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氫能源:正向我們走來的“未來能源”

2019-08-15 09:27
智能制造
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據陜西日報報道,說起新能源汽車大家都不陌生。其中,氫燃料以其綠色、高續航等優點,正在成為新能源汽車的主要發展方向之一,很多企業和機構已經開始著手氫燃料的研究和開發。氫燃料電池汽車是氫能源的一個重要應用領域。氫能源以其諸多優勢,被稱為“未來能源”,隨著科技水平的不斷進步,它還將在更多領域大顯身手。

氫能源是一種清潔可再生能源,能夠與電能實現高效的相互轉換,被認為有望成為能源使用的終極形式。與此同時,氫能源還擁有比化石能源更高的能量密度、各類能源中最低的發電建設成本、利用工業尾氣制氫或棄電水解制氫等優勢,對節能減排可起到決定性的作用。

氫能源是一種二次能源,它通過一定的方法利用其他能源制取,不像煤、石油、天然氣可以直接開采。氫位于元素周期表之首,原子序數為1,常溫常壓下為氣態,超低溫高壓下為液態。作為一種理想的新的合能體能源,它具有以下顯著的特點:

重量最輕,標準狀態下,密度為0.0899g/L,-252.7℃時可成為液體,若將壓力增大到數百個大氣壓,液氫可變為金屬氫;導熱性最好,比大多數氣體的導熱系數高出10倍;普遍無色,據估計它構成了宇宙質量的75%,主要以化合物的形態貯存于水中,而水是地球上最廣泛的物質。據推算,如把海水中的氫全部提取出來,它所產生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。

氫的特征決定了氫能源擁有無可比擬的優勢。氫能源擁有理想的發熱值,除核燃料外,氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,為142351kJ/kg,是汽油發熱值的3倍;燃燒性能好,點燃快,與空氣混合時可燃范圍廣、燃點高、燃燒速度快;與其他燃料相比,氫燃燒時最清潔,除生成水和少量氮化氫外,不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質,少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境,且燃燒生成的水還可繼續制氫,反復循環使用,產物水無腐蝕性;利用形式多,既可以通過燃燒產生熱能,在熱力發動機中產生機械功,又可以作為能源材料用于燃料電池,或轉換成固態氫用作結構材料;以氣態、液態或固態的金屬氫化物出現,能適應貯運及各種應用環境的不同要求;可以取消遠距離高壓輸電,代以遠近距離管道輸氫,安全性相對提高,能源無效損耗減小;氫可以減輕燃料自重,可以增加運載工具有效載荷,從而降低運輸成本……

氫能源的發展利用已有長足進步。自從1965年美國開始研制液氫發動機以來,科學家相繼研制成功了各種類型的噴氣式和火箭式發動機。美國的航天飛機已成功使用液氫做燃料。我國長征2號、3號運載火箭也使用液氫做燃料。利用液氫代替柴油,用于鐵路機車或一般汽車的研制也十分活躍。氫汽車靠氫燃料、氫燃料電池運行也是溝通電力系統和氫能體系的重要手段。

世界各國正在研究如何能大量而廉價地生產氫。利用太陽能分解水,也就是在光的作用下將水分解成氫氣和氧氣,是其中一個主要研究方向。其中的關鍵在于找到一種合適的催化劑。如今,世界上有50多個實驗室在進行研究,但至今尚未有重大突破。科學家預計,一旦更有效的催化劑問世,水中取“火”——制氫就成為可能。到那時,人們只要在汽車、飛機等油箱中裝滿水,再加入光水解催化劑,在陽光照射下,水便能不斷地分解出氫,成為發動機的能源。

20世紀70年代,科學家用半導體材料鈦酸鍶作光電極,金屬鉑作暗電極,將它們連在一起,然后放入水里,通過陽光的照射,就在鉑電極上釋放出氫氣,而在鈦酸鍶電極上釋放出氧氣。這就是我們通常所說的光電解水制取氫氣法。

科學家們還發現,一些微生物也能在陽光作用下制取氫。科學家利用在光合作用下可以釋放氫的微生物,通過氫化酶誘發電子,把水里的氫離子結合起來,生成氫氣。蘇聯的科學家們已在湖沼里發現了這樣的微生物,他們把這種微生物放在適合它生存的特殊器皿里,然后將微生物產生出來的氫氣收集在氫氣瓶里。這種微生物含有大量的蛋白質,除了能放出氫氣外,還可以用于制藥和生產維生素,以及用它作畜牧和家禽的飼料。科學家正在設法培養能高效產氫的這類微生物,以適應開發利用新能源的需要。

如今,世界上許多國家和地區已經廣泛開展了氫能源研究,并取得了氫燃料電池發動機的關鍵技術突破。但是,氫燃料電池的大規模應用,還需要其產業化技術的不斷改進和提升。我們期待氫能源相關產業化技術的不斷成熟,希望在更多領域看到氫能源的利用。(文/張梅)

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

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