太阳氢：能源的明天

太阳氢：能源的明天
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$ S0 K7 E' p3 ~' m7 {0 ~) z世界知识 2003-11-30 11:14:524 b0 a  |8 G& R9 o0 [- i/ f

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5 n2 p4 f7 g% n% I8 P　　在沿海和平原地区，风能十分充足，而在沙漠地区，太阳能则异常丰富。雨水和融雪从山脉和高地上汇成涓涓溪流，奔向海洋和湖泊，这样，我们在湖泊和海边就能得到取之不竭的潮汐能。上面提到的这些能源都是能量巨大、可再生的能源，在世界许多地区，人们已经开始利用这些能源来发电。不过，可再生能源也有一个令我们十分头疼的难题，这就是从诸如太阳、风和潮汐中获得的能源供应非常不稳定。那么怎样才能将这些能源转变成稳定的、可储存的能源呢？如果能做到这一点，我们就可以在需要的时候随时运输、调用了。  - X* g& K/ V! J/ S" K5 ~; P7 F/ ~
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　　最简单、最可行的方法就是将这些能源转化为氢，因为我们生产氢所需的原料——水或生物物质十分丰富，并且上述那些可再生能源也非常便于转化为氢。我们将这种氢称为“太阳氢”，因为它是通过与太阳能有关的可再生能源转化而来的。  * N2 H/ C% R/ U4 t6 M% q/ E

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　　当氢燃烧时，它只产生我们所需的热量和清洁的水。另外，相对于电能，氢易储存，易输送，我们完全可以将它用于各个领域，取代目前使用的各种不清洁能源。现在就让我们一起来看一看“太阳氢”的生产、储存和使用技术吧。  
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. [, H- D, d( ^6 M8 K5 f                                  生水之物  # F; P( m3 F( v2 d6 n: ~
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　　早在炼金术盛行的时代，瑞士医师帕拉切尔苏斯（1493年～1541年）就注意到，当铁与硫酸发生反应时，“一种气体就会像风一样从翻涌的气沫中冲出”。1700年，尼古拉斯·莱默里发现，这种看不见的“风”遇火会燃烧。亨利·卡文迪什（1731年～1810年）对这种气体进行了各种实验，发现了它的许多物理性质，并将这种气体称为“可燃气体”。他还惊讶地发现，该气体燃烧时,除了水以外,不产生任何物质。但是直到１７８３年，法国化学家拉瓦锡才将这种气体命名为“氢”，希腊语意即“ 生水之物”。  
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　　从那以后，科学家们从水和有机物中找到了许多获得氢的方法。例如，在常温下从微生物和酶中获得氢；也可以通过在高温下的化学反应来获得氢。海藻在光的作用下，能够将海水分解为氢和氧，我们将这一过程称做“光合作用”。光合作用在常温下就可以进行，也可以通过适当的半导体进行。   . h  ?4 {7 S! ~; Q% L- ~* M. @' E

