围。作为二次能源的电能,可从各种一次能源中生产出来,例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然,生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加,其储量日益减少,终有一天这些资源将要枯竭,这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种理想的新的含能体能源。
     
氢不但是一种优质燃料,还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢,如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等;化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电,其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善,氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。

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。

氢在一般条件下是以气态形式存在的,这就为贮存和运输带来很大的困难。氢的贮存有三种方法:高压气态贮存;低温液氢贮存;金属氢化物贮存。
     
1.高压气态贮存
      
气态氢可贮存在地下库里,也可装人钢瓶中。为减小贮存体积,必须先将氢气压缩,为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为20MP的高压钢瓶贮氢重量只占1.6%;供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5%。为提高贮氢量,目前正在研究一种微孔结构的储氢装置,它是一微型球床。微型球系薄壁(1~1Oμm),充满微孔(10~100μm),氢气贮存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。
      
2.低温液氢贮存
      
将氢气冷却到-253℃,即可呈液态,然后,将其贮存在高 真空的绝热容器中。液氢贮存工艺首先用于宇航中,其贮存成本较贵,安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠直径约为30~150μm,中间是空心的,壁厚l~ 5μm。在部分微珠上镀上厚度为1μm的铝。由于这种微珠导热系数极小,其颗粒又非常细可完全抑制颗粒间的对流换热;将部分镀铝微珠(一般约为3%~5%)混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空,其绝热效果远优于普通高真空的绝热容器,是一种理想的液氢贮存罐,美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。
      
3.金属氢化物贮存
      
氢与氢化金属之间可以进行可逆反应,当外界有热量加给金属氢化物时,它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金 属构成氢化物时,氢就以固态结合的形式储于其中。 用来贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。目前世界上已研究成功多种贮氢合金,它们大致可以分为四类:一是稀土镧镍等,每公斤镧镍合金可贮氢153L。二是铁一钛系,它是目前使用最多的贮氢材料,其贮氢量大,是前者的4倍,且价格低、活性大,还可在常温常压下释放氢,给使用带来很大的方便。三是镁系,这是吸氢量最大的金属元素,但它需要在287℃下才能释放氢,且吸收氢十分缓慢,因而使用上受限制。四是钒、铌、锆等多元素系,这类金属本身属稀贵金属,因此只适用于某些特殊场合。目前在金属氢化物贮存方面存在的主要问题是:贮氢量低,成本高及释氢温度高。因此进一步研究氢化金属本身的化学物理性质,包括平衡压力一温度曲线、生成食转化反应速度、化学及机械稳定性等,寻求更好的贮氢材料仍是氢能开发利用中值得注意的问题。 带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式,它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源,也可用于吸收废热,储存太阳 能,还可作氢泵或氢压缩机使用。
      
4.氢气的运输
      
氢虽然有很好的可运输性,但不论是气态氢还是液氢,它们在使用过程中都存在着不可忽视的特殊问题。首先,由于氢特别轻,与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大,即使液态氢也是如此。其次,氢特别容易泄漏,以氢作燃料的汽车行驶试验证明,即使是真空密封的氢燃料箱,每24h的泄漏率就达2%,而汽油一般一个月才泄漏1%。因此对贮氢容器和输氢管道、接头、阀门等都要采取特殊的密封措施。第三, 液氢的温度极低,只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤,因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。

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