氫能:通過氫氣和氧氣反應所産生的能量-中文百科頻道

介紹

化學元素氫(H——Hydrogen)，在元素周期表中位于第一位，它是所有原子中最小的。衆所周知，氫分子與氧分子化合成水，氫通常的單質形态是氫氣（H2），它是無色無味，極易燃燒的雙原子的氣體，氫氣是密度最小的氣體。在标準狀況（0攝氏度和一個大氣壓）下，每升氫氣隻有0.0899克重——僅相當于同體積空氣質量的二十九分之二。氫是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占到了太陽總質量的84%，宇宙質量的75%都是氫。

氫具有高揮發性、高能量，是能源載體和燃料，同時氫在工業生産中也有廣泛應用。現在工業每年用氫量為5500億立方米，氫氣與其它物質一起用來制造氨水和化肥，同時也應用到汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接、氣象氣球探測及食品工業中。液态氫可以作為火箭燃料，因為氫的液化溫度在－253℃。

氫能在二十一世紀有可能在世界能源舞台上成為一種舉足輕重的二次能源。它是一種極為優越的新能源，其主要優點有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒後的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的産物是水，是世界上最幹淨的能源。資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源，演繹了自然物質循環利用、持續發展的經典過程。

氫能簡介

二次能源是聯系一次能源和能源用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“含能體能源”。當今電能就是應用最廣的“過程性能源”；柴油、汽油則是應用最廣的“含能體能源”。由于目前“過程性能源”尚不能大量地直接貯存，因此汽車、輪船、飛機等機動性強的現代交通運輸工具就無法直接使用從發電廠輸出來的電能，隻能采用像柴油、汽油這一類“含能體能源”。可見，過程性能源和含能體能源是不能互相替代的，各有自己的應用範圍。随着，人們将目光也投向尋求新的“含能體能源”，作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生産出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能、核燃料等均可直接生産電能。而作為二次能源的汽油和柴油等則不然，生産它們幾乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源将要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規能源危機的出現、在開發新的二次能源的同時人們期待的新的二次能源。

原理

氫經濟為了取代諸多困擾的石油經濟體系而生的解決方案。包含運輸，和其他會導緻溫室氣體的應用；一次給予解決計劃。

在目前的石油經濟中，人員運輸和商品運輸都靠石油，例如石油提煉的汽油和柴油，少數是天然氣。不論如何都會産生溫室氣體和其他污染物質。而且石油藏量已經到達極限，但是使用需求卻一直飙高，例如中華人民共和國，印度等新興國家越來越多人生活水平提升也需要用油。

氫氣是一種極高能量密度與質量比值的能源。燃料電池的效益高過諸多内燃機。内燃機頂多20–30%效率，而最差的燃料電池也有35–45%效率(通常都更高很多)再加上相關電動馬達和控制器的耗損，最後純輸出能量最差也有24%内燃機則是更低得多。

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，人類對氫能應用自200年前就産生了興趣，到20世紀70年代以來，世界上許多國家和地區就廣泛開展了氫能研究。

開發利用

利用方面

氫能利用方面很多，有的已經實現，有的人們正在努力追求。為了達到清潔新能源的目标，氫的利用将充滿人類生活的方方面面，我們不妨從古到今，把氫能的主要用途簡要叙述一下。

依靠氫能

1869年俄國著名學者門捷列夫整理出化學元素周期表，他把氫元素放在周期表的首位，此後從氫出發，尋找與氫元素之間的關系，為衆多的元素打下了基礎，人們則氫的研究和利用也就更科學化了。至1928年，德國齊柏林公司利用氫的巨大浮力，制造了世界上第一艘“LZ—127齊柏林”号飛艇，首次把人們從德國運送到南美洲，實現了空中飛渡大西洋的航程。大約經過了十年的運行，航程16萬多公裡，使1.3萬人領受了上天的滋味，這是氫氣的奇迹。

