芻氫

燃料電池，受控核聚變(人造太陽)都需要氫氣這種物質(zhì)。

氫，第一號元素。十六世紀，瑞士藥學(xué)家巴拉塞爾斯用鐵屑和硫酸起作用第一個制得氫。1783年，法國化學(xué)家拉瓦錫先用分解法把水分解為氫和氧，然后又把氫、氧合成為水。他斷言：水是由氫、氧組成的化合物。

氫在整個宇宙的原子中占82％，在整個地殼的原子中占17％，僅次于氧。動植物體內(nèi)和礦物燃料中，到處都有氫、碳、氧的化合物。氫在溫度和壓力的條件下能與很多元素“結(jié)親”，生成氫的化合物。自然界中，氫是以氫離子和氫氧根離子形式存在于水中(宇宙學(xué)說：宇宙降溫30000c，質(zhì)子和中子結(jié)合形成氫原子，在電離的作用下，氫原予和電子結(jié)合生成氫氣；分子學(xué)說：原子是由原子核和電子組成，一個分子的氫只有兩個電子參加反應(yīng)，一個水分子是由二個氫原子和一個氧原子構(gòu)成；科學(xué)告訴我們：氫、氧具有陰，陽極性.在電解作用下，氫離子與電子結(jié)合生成氫氣)。水從太空來到地球有兩條途徑，一是落在地球上的隕石，二是來自太陽的質(zhì)子形成的水分子。然而直到最近，從人造衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)千張地球大氣紫外線輻射的圖像中，發(fā)現(xiàn)在園盤形狀的地球圖像中，總有一些黑斑。經(jīng)過美國科學(xué)家分析，這些黑斑點是由一些看不見的冰塊組成的小彗星沖入地球的大氣層，破裂和融化成水蒸氣造成的，據(jù)估計，每分鐘大約有20顆平均直徑為1D米的冰狀小彗星進入地球大氣層，每顆釋放約100噸水。他們據(jù)此提出：地球形成至今大約有38億年的歷史。正是由于這些小彗星不斷供給水分，從而使地球總的儲水量約為13.86億立方千米(97.47％為咸水，2.53％為淡水)。

豐富的產(chǎn)氫資源，能為人類的生存和社會的發(fā)展作些什么?氫是一種能源載體!

能源是人類生存和社會發(fā)展的根本保證?；剂腺Y源不可再生，儲量有限，而且造成環(huán)境污染，因此，利用和開發(fā)來源更為廣泛，清潔、高效的新能源已刻不容緩。

專家普通認為，二十一世紀最具有前途的能源有兩種，一種是氫能，另一種是受控核聚變能，這兩種能源都與氫元素息息相關(guān)，前者直接利用氨，后者則利用氫的同位數(shù)——氘。

以氫氣為能源有許多優(yōu)點，熱值高，是汽油的三倍，燃燒后的產(chǎn)物是水，該產(chǎn)物無毒，無污染，可循環(huán)；利用形式多，可以以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)金屬氫化物的形式滿足人類和社會的需要，性能好、點燃快、效率高等。

目前，成熟的制氫技術(shù)包括：醇水蒸氣重整，醇分解，甲烷重整和煤氣化等。盡管化石燃料有限，造成環(huán)境污染，但作為一種過渡的制氫技術(shù)，在今后的約千年中仍將發(fā)揮最重要的作用。水制氫技術(shù)主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)的水電解制氫技術(shù)，此技術(shù)已有一個世紀的生產(chǎn)歷史，由于氫、氧分解而使其成本太高制約了此技術(shù)在市場的發(fā)展空間，誠然，科學(xué)家們?nèi)栽谶M行著百倍的努力。

為此，讓我們溫習(xí)一下相關(guān)的知識和成熟的技術(shù)。

水是由二個氫原子和一個氧原予構(gòu)成的3.3 x 1022／cm3個龐大的水分子集團是可以變成有活性的單個水分子。我們知道，分子、原子、離子都是構(gòu)成物質(zhì)的粒子。分子在物理變化中其本身不變，并保持其化學(xué)性質(zhì)，而分子在化學(xué)變化中是可以分裂成原子，原子重新組合成別的物質(zhì)的分子；離子是由原子得到或失去電子后形成的帶電荷的原子團或原子。實際上，構(gòu)成物質(zhì)的單元是多種多樣的，或是分子(如有機物)，或是原子(如金屬)，或是離子(如鹽類)。原子是可以分成原子核和核外電子。但是，不同的物質(zhì)的原子束縛電子的本領(lǐng)不同，兩個物體相互摩擦的時候，哪個物體的原子核束縛的本領(lǐng)弱，它的一些電子就會轉(zhuǎn)移到另一個物體上，失去電子的物體因為缺少電子而帶正電，得到電子的物體因為有了多余的電子而帶等量的負電。

水是由氫、氧兩種元素組成的，但水為什么不能燃燒呢?黃磷遇見氧就會自動地燃燒，煤炭，氫氣、硫磺等在溫度有一定高時就能夠猛烈地燃燒起來，酒精是由碳，氫、氧三種元素組成的，汽油和煤油只含碳、氫，這些物質(zhì)也是能夠燃燒的，酒精、汽油、煤油燃燒后，每個碳原子跟二個氧原子結(jié)合變成了二氧化碳，而其中的氫原子和氧原子結(jié)合變成了水，當(dāng)全部的碳都變成了二氧化碳，而全部的氫都變成了水以后，它們也就燒完了。

