氫能的優(yōu)點?
作者:化工綜合網(wǎng)發(fā)布時間:2022-02-11分類:催化劑及助劑瀏覽:78
氫能利用各方面
氫能利用方面很多,有的已經(jīng)實現(xiàn),有的人們正在努力追求。為了達到清潔新能源的目標,氫的利用將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敘述一下。
依靠氫能可上天
古代,秦始皇統(tǒng)一中國,他想長生不老,曾積極支持煉丹術。其實煉丹術士最早接觸的就是氫的金屬化合物。無奈多少帝王夢想長生不老,或幻想遨游太空,都受當時的科學技術水平所限,真是登天無梯。到后來,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,此后從氫出發(fā),尋找與氫元素之間的關系,為眾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”號飛艇,首次把人們從德國運送到南美洲,實現(xiàn)了空中飛渡大西洋的航程。大約經(jīng)過了十年的運行,航程16萬多公里,使1.3萬人領受了上天的滋味,這是氫氣的奇跡。
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雙引擎輟炸機改裝了氫發(fā)動機,實現(xiàn)了氫能飛機上天。特別是1957前蘇聯(lián)宇航員加加林乘坐人造地球衛(wèi)星遨游太空和1963年美國的宇宙飛船上天,緊接著1968年阿波羅號飛船實現(xiàn)了人類首次登上月球的創(chuàng)舉。這一切都依靠著氫燃料的功勞。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(yè)運營的日子已為時不遠。過去帝王的夢想將被現(xiàn)代的人們實現(xiàn)。
利用氫能可開車
以氫氣代替汽油作汽車發(fā)動機的燃料,已經(jīng)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,每公斤氫燃燒所產生的能量為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?zhèn)鞑ニ俣瓤欤c火能量低(容易點著),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,只有極少的氮氧化物,絕對沒有汽油燃燒時產生的一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等污染環(huán)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,目前將以金屬氫化物為貯氫材料,釋放氫氣所需的熱可由發(fā)動機冷卻水和尾氣余熱提供。現(xiàn)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(fā)動機只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(jié)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后,再推廣全燃氫汽車。德國奔馳汽車公司已陸續(xù)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公斤鈦鐵合金氫化物為燃料箱,代替65升汽油箱,可連續(xù)行車130多公里。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鈦鐵合金氫化物。
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(qū)工作,能改善整個發(fā)動機的燃燒狀況。在我國許當城市交通擁擠,汽車發(fā)動機多處于部分負荷下運行、采用摻氫汽車尤為有利。特別是有些工業(yè)余氫(如合成氨生產)未能回收利用,若作為摻氫燃料,其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都是可取的。
燃燒氫氣能發(fā)電
大型電站,無論是水電、火電或核電,都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng),由電網(wǎng)輸送給用戶。但是各種用電戶的負荷不同,電網(wǎng)有時是高峰,有時是低谷。為了調節(jié)峰荷、電網(wǎng)中常需要啟動快和比較靈活的發(fā)電站,氫能發(fā)電就最適合搶演這個角色。利用氫氣和氧氣燃燒,組成氫氧發(fā)電機組。這種機組是火箭型內燃發(fā)動機配以發(fā)電機,它不需要復雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng),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(wǎng)低負荷的,還可吸收多余的電來進行電解水,生產氫和氧,以備高峰時發(fā)電用。這種調節(jié)作用對于用網(wǎng)運行是有利的。另外,氫和氧還可直接改變常規(guī)火力發(fā)電機組的運行狀況,提高電站的發(fā)電能力。例如氫氧燃燒組成磁流體發(fā)電,利用液氫冷卻發(fā)電裝置,進而提高機組功率等。
更新的氫能發(fā)電方式是氫燃料電池。這是利用氫和氧(成空氣)直接經(jīng)過電化學反應而產生電能的裝置。換言之,也是水電解槽產生氫和氧的逆反應。70年代以來,日美等國加緊研究各種燃料電池,現(xiàn)已進入商業(yè)性開發(fā),日本已建立萬千瓦級燃料電池發(fā)電站,美國有30多家廠商在開發(fā)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(fā)電方式已引起世界的關注。
燃料電池的簡單原最巧是將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(fā)電裝置很小,造價很高,主要用于宇航作電源。現(xiàn)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:
磷酸鹽型燃料電池
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,美國和日本已分別建成4500千瓦及11 000千瓦的商用電站。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(fā)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(fā)電成本尚高,每千瓦小時約40~50美分。
融熔碳酸鹽型燃料電池
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(fā)電效率約55%,日本三菱公司已建成10千瓦級的發(fā)電裝置。這種燃料電池的電解質是液態(tài)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(fā)電成本每千瓦小時可低于40美分。
固體氧化物型燃料電池
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(fā)電效率可超過60%,目前不少國家在研究,它適于建造大型發(fā)電站,美國西屋公司正在進行開發(fā),可望發(fā)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(fā)電效率也可高達60%,且不用貴金屬作催化劑,瑞典已開發(fā)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(fā)電效率高達75%,運行溫度低于100℃,但是必需以純氧作氧化劑。后來,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公里,時速可達100公里,這是一種可逆式質子交換膜燃料電池,發(fā)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,特別適合作移動電源和車船的動力,因此也是今后氫能利用的孿生兄弟。
家庭用氫真方便
隨著制氫技術的發(fā)展和化石能源的缺少,氫能利用遲早將進入家庭,首先是發(fā)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將氫氣貯存,然后分別接通廚房灶具、浴室、氫氣冰箱、空調機等等,并且在車庫內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(tǒng),將給人們創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境,減輕許多繁雜事務
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,氫泄漏或燃燒時,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,不會對人體產生傷害,也不會產生溫室效應。科學家已經(jīng)做過大量的氫能安全試驗,證明氫是安全的燃料。如在汽車著火試驗中,分別將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著火后,氫氣劇烈燃燒,但火焰總是向上沖,對汽車的損壞比較緩慢,車內人員有較長得時間逃生,而天然燃料的汽車著火后,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,傷及車內人員的安全。
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