然而，更先進的是本世紀50年代，美國利用液氫作超音速和亞音速飛機的燃料，使B57雙引擎辍炸機改裝了氫發動機，實現了氫能飛機上天。特别是1957前蘇聯宇航員加加林乘坐人造地球衛星遨遊太空和1963年美國的宇宙飛船上天，緊接着1968年阿波羅号飛船實現了人類首次登上月球的創舉。這一切都依靠着氫燃料的功勞。面向科學的21世紀，先進的高速遠程氫能飛機和宇航飛船，商業運營的日子已為時不遠。過去帝王的夢想将被現代的人們實現。

氫動力汽車

以氫氣代替汽油作汽車發動機的燃料，已經過日本、美國、德國等許多汽世公司的試驗，技術是可行的，目前主要是廉價氫的來源問題。氫是一種高效燃料，每公斤氫燃燒所産生的能量為33.6千瓦小時，幾乎等于汽車燃燒的2.8倍。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰傳播速度快，點火能量低（容易點着），所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高20%。當然，氫的燃燒主要生成物是水，隻有極少的氮氫化物，絕對沒有汽油燃燒時産生的一氧化碳、二氧化硫等污染環境的有害成分。氫能汽車是最清潔的理想交通工具。

氫能汽車的供氫問題，目前将以金屬氫化物為貯氫材料，釋放氫氣所需的熱可由發動機冷卻水和尾氣馀熱提供。現在有兩種氫能汽車，一種是全燒氫汽車，另一種為氫氣與汽油混燒的摻氫汽車。摻氫汽車的發動機隻要稍加改變或不改變，即可提高燃料利用率和減輕尾氣污染。使用摻氫5%左右的汽車，平均熱效率可提高15%，節約汽油30%左右。因此，近期多使用摻氫汽車，待氫氣可以大量供應後，再推廣全燃氫汽車。德國奔馳汽車公司已陸續推出各種燃氫汽車，其中有面包車、公共汽車、郵政車和小轎車。以燃氫面包車為例，使用200公斤钛鐵合金氫化物為燃料箱，代替65升汽油箱，可連續行車130多公裡。德國奔馳公司制造的摻氫汽車，可在高速公路上行駛，車上使用的儲氫箱也是钛鐵合金氫化物。

摻氫汽車的特點是汽油和氫氣的混合燃料可以在稀薄的貧油區工作，能改善整個發動機的燃燒狀況。在中國許當城市交通擁擠，汽車發動機多處于部分負荷下運行、采用摻氫汽車尤為有利。特别是有些工業馀氫（如合成氨生産）未能回收利用，若作為摻氫燃料，其經濟效益和環境效益都是可取的。

氫能發電

大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發出的電送往電網，由電網輸送給用戶。但是各種用電戶的負荷不同，電網有時是高峰，有時是低谷。為了調節峰荷、電網中常需要啟動快和比較靈活的發電站，氫能發電就最适合搶演這個角色。利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫氧發電機組。這種機組是火箭型内燃發動機配以發電機，它不需要複雜的蒸汽鍋爐系統，因此結構簡單，維修方便，啟動迅速，要開即開，欲停即停。在電網低負荷時，還可吸收多馀的電來進行電解水，生産氫和氧，以備高峰時發電用。這種調節作用對于用網運行是有利的。另外，氫和氧還可直接改變常規火力發電機組的運行狀況，提高電站的發電能力。例如氫氧燃燒組成磁流體發電，利用液氫冷卻發電裝置，進而提高機組功率等。

更新的氫能發電方式是氫燃料電池。這是利用氫和氧（成空氣）直接經過電化學反應而産生電能的裝置。換言之，也是水電解槽産生氫和氧的逆反應。70年代以來，日美等國加緊研究各種燃料電池，現已進入商業性開發，日本已建立萬千瓦級燃料電池發電站，美國有30多家廠商在開發燃料電池.德、英、法、荷、丹、意和奧地利等國也有20多家公司投入了燃料電池的研究，這種新型的發電方式已引起世界的關注。