水是由氫氣燃燒后的產(chǎn)物，二個氫原子和一個氧原子化合，生成了一個水分子。體積為10—15cm3的水滴中包含著3×107個水分子。H2O是水的化合物，它是一個鍵能很強的偶極分子，在氫、氧鍵中共價成分很高，其形式是等腰三角型，二個氫、一個氧的鍵角為105度，這是由于氫和氧原子的電子層結(jié)構(gòu)而決定的。它們的穩(wěn)定性很強，水蒸氣加熱到2000K以上，也只有極少量離解為氫和氧，但在通電的條件下，會離解為氫氣和氧氣。自然界中，純水是罕見的，水通常是酸、堿、鹽等物質(zhì)的溶液，水中含有溶解了的金屬離子和非金屬離子，因而，水在溫度、壓力、PH值等情況下有溶解能力和導(dǎo)電能力。

在一盆水中，先加入幾滴硫酸，接著把干電池的兩個電極上的銅絲插進水中，一個有趣的現(xiàn)象就出現(xiàn)了，兩個電極都有氣體冒出來。把陰極出來的氣體用下方排水集氣法收集在小試管中，用火一點，就有淡藍色的火焰燒起來，若把它充進氣球中去，氣球就會冉冉升上高空，它就是氫氣。從陽極出來的氣體可不一樣，它不會燃燒，但能幫助燃燒，把一根將熄未熄的火柴投入到這氣體，火柴立刻會冒出強光，熾熱地?zé)饋?，它就是氧氣。電?它是流動的電子電荷和運動的空穴電荷的總稱，并具有通過導(dǎo)體會產(chǎn)生熱效應(yīng)，磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、發(fā)光效應(yīng)等)通過水中，兩個電極不斷地冒出氣體，而水卻慢慢地減少，一直到剩下幾滴硫酸為止，這就是電解。

目前，水電解制氫裝置一般由電解槽，氣體洗滌器，氣液分離器，電解液循環(huán)泵，電解液過濾器，壓力調(diào)節(jié)器，測量及控制儀表和電源設(shè)備等組成。

水電解槽是水制氫技術(shù)的核心器件，它是由若干個電解小室(電解池)組成，每個電解池由陰、陽極，隔膜及電解液構(gòu)成，在通入直流電后，水在電解池中被分解，陰極產(chǎn)氫，陽極產(chǎn)氧。即：陽極反應(yīng)：H2O→2H+＋＋1／2O2＋2e陰極反應(yīng)：2H＋＋2e→H2 ↑，電解質(zhì)是美國通用電氣公司水電解工藝所采用的固體聚合物——磺酸基團結(jié)合到聚四氟乙烯上，因為它具有良好的熱穩(wěn)定性，抗氧化性，機械強度較好，不易脆化，浸水后具有優(yōu)良的離子導(dǎo)電能力，允許氫離子通過，而阻止氣體透過。它的導(dǎo)電原理是水合離子(H+XH20)的遷移。水電解時，將水供給陽極，在陽極被分解為氧氣，氫離子和電子，氫離子通過固體聚合物移向陰極，電子則通過外電路到達陰極，在陰極，氫離子和電子結(jié)合生成氫茸

國內(nèi)的水電解制氫技術(shù)有多種規(guī)模，最大的產(chǎn)氫量可達350m3／h，雖然氫氣的純度很高，但直接電耗在5kw.h／m3.H2之間。日本采用美國通用電氣公司的水電解工藝發(fā)展速度很快，各項性能指標為：產(chǎn)氫量32000m3／h，電流密度10000-30000A／m2，有效面積1.0-3.0m2，小室電壓1.705v，溫度1200C，壓力0.44MPa，能量效率達90％以上，并將很快應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。

誠然，國內(nèi)生產(chǎn)的小型氫氣發(fā)生器已經(jīng)是氣相色譜儀使用的理想氫氣源的制備了。

小型氫氣發(fā)生器是由電源、電解池、儲水槽、氣體脫水器、電磁閥、報警器、干燥器和流量指示表等組成。在0.45MPa的壓力下產(chǎn)氫速度為500mVmin。工作原理：陽極放電產(chǎn)生氧氣和氫離子，氫離子遷移穿過離子膜(是一種O.3mm厚的離子導(dǎo)電能力的全氟磺酸膜的固體聚合物新技術(shù))，在陰極放電產(chǎn)氫氣，陽極產(chǎn)氧氣(排人大氣)，只消耗水和電，斷電立刻停止制氣，通電正常供氣。氫氣可直接進入設(shè)備或管道系統(tǒng)。

重水(D20)電解與普通水電解過程一樣(重氫是由美國哥倫比亞大學(xué)的尤里教授在1931年發(fā)現(xiàn)的)，電解時，陽極產(chǎn)生氧氣放出，陰極分別產(chǎn)生氫、以及氫氘混合物。

近日，科學(xué)家們提出如何利用太陽能直接電解水制氫的方法，其原理基于光電化學(xué)池和半導(dǎo)體光催化法，即通過光陽極吸收太陽能并將光能轉(zhuǎn)化為電能，同時在對極上給出電子。也就是說：光陽極和對極——陰極組成光電化學(xué)池，在電解質(zhì)存在下，光陽極吸光后，在半導(dǎo)體導(dǎo)帶上激發(fā)產(chǎn)生電子，通過外電路流向?qū)O，水中的質(zhì)子從對極上接收電子產(chǎn)生氫氣。此方法目前離實際需求還存在一定的距離。

水分解制氫技術(shù)的市場化的真正意義是氫能的利用——直接燃燒，燃料電池和核聚變，這才是氫能時代的開始。