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氫是一種熱值很高的燃料。燃燒1千克氫可放出62.8千焦的熱量,1千克氫可以代替3千克煤油。氫氧結(jié)合的燃燒產(chǎn)物是最干凈的物質(zhì)--水,沒(méi)有任何污染。未來(lái)最有前途的燃料電池也主要是以氫為能源。目前利用氫能的困難是什么呢?
氫的來(lái)源非常豐富,若能從水中制取氫,則可謂取之不盡、用之不竭。氫能的利用,主要包括兩個(gè)方面:一是制氫工藝,二是儲(chǔ)氫方法。
傳統(tǒng)儲(chǔ)氫方法有兩種,一種方法是利用高壓鋼瓶(氫氣瓶)來(lái)儲(chǔ)存氫氣,但鋼瓶?jī)?chǔ)存氫氣的容積小,瓶里的氫氣即使加壓到150個(gè)大氣壓,所裝氫氣的質(zhì)量也不到氫氣瓶質(zhì)量的1%,而且還有爆炸的危險(xiǎn);另一種方法是儲(chǔ)存液態(tài)氫,將氣態(tài)氫降溫到-253 0C變?yōu)橐后w進(jìn)行儲(chǔ)存,但液體儲(chǔ)存箱非常龐大,需要極好的絕熱裝置來(lái)隔熱,才能防止液態(tài)氫不會(huì)沸騰汽化。近年來(lái),一種新型簡(jiǎn)便的儲(chǔ)氫方法應(yīng)運(yùn)而生,即利用儲(chǔ)氫合金(金屬氫化物)來(lái)儲(chǔ)存氫氣。
研究證明,某些金屬具有很強(qiáng)的捕捉氫的能力,在一定的溫度和壓力條件下,這些金屬能夠大量“吸收”氫氣,反應(yīng)生成金屬氫化物,同時(shí)放出熱量。其后,將這些金屬氫化物加熱,它們又會(huì)分解,將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來(lái)。這些會(huì)“吸收”氫氣的金屬,稱為儲(chǔ)氫合金。
儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫能力很強(qiáng)。單位體積儲(chǔ)氫的密度,是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍,也即相當(dāng)于儲(chǔ)存了1000個(gè)大氣壓的高壓氫氣。
由于儲(chǔ)氫合金都是固體,既不用儲(chǔ)存高壓氫氣所需的大而笨重的鋼瓶,又不需存放液態(tài)氫那樣極低的溫度條件,需要儲(chǔ)氫時(shí)使合金與氫反應(yīng)生成金屬氫化物并放出熱量,需要用氫時(shí)通過(guò)加熱或減壓使儲(chǔ)存于其中的氫釋放出來(lái),如同蓄電池的充、放電,因此儲(chǔ)氫合金不愧是一種極其簡(jiǎn)便易行的理想儲(chǔ)氫方法。
目前研究發(fā)展中的儲(chǔ)氫合金,主要有鈦系儲(chǔ)氫合金、鋯系儲(chǔ)氫合金、鐵系儲(chǔ)氫合金及稀土系儲(chǔ)氫合金。
儲(chǔ)氫合金不光有儲(chǔ)氫的本領(lǐng),而且還有將儲(chǔ)氫過(guò)程中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或熱能的能量轉(zhuǎn)換功能。儲(chǔ)氫合金在吸氫時(shí)放熱,在放氫時(shí)吸熱,利用這種放熱-吸熱循環(huán),可進(jìn)行熱的儲(chǔ)存和傳輸,制造制冷或采暖設(shè)備。
儲(chǔ)氫合金還可以用于提純和回收氫氣,它可將氫氣提純到很高的純度。例如,采用儲(chǔ)氫合金,可以以很低的成本獲得純度高于99.9999%的超純氫。
儲(chǔ)氫合金的飛速發(fā)展,給氫氣的利用開辟了一條廣闊的道路。
在工業(yè)領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷一個(gè)世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī),很快就要面對(duì)以氫為能源的燃料電池的挑戰(zhàn)。對(duì)現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)做適當(dāng)?shù)母膭?dòng)后,就能在內(nèi)燃機(jī)中使用氫來(lái)代替汽油作燃料。近年來(lái),國(guó)際車壇出現(xiàn)氫能汽車開發(fā)熱,世界四大汽車公司――美國(guó)的福特、德國(guó)的戴姆勒-奔馳、美國(guó)的通用和日本的豐田,都在加快研制氫能汽車的步伐。中國(guó)已研制成功了一種氫能汽車,它使用儲(chǔ)氫材料90千克,可行駛40千米,時(shí)速超過(guò)50千米。今后,不但汽車會(huì)采用燃料電池,飛機(jī)、艦艇、宇宙飛船等運(yùn)載工具也將使用燃料電池,作為其主要或輔助能源。
由于目前大量使用的鎳鎘電池(Ni-Cd)中的鎘有毒,使廢電池處理復(fù)雜,環(huán)境受到污染。發(fā)展用儲(chǔ)氫合金制造的鎳氫電池(Ni-MH),是未來(lái)儲(chǔ)氫材料應(yīng)用的另一個(gè)重要領(lǐng)域。鎳氫電池與鎳鎘電池相比,具有容量大、安全無(wú)毒和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。