21世纪的洁净新能源———氢能

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1、21世纪的洁净新能源———氢能氢是元素周期表中第一个元素，它的质量最小。在常温下，氢是一种无色、无味的气体，由于地球上氢的储量非常丰富，燃烧时热值高，且不产生任何污染，十分有利于环境保护，故被看作未来21世纪理想的洁净新能源，并越来越受到人们的高度重视。1　氢储量丰富，资源价廉地球上的氢主要以化合物形式存在，除空气、化石燃料等矿物质中含有大量的氢外，水是含氢最多的一种化合物。氢科学家估算，仅在茫茫大海中13．7亿km3的海水中，含氢就高达1．4×1017吨，这些氢燃烧所产生的热量相当于地球上所有矿物燃料的9000倍。即使人们大量使用水

2、中的氢作燃料，那也不会影响地球上水和氢的储量，因为氢燃烧是一个还原成水的过程，所以说，氢是一种取之尽，用之不竭的新能源。在地球之外，科学家也发现有丰富的氢。且不说太阳内部主要是由氢及其同位素氘、氚所构成，就是太阳在宇宙运行过程中，其前部就存在一个由大量氢聚集的高温气团，人们称它为“氢墙”。位于太阳附近的两颗恒星也有类似的氢墙，且温度更高，是太阳氢墙的2～3倍。科学家还用“伽利略”号木星探测器发现木星上有大量的氢存在。木星大气层下有一个浩瀚的由液态氢构成的海洋，虽然温度高达5000℃，但不蒸发，在液氢下面还有一层奇特的金属氢（在数百万个

3、大气压下，液氢可变为金属氢），可以导电。在宇宙其他星球周围，人们也发现有氢分子“云”。2　氢性能优越，用途广泛氢有许多优越性。首先是原料来源广泛，也不象化石燃料那样需要庞大的采矿炼油设施，大量使用氢不影响地球物质循环，燃烧时只生成水和少量的氮化氢，不会对环境造成任何污染，氢能转化方式可多样化。氢的用途除化学工业中用作制造化肥（如氨等）、高辛烷值汽油、油脂固化等，以及各种能源的转换介质或中间载体外，最主要的就是作能源。由于氢燃烧速度快，热值高，1kg氢燃烧所放出的热量为1．2×108J，相当于1kg汽油的3倍，因此，可广泛地用作各种发动

4、机、内燃机、锅炉和加热装置的燃料，也可以替代城市煤气用于炊事和取暖等，还可用于发电、气焊和作燃料电池的燃料。特别是液态氢燃烧时所产生1700℃高温，尤其适用于作火箭发动机的燃料。实际上，氢是一种完全可以与电力相媲美的新能源。3　制备氢的主要方法怎样低成本地制备氢是实现氢能商业化应用的首要问题。目前，人们主要采用五种方法，即：①应用电解法将水电解成氢和氧，但是，在电解过程中，85％的电能被白白地浪费掉了，只有15％的电能体现在氢能上，目前这种方法还不合算。②应用热化学法高温热解制氢，即在3000℃左右的高温下让水发生热化学反应，生成氢气

5、和氧气。热化学法耗能较大，最近，科技人员通过技术改进，将热解温度降至1000℃左右。③用光电化学法将半导体（如单晶硅等）材料和电解质溶液组成光电化学电池，在阳光照射下制氢。④采用等离子化学法将石油、天然气、煤与水蒸气反应生成水煤气，然后将水煤气和水蒸气一道通过灼热的氧化铁（催化剂）转变为二氧化碳和氢，将二者分离，即可得到氢。⑤生物制氢法，即仿生法，是通过光合法来生产氢。生物制氢思路是1966年提出的，90年代受到空前重视，德、日、美等一些发达国家都成立专门机构，制定生物制氢计划。美国1973年研制一个含铁氧化还原和氢化酶的装置，每mg

6、叶绿素可以产生15L氢气，可惜不稳定，工作时间太短。苏联和英国也研制过类似装置，每g叶绿素每小时可产生氢气1L，整个装置只工作了6个小时。以上方法中，前四种都要消耗能量，要想推广应用，还必须想方设法使消耗的能量大大小于所取得的氢能，否则就得不偿失。为了降低成本，科技人员进行了大量的探索，大多数倾向于应用天赐的太阳能（包括风能等）、水力能发电，再用电来电解水制氢的方法。它的好处是除一次性投资外，以后无需增加过多的投资。这一思路包括利用太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢等方法。生物制氢前景也非常光明，例如，利用化

7、能异养菌或光合自养菌，通过发酵可将糖类、醇类、有机酸等有机物转化为氢，其中光合自养菌本领更大，它不需要消耗有机营养物，只依靠太阳光能量就能把简单无机物合成有机物，在满足自身需要的同时放出氢。美国科学家还应用海藻来产氢，其方法是将养有海藻的池塘封闭，由于海藻需要硫作营养剂以促进生长，当去掉硫时，海藻就会消耗水的氧气，转用不同的新陈代谢方式产生氢气。据计算，目前每L海藻溶液可产生3mL的氢气，通过系统改进，氢气产量可增加10倍，一个小池塘中生长的海藻所提供的氢气足够让12辆汽车运行一周。我国哈尔滨建筑大学任南琪、王安贞还以厌氧活性污泥为原

8、料，用有机废水发酵法制氢，实现中试规模连续非固定化菌种长期持续生物制氢，制氢纯度大于99％，产氢能力达到5．7M3H2／M3·d，制氢规模达500～1000NM3／d，技术水平属世界前列。4　氢能前途光明，但仍有许多难题