未來的氫能

顏士州

隨著全球石油產(chǎn)量的持續(xù)下降，人們開始擔(dān)心能源危機。那么人類能否開發(fā)出新能源呢？有人曾作過大膽的預(yù)言——未來可能變成氫能的世界。

豐富的氫能

車、船、飛機以及各種設(shè)備都將以氫為燃料，這不是毫無根據(jù)的幻想，而是有一定科學(xué)道理的。

氫是最輕的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0℃時，密度為0.0899克/升，到了-252.7℃時，會變成液體，叫液氫。當(dāng)壓力增大到數(shù)百萬個大氣壓的時候，液氫就可變?yōu)榻饘贇淞?。這是因為隨著溫度和壓力的變化，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)也會變化。

氫燃燒時能放出大量的熱量，每千克氫可放出熱量34000千卡，是汽油的3倍。地球上氫資源極其豐富，雖然游離狀態(tài)的氫很少，含氫的化合物卻多得驚人。以水為例，氫占水的重量比例為11%。汪洋大海占地球面積的71%，僅海洋的水就有l(wèi).37×1018噸，南極洲覆蓋著平均約1700米厚的冰層，這無疑也是極其豐富的“氫礦”。如果把海水中的氫都提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比世界上所有礦物燃料的熱量還大9000倍！這個數(shù)字說明氫能是能源重要的后備軍之一。

氫的提取、貯藏和運輸

那么，作為能源使用時，氫需要解決什么問題呢？一個是要有耗能低、成本低的提取氫的方法，因為氫屬二次能源，提取時也要消耗能量。例如，利用太陽能從水中提取氫就是努力的方向。另一個是要解決氫的貯藏和運輸問題。目前氫的貯藏和運輸有兩種辦法：一種是高壓容器和管道運輸；另一種是把氫變?yōu)橐簹渲笤儋A藏、運輸。前一種辦法需要用高達100～200個大氣壓的笨重的高壓容器，而且運輸也不安全，一旦泄漏就會有爆炸的危險。液氫貯藏和運輸效率雖比較高，但把氫壓縮為液氫要消耗大量的能源，還要用較貴的低溫容器。所以要安全高效地貯藏和運輸，是氫能實用化的一個重要課題。

有些材料在一定溫度與壓力下能吸收氫氣形成氫化物，而當(dāng)壓力降到一定值后，氫化物又會分解放出氫氣。凡具有這種吸脫特征的材料均稱為貯氫材料。在一定溫度和壓力下，氫會由分子態(tài)分解為原子，此時它能按一定比例進入晶體而形成金屬間化合物。伴隨氫化物的形成，氫氣被大量吸收到金屬中。當(dāng)壓力降低到某一數(shù)值時，氫化物開始分解，氫原子從晶體中脫出又變回氫分子，這就是氫的吸收和脫出過程。這種貯氫材料在形成氫化物時呈粉末狀，而不是塊狀。

貯氫材料的應(yīng)用

貯氫材料是正在研究和發(fā)展的一種新材料，它向人們展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，得到了各方面的重視。

目前已實際應(yīng)用的貯氫容器是貯氫瓶。一般每個高壓瓶重約60～70千克，壓力為150～200個大氣壓，而7立方米的新材料貯氫瓶，重量約為原有鋼瓶的1/15，充氣后重量比原來約輕2/3，因此已實現(xiàn)小型化、安全化。

貯氫材料還能起到凈化氫氣作用。在裝有貯氫材料的容器中，當(dāng)不純凈的氫氣進入時，貯氫材料粉末就與氧等其它氣體起化學(xué)反應(yīng)，生成某種穩(wěn)定的化合物。當(dāng)氫化物分解時只有純氫放出，因而得到了凈化。另一方面，當(dāng)氫被吸收時剩下不純的氣體可以用泵抽走。

氫作為汽車和飛機等的燃料優(yōu)勢明顯，它燃燒后排出的是水汽，不會污染環(huán)境。據(jù)報道，英國正在研制以液氫為燃料的超音速飛機。

貯氫材料在尖端科學(xué)技術(shù)中也有用武之地。衛(wèi)星上的電源是太陽能電池。衛(wèi)星運行到背太陽面時，可用氫鎳蓄電池供電，運行到迎著太陽面時，太陽能電池在向衛(wèi)星供電的同時，也向氫鎳電池充電。氫鎳電池就是貯氫材料。當(dāng)電池充電、放電時，伴有氫氣的吸、放反應(yīng)，這樣就使太陽能電池與氫鎳電池互相補充，聯(lián)合供能。

在原子反應(yīng)堆中要使用重水，而重水是氘和氧的化合物，氘是氫的同位素。要使用重水，常常要把氘和氫分開，貯氫材料正好能夠完成這一分離任務(wù)。原理是，貯氫材料對氘和氫的吸脫平衡分解壓不同，例如貯氫材料釩粉在10個大氣壓時，氫和氘被吸入釩中形成氧化物，當(dāng)壓力降到2個大氣壓時便放出氫，氘和氫分開。

電能和熱能的貯存是個重要問題。過去要想把電和熱貯存起來，到了使用時再把它取出，在技術(shù)上很難實現(xiàn)?，F(xiàn)在，有了貯氫材料就好辦多了。

以貯電為例，當(dāng)發(fā)電廠輸出的電力處于使用負荷低潮時，美國提出了一個實驗方案，即把電網(wǎng)的交流電通過大型整流機組變成直流電，再用電解水的裝置把水分解成氫和氧后并分別儲存。這樣，電能不就以氫和氧的形式貯存起來了嗎？在電網(wǎng)負荷處于高潮時，再把貯存的氫和氧放進燃料電池反應(yīng)室，電池便會發(fā)出直流電，經(jīng)變電裝置轉(zhuǎn)換成交流電后，回輸并入電網(wǎng)。

此外，貯氫材料使得熱能的貯存更方便了。貯氫材料在生成氫化物時需要吸收大量的熱并貯存起來；而在氫化物脫解時又把熱釋放出去。

如今，有人設(shè)計出了能夠利用貯氫材料的太陽能冷暖氣機，利用氫能的房屋也已經(jīng)建成。氫能的利用已展現(xiàn)出了誘人的前景。