(1)依靠氫能
1869年俄國(guó)著名學(xué)者門(mén)捷列夫整理出化學(xué)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(guān)系,為眾多的元素打下了基礎(chǔ),人們則氫的研究和利用也就更科學(xué)化了。至1928年,德國(guó)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(hào)飛艇,首次把人們從德國(guó)運(yùn)送到南美洲,實(shí)現(xiàn)了空中飛渡大西洋的航程。大約經(jīng)過(guò)了十年的運(yùn)行,航程16萬(wàn)多公里,使1.3萬(wàn)人領(lǐng)受了上天的滋味,這是氫氣的奇跡。 然而,更先進(jìn)的是本世紀(jì)50年代,美國(guó)利用液氫作超音速和亞音速飛機(jī)的燃料,使B57雙引擎輟炸機(jī)改裝了氫發(fā)動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)了氫能飛機(jī)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(guó)的宇宙飛船上天,緊接著1968年阿波羅號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)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(xué)的21世紀(jì),先進(jìn)的高速遠(yuǎn)程氫能飛機(jī)和宇航飛船,商業(yè)運(yùn)營(yíng)的日子已為時(shí)不遠(yuǎn)。過(guò)去帝王的夢(mèng)想將被現(xiàn)代的人們實(shí)現(xiàn)。 以氫氣代替汽油作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,已經(jīng)過(guò)日本、美國(guó)、德國(guó)等許多汽世公司的試驗(yàn),技術(shù)是可行的,主要是廉價(jià)氫的來(lái)源問(wèn)題。氫是一種高效燃料,每公斤氫燃燒所產(chǎn)生的能量為33.6千瓦小時(shí),幾乎等于汽油燃燒的2.8倍。氫氣燃燒不僅熱值高,而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?,點(diǎn)火能量低(容易點(diǎn)著),所以氫能汽車(chē)比汽油汽車(chē)總的燃料利用效率可高20%。當(dāng)然,氫的燃燒主要生成物是水,只有極少的氮?dú)浠?,絕對(duì)沒(méi)有汽油燃燒時(shí)產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化硫等污染環(huán)境的有害成分。氫能汽車(chē)是最清潔的理想交通工具。 氫能汽車(chē)的供氫問(wèn)題,是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(dòng)機(jī)冷卻水和尾氣余熱提供?,F(xiàn)有兩種氫能汽車(chē),一種是全燒氫汽車(chē),另一種為氫氣與汽油混燒的摻氫汽車(chē)。摻氫汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē),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(chē),待氫氣可以大量供應(yīng)后,再推廣全燃?xì)淦?chē)。德國(guó)奔馳汽車(chē)公司已陸續(xù)推出各種燃?xì)淦?chē),其中有面包車(chē)、公共汽車(chē)、郵政車(chē)和小轎車(chē)。以燃?xì)涿姘?chē)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(chē)130多公里。德國(guó)奔馳公司制造的摻氫汽車(chē),可在高速公路上行駛,車(chē)上使用的儲(chǔ)氫箱也是鈦鐵合金氫化物。 摻氫汽車(chē)的特點(diǎn)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況。在中國(guó)許當(dāng)城市交通擁擠,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)多處于部分負(fù)荷下運(yùn)行、采用摻氫汽車(chē)尤為有利。特別是有些工業(yè)余氫(如合成氨生產(chǎn))未能回收利用,若作為摻氫燃料,其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都是可取的。
大型電站,無(wú)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(hù)。但是各種用電戶(hù)的負(fù)荷不同,電網(wǎng)有時(shí)是高峰,有時(shí)是低谷。為了調(diào)節(jié)峰荷、電網(wǎng)中常需要啟動(dòng)快和比較靈活的發(fā)電站,氫能發(fā)電就最適合搶演這個(gè)角色。利用氫氣和氧氣燃燒,組成氫氧發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組是火箭型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)配以發(fā)電機(jī),它不需要復(fù)雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng),因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便,啟動(dòng)迅速,要開(kāi)即開(kāi),欲停即停。在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí),還可吸收多余的電來(lái)進(jìn)行電解水,生產(chǎn)氫和氧,以備高峰時(shí)發(fā)電用。這種調(diào)節(jié)作用對(duì)于用網(wǎng)運(yùn)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(jī)組的運(yùn)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(jìn)而提高機(jī)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(guò)電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。換言之,也是水電解槽產(chǎn)生氫和氧的逆反應(yīng)。70年代以來(lái),日美等國(guó)加緊研究各種燃料電池,現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)性開(kāi)發(fā),日本已建立萬(wàn)千瓦級(jí)燃料電池發(fā)電站,美國(guó)有30多家廠商在開(kāi)發(fā)燃料電池。德、英、法、荷、丹、意和奧地利等國(guó)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(guān)注。 燃料電池的簡(jiǎn)單原最巧是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,不需要進(jìn)行燃燒,能源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(jià)很高,主要用于宇航作電源?,F(xiàn)已大幅度降價(jià),逐步轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。燃料電池的種類(lèi)很多,主要有以下幾種:
(4)磷酸鹽型燃料電池
磷酸鹽型燃料電池是最早的一類(lèi)燃料電池,工藝流程基本成熟,美國(guó)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(dá)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,發(fā)電成本尚高,每千瓦小時(shí)約40~50美分。 (5)融熔碳酸鹽型燃料
融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱(chēng)為第二代燃料電池,其運(yùn)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(jí)的發(fā)電裝置。這種燃料電池的電解質(zhì)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(shí)可低于40美分。 (6)固體氧化物電池
固體氧化物型燃料電池被認(rèn)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(guò)60%,不少?lài)?guó)家在研究,它適于建造大型發(fā)電站,美國(guó)西屋公司正在進(jìn)行開(kāi)發(fā),可望發(fā)電成本每千瓦小時(shí)低于20美分。
此外,還有幾種類(lèi)型的燃料電池,如堿性燃料電池,運(yùn)行溫度約200℃,發(fā)電效率也可高達(dá)60%,且不用貴金屬作催化劑,瑞典已開(kāi)發(fā)200千瓦的一個(gè)裝置用于潛艇。美國(guó)最早用于阿波羅飛船的一種小型燃料電池稱(chēng)為美國(guó)型,實(shí)為離子交換膜燃料電池,它的發(fā)電效率高達(dá)75%,運(yùn)行溫度低于100℃,但是必須以純氧作氧化劑。后來(lái),美國(guó)又研制一種用于氫能汽車(chē)的燃料電池,充一次氫可行300公里,時(shí)速可達(dá)100公里,這是一種可逆式質(zhì)子交換膜燃料電池,發(fā)電效率最高達(dá)80%。 燃料電池理想的燃料是氫氣,因?yàn)樗请娊庵茪涞哪娣磻?yīng)。燃料電池的主要用途除建立固定電站外,特別適合作移動(dòng)電源和車(chē)船的動(dòng)力,因此也是今后氫能利用的孿生兄弟。 (7)家庭用氫
隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和化石能源的缺少,氫能利用遲早將進(jìn)入家庭,首先是發(fā)達(dá)的大城市,它可以像輸送城市煤氣一樣,通過(guò)氫氣管道送往千家萬(wàn)戶(hù)。每個(gè)用戶(hù)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(diào)機(jī)等等,并且在車(chē)庫(kù)內(nèi)與汽車(chē)充氫設(shè)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(chē)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(wù)。