氫能的可利用性及其必要性 2

1、 氫能的可利用性及其必要性 高分子1102 王帥 5 技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展以及人口的增長，使得人們對能源的需求越來越大.目前以石油，煤為代表的化石燃料仍然是能源的主要來源.一方面，化石燃料的使用帶來了嚴重的環(huán)境污染，大量的CO2，SO2，NOx氣體以及其他污染物，導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的產(chǎn)生和酸雨的形成.另一方面，由于化石燃料的不可再生性和有限的儲量，日益增長的能源需求帶來了嚴重的能源危機.據(jù)估計，按照目前的消耗量，石油僅僅能維持不到50年，而煤也只能維持200年.Kazim和Veziroglu指出，做為主要石油輸出國的阿拉伯聯(lián)合酋長國，將在2015年無法滿足石油的需求.Abdallah等人則公布，埃及的

2、化石燃料資源，在未來的20年內(nèi)就會耗盡！基于以上所述環(huán)境污染和能源短缺的雙重危機，發(fā)展清潔的，可再生的新能源的要求越來越迫切.太陽能，風(fēng)能，生物質(zhì)，地?zé)崮埽毕?，具有豐富，清潔，可再生的優(yōu)點，今年來受到了國際社會的廣泛關(guān)注.尤其以太陽能，風(fēng)能以及生物質(zhì)能，更被視為未來能源的主力軍.根據(jù)簡單估算，太陽能的利用率為20%時，利用陸地面積的0.1%就足以提供滿足當(dāng)前全球的能量需求.而中國僅僅依靠風(fēng)力發(fā)電，就足以使目前的發(fā)電量翻一番.然而，這些可再生資源具有間歇性，地域特性，并且不易儲存和運輸?shù)奶攸c.氫，以其清潔無污染，高效，可儲存和運輸?shù)葍?yōu)點，被視為最理想的能源載體.目前各國都投入了大量的研究經(jīng)費

3、用于發(fā)展氫能源系統(tǒng).氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，因此氫能被稱為人類的終極能源。水是氫的大“倉庫”，如把海水中的氫全部提取出來，將是地球上所有化石燃料熱量的9000 倍。氫的燃燒效率非常高，只要在汽油中加入4% 的氫氣，就可使內(nèi)燃機節(jié)油40%。目前，氫能技術(shù)在美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)已進入系統(tǒng)實施階段。美國政府已明確提出氫計劃，宣布今后4年政府將撥款17億美元支持氫能開發(fā)。美國計劃到2040年美國每天將減少使用1100萬桶石油，這個數(shù)字正是現(xiàn)在美國每天的石油進口量。氫能 【hydrogen energy】 通過氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。氫能是氫的化學(xué)能，氫在地球上

4、主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。由于氫氣必須從水、化石燃料等含氫物質(zhì)中制得，因此是二次能源。工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見的有水電解制氫、煤炭氣化制氫、重油及天然氣水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制氫等。氫能具有以下主要優(yōu)點：燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源。目前，氫能技術(shù)在美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)已進入系統(tǒng)實施階段。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

5、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1869年俄國著名學(xué)者門捷列夫整理出化學(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，德國齊柏林公司利用氫的巨大浮力，制造了世界上第一艘“LZ127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(lǐng)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

6、。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(xué)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)。氫動力汽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(shù)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(chǎn)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?，點火能量低（容易點著），所以氫能汽車比汽油汽車總的

7、燃料利用效率可高20%。當(dāng)然，氫的燃燒主要生成物是水，只有極少的氮氫化物，絕對沒有汽油燃燒時產(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(yīng)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、

8、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。在中國許當(dāng)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(chǎn)）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。氫能發(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

9、是低谷。為了調(diào)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(nèi)燃發(fā)動機配以發(fā)電機，它不需要復(fù)雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，啟動迅速，要開即開，欲停即停。在電網(wǎng)低負荷時，還可吸收多余的電來進行電解水，生產(chǎn)氫和氧，以備高峰時發(fā)電用。這種調(diào)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(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。換言之，

10、也是水電解槽產(chǎn)生氫和氧的逆反應(yīng)。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(guān)注。燃料電池的簡單原最巧是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進行燃燒，能源轉(zhuǎn)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?，F(xiàn)在已大幅度降價，逐步轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。目前，燃料電池的種類很多，主要有以下幾種：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

11、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4050美分。融熔燃料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(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)電成本每千瓦小時可低于40美分。固體電池固體氧化物型燃料電池被認為是第三代燃料電池，其

12、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)，可產(chǎn)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(zhì)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

13、料是氫氣，因為它是電解制氫的逆反應(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(diào)機等等，并且在車庫內(nèi)與汽車充氫設(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)氫能在工業(yè)領(lǐng)域(如切割,焊接),巳有非常長的歷史.

14、特別是在首飾加工行業(yè),有機玻璃制品火焰拋光, 連鑄坯切割,制藥廠水針劑拉絲封口等領(lǐng)域的應(yīng)用非常普及.作為新能源，其安全性受到人們的普遍關(guān)注。從技術(shù)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(chǎn)生傷害，也不會產(chǎn)生溫室效應(yīng)?？茖W(xué)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(jié)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(nèi)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

15、蔓延，很快包圍了汽車，傷及車內(nèi)人員的安全。隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，我國人民生活不斷向小康邁進并且我國國際地位不斷提高?？墒悄茉次C問題也因經(jīng)濟高速發(fā)展而造成的對能源的巨大需求而逐漸成為遏制我國長期發(fā)展的戰(zhàn)略瓶頸。相比美俄，我國暫時能源戰(zhàn)略優(yōu)勢明顯不足，搶先進入氫經(jīng)濟是我國擺脫百年來科技和戰(zhàn)略落后的最佳切入點。目前我國工業(yè)企業(yè)包括汽車工業(yè)在研發(fā)實力和資金上距美日歐還有一定差距，在氫能開發(fā)和燃料電池技術(shù)上我國還處于落后狀態(tài)。我國在氫能開發(fā)研究上已經(jīng)投入大量資金和人力，可是能源戰(zhàn)略事關(guān)重大，我國中央政府可以考慮利用我國特有的中央調(diào)控和執(zhí)行性強的優(yōu)勢，把氫能的開發(fā)和推動氫經(jīng)濟列為國家發(fā)展戰(zhàn)略并展開求真務(wù)實的氫經(jīng)濟大躍進。率先成功啟動氫經(jīng)濟是我國逐漸擺脫對海上石油供給線的依賴，擺脫潛在的海上封鎖，成功取得臺海乃至全球長期戰(zhàn)略優(yōu)勢的關(guān)鍵。評判結(jié)果王帥同學(xué)： 你的課程作業(yè)小論文寫的真不錯！很好！但是，你也有一些地方需要你以后注意改正，例如，（1）你的題目要寫成1行而且要居中?。?）你的班級、學(xué)號、名字要寫成1排?。?）在你的正文中，CO2、SO2、NOx要改