燃料電池的簡單原最巧是将燃料的化學能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，能源轉換效率可達60%—80%，而且污染少，噪聲小，裝置可大可小，非常靈活。最早，這種發電裝置很小，造價很高，主要用于宇航作電源。現在已大幅度降價，逐步轉向地面應用。目前，燃料電池的種類很多，主要有以下幾種：

燃料電池

磷酸鹽型燃料電池是最早的一類燃料電池，工藝流程基本成熟，美國和日本已分别建成4500千瓦及11000千瓦的商用電站。這種燃料電池的操作溫度為200℃，最大電流密度可達到150毫安/平方厘米，發電效率約45%，燃料以氫、甲醇等為宜，氧化劑用空氣，但催化劑為鉑系列，目前發電成本尚高，每千瓦小時約40～50美分。

融熔燃料

融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱為第二代燃料電池，其運行溫度650℃左右，發電效率約55%，日本三菱公司已建成10千瓦級的發電裝置。這種燃料電池的電解質是液态的，由于工作溫度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氫、一氧化碳、天然氣等均可。氧化劑用空氣。發電成本每千瓦小時可低于40美分。

固體電池

固體氧化物型燃料電池被認為是第三代燃料電池，其操作溫度1000℃左右，發電效率可超過60%，目前不少國家在研究，它适于建造大型發電站，美國西屋公司正在進行開發，可望發電成本每千瓦小時低于20美分。

此外，還有幾種類型的燃料電池，如堿性燃料電池，運行溫度約200℃，發電效率也可高達60%，且不用貴金屬作催化劑，瑞典已開發200千瓦的一個裝置用于潛艇。美國最早用于阿波羅飛船的一種小型燃料電池稱為美國型，實為離子交換膜燃料電池，它的發電效率高達75%，運行溫度低于100℃，但是必需以純氧作氧化劑。後來，美國又研制一種用于氫能汽車的燃料電池，充一次氫可行300公裡，時速可達100公裡，這是一種可逆式質子交換膜燃料電池，發電效率最高達80%。

燃料電池理想的燃料是氫氣，因為它是電解制氫的逆反應。燃料電池的主要用途除建立固定電站外，特别适合作移動電源和車船的動力，因此也是今後氫能利用的孿生兄弟。

家庭用氫

随着制氫技術的發展和化石能源的缺少，氫能利用遲早将進入家庭，首先是發達的大城市，它可以像輸送城市煤氣一樣，通過氫氣管道送往千家萬戶。每個用戶則采用金屬氫化物貯罐将氫氣貯存，然後分别接通廚房竈具、浴室、氫氣冰箱、空調機等等，并且在車庫内與汽車充氫設備連接。人們的生活靠一條氫能管道，可以代替煤氣、暖氣甚至電力管線，連汽車的加油站也省掉了。這樣清潔方便的氫能系統，将給人們創造舒适的生活環境，減輕許多繁雜事務。

氫能在工業領域(如切割，焊接)，巳有非常長的曆史。特别是在首飾加工行業，有機玻璃制品火焰抛光，連鑄坯切割，制藥廠水針劑拉絲封口等領域的應用非常普及。

作為新能源，其安全性受到人們的普遍關注。從技術方面講，氫的使用是絕對安全的。氫在空氣中的擴散性很強，氫洩漏或燃燒時，可以很快地垂直升到空氣中并消失得無影無蹤，氫本身沒有毒性及放射性，不會對人體産生傷害，也不會産生溫室效應。科學家已經做過大量的氫能安全試驗，證明氫是安全的燃料。如在汽車着火試驗中，分别将裝有氫氣和天然汽油燃料罐點燃，結果氫氣作為燃料的汽車着火後，氫氣劇烈燃燒，但火焰總是向上沖，對汽車的損壞比較緩慢，車内人員有較長得時間逃生，而天然燃料的汽車着火後，由于天然氣比空氣重，火焰向汽車四周蔓延，很快包圍了汽車，傷及車内人員的安全。