氫能利用

氫在自然界中是最為普遍的元素，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水里面，而水是地球上最豐富的物質(zhì)。據(jù)推算，如果把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍！除了核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有燃料發(fā)熱值中最高的，為142351kJ／kg，是汽油發(fā)熱值的3倍。其燃燒性能好，與空氣混合時可燃范圍在4％～75％，燃點(diǎn)高，燃燒速度快。而且，氫氣與氧氣燃燒后的產(chǎn)物為水，通過電解水等手段又可以獲得氫，這樣就可以形成可持續(xù)的能量利用循環(huán)。

今天，隨著能源形勢的越來越嚴(yán)峻，人們對氫能越來越青睞。人們在試驗將氫能轉(zhuǎn)化為電能、熱能，制造氫能汽車、船舶、摩托車、自行車。目前，作為化工原料利用的氫氣占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的60％，還有相當(dāng)部分的氫氣應(yīng)用于電子產(chǎn)品加工等領(lǐng)

氫能利用方式主要有三種。

其一，利用氫的熱核反應(yīng)放出核能，這是核能利用的重要途徑。

其次，就是最為普遍的氫氣直接燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，如氫氣發(fā)動機(jī)。德國寶馬汽車公司就一直致力于研發(fā)以氫氣為燃料的汽車發(fā)動機(jī)，并且已經(jīng)推出了樣車進(jìn)行運(yùn)行試驗。

另外一種就是制造氫能燃料電池，比如，德國的奔馳汽車公司對于氫能燃料電池汽車情有獨(dú)鐘。迄今，氫燃料電池汽車已經(jīng)完成或正在進(jìn)行多個商業(yè)示范。燃料電池是一種直接通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。與傳統(tǒng)電池的概念不同，燃料電池不需要充電，只要在它的陽極側(cè)連續(xù)輸入氫氣等燃料，再在陰極側(cè)通入氧化劑氣體(如空氣或氧氣)，電能就能源源不斷地輸出來了。

1998年3月16日和2000年6月30日加拿大溫哥華、美國芝加哥分別完成了燃料電池公共汽車商業(yè)化示范。美國芝加哥的三輛公共汽車總共運(yùn)行11．8萬千米，運(yùn)送20．5萬人次。2004年，戴姆斯—克萊斯勒公司30輛燃料電池公共汽車，用于歐洲CUTE項目。2002年，我國既從能源安全戰(zhàn)略考慮，又在北京2008年“綠色”奧運(yùn)會以及發(fā)展環(huán)保型自主知識產(chǎn)權(quán)汽車工業(yè)“情結(jié)”的推動下，國家科技部組織開展了大規(guī)模的氫能與燃料電池汽車的研究與開發(fā)活動，已取得可喜的成績，研制成功“氫動一號”和“氫動二號”燃料電池轎車，以及燃料電池公共汽車，并成功地進(jìn)行了試運(yùn)行。

如何把氫氣從水中分解出來呢?水電解制氫是一種比較成熟的技術(shù)，它通過電化學(xué)工程與技術(shù)原理，利用電能將水分解成氫氣和氧氣。通常，可以利用電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)峰電能，也可以利用可再生能源發(fā)電。后者可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、無污染的制氫過程。目前，水電解制氫裝置單臺生產(chǎn)能力已達(dá)300立方米／小時，制氫電耗約4～5千瓦時／立方米。通過改進(jìn)水電解系統(tǒng)的電極和電解質(zhì)等關(guān)鍵材料，水電解制氫的成本還可以下降。

直接利用太陽能分解水制氫是最具吸引力的制氫途徑。自1972年日本科學(xué)家Fujishima和Honda在英國(《自然》雜志上報道TiO電極上光解水產(chǎn)氫現(xiàn)象以來，光電化學(xué)分解水制氫，以及隨后發(fā)展起來的光催化分解水制氫已成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)。目前該技術(shù)還處于研究階段，利用可見光催化分解水制氫是科學(xué)家們努力的目標(biāo)。

生物質(zhì)制氫過程大都在室溫或常壓下進(jìn)行，不僅能耗小，而且可以充分利用各種廢棄物，是另一類重要的可再生能源制氫途徑。1999年美國能源部在氫能計劃進(jìn)展報告指出：“利用光電化學(xué)及生物技術(shù)分解水制氫，是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的最理想也是未來最主要的氫能生產(chǎn)技術(shù)”。該過程將生物質(zhì)原料(如林場雜木、稻草、麥稈、玉米稈、青草、草垃圾、含能源的植物、動物糞便等)通過反應(yīng)器轉(zhuǎn)換成燃料氣體(主要是H₂、CO、CH₄)，也可分離轉(zhuǎn)換成純氫用于燃料電池汽車。2002年，一個以垃圾為原料的200kW的PAFC燃料電池發(fā)電廠在美國康涅狄州格羅頓鎮(zhèn)運(yùn)行。該發(fā)電廠裝有燃料潔凈系統(tǒng)，使垃圾產(chǎn)生的燃?xì)庠谶M(jìn)入燃料屯池堆之前，除掉其中的氯化合物、硫化合物和其他污染物。

總而言之，氫能是未來最理想的能源之一。早在130多年前，儒勒·凡爾納就預(yù)言：“Water is thecoal of the future(水是未來的煤)”，他還進(jìn)一步指出：“首先，我們必須能夠成功地利用構(gòu)成水的元素——?dú)浜脱??！彪S著環(huán)保意識的增強(qiáng)，化石資源的枯竭以及氫能制備與儲存技術(shù)研究的深入，在燃料電池技術(shù)即將進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的今天，我們對“氫能時代”的到來充滿信心。