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* Y& X6 s0 |  I( [. ^4 y　　一些生物体内也有含氢的有机化合物，这样我们就可以通过厌氧菌来获得氢。因为厌氧菌这种微生物能够产生一种名为氢化酶的酶,其作用就像是一把化学剪,能够从复合的生物分子中切取氢。像海藻一样，这些细菌也都是在常温下活动。  6 \# y% ~$ K- M3 {/ S
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　　此外，我们还可以通过将水和生物垃圾加热至华氏３０００～６０００度来获得氢，这样的温度我们在太阳能炉灶里可以很容易地达到。  
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  B' L' P  G  k9 m  r　　目前，人类掌握的较为完善的将水分解为氢气和氧气的方法就是将电流通过水，这一过程我们称之为“电解”，它可以在常温下进行。该过程中所需的电能我们完全可以通过使用太阳能热水器或太阳能电池获得。   
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　　电解的优点是我们能够获得压缩氢和氧，而不用人工来压缩。此外，我们还可以通过添加各种化学试剂从水中获得氢。如果这些化学反应还需要加热，就称其为“热化学反应”。如果这些反应既需要加热，又需要电能，我们称之为“热电化学反应”。  
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& G3 R. V) F9 z　　热化学反应最典型的例子就是通过在高温下使用氯和氯化铬等一系列步骤从水中获得氢；热电化学反应最典型的例子就是通过加热水使之成为蒸汽，然后与铁发生作用，产生氢和氧化铁，氧化铁再与电流发生作用，还原为铁。这种在高温下进行的化学反应比常温下电解反应所需的电能要少得多。   6 q7 h9 [0 ?0 q' x, Y% r. h6 Z
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                                 氢的就地储存  ; U( H4 n& I) P% O. Z$ C8 P1 B& r
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% T' f" e+ {2 m* s( p* w% c　　空气的质量是氢的１４倍，氢的沸点很低，仅为－４２３．０华氏度，因此氢是易燃气体。氢的冰点也相当低，仅为－４３４．８华氏度。氢的这些物理性质决定了氢极难储存，特别是在我们需要它的场所附近更难储存。但是我们却可以用下列方法来储存氢：压缩氢气、将氢液化或固化等。  : |6 H- d( E2 T
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　　自从１８９８年以来，氢一直被装在钢罐里运输，钢罐的容积为２６４０立方英寸，压强为每平方英寸２０００磅。这种钢罐在１９１６年和１９１７年进行了多次检测，并获得正式批准。钢罐的外表被漆成红色，标志着氢气易燃。自那以后的８０多年里,氢罐一直很安全,没有发生任何事故。为了确保安全，这些钢罐必须符合工业标准，配有减压装置。这样,如果钢罐内装入过多的氢时,减压装置便会自动减压。此外，在遇火或其他高温情况下，减压装置也会自动发挥作用。   ! f" z* a* t6 Y* O/ u
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　　如果储存氢的容器材质里再加入炭纤维，容器的强度会是普通钢容器的１０倍，并且能够在每平方英寸４５００磅的压强下储存氢。这样的容器可以重复使用１０多万次，并且能够经受住小当量炸药和子弹的攻击。此外，它还能经受住１５００华氏度的高温。设计者曾用这种容器连续安全使用了１５年。     z2 q% Q. Y5 g* u9 x
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　　氢可以和许多金属和非金属一起生产氢化物或合金，在室温下，氢化物能够装载更多的氢。当我们需要使用氢时，可以通过加热或化学反应的方式再将氢从氢化物里释放出来。  " h5 @5 v: w8 \+ e/ V

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　　目前深受人们欢迎的金属氢化物是由氢和合金制成的，这种合金包含４８％的钛、３％的铜以及微量的稀土。科学家们还为这种金属氢化物容器设计了一套安全体系。一旦容器出现漏洞，只要一加热，氢便会逸出,这样便不会发生重大伤亡事故了。但是这种容器也存在一些缺陷,最主要的便是合金的质量太大，其次是当容器里加注氢后,最好将它们远离热源,可是当我们需要使用容器内的氢时，又不得不加热容器，因此使用起来不太方便。   8 f' B6 v9 I1 q) R
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　　科学家们一直在不懈地寻找更好的氢储存方法，目前最有希望的便是使用活性炭的毛细孔来储存氢。这种活性炭由许多细小的颗粒组成，形状很像须状物或爆米花。它们的体积虽然小，但是吸附氢的表面积却很大。Allied Signal公司已经研制出一种新材料，其表面积超过3000平方米/每克。同样条件下，它储存氢的数量是压强为每平方英寸3000磅钢罐的２～４倍。  
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    科学家们还在研制能够储存更多氢的活性炭装置，例如须状球和须状圈等。更为先进的容器装置目前正处　　于实验室研制阶段，一旦成功，同样体积的压缩氢将和同样体积的汽油产生同值热量。美国氢气协会也在研制同样的容器储存装置。  
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                             净化空气的发动机  
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　　实际上，任何发动机，包括目前正在使用的６亿台活塞式发动机都可以改用“太阳氢”，这些发动机目前正用于从草坪割草机到火车机车的各类机械。改造后的发动机将会更加高效，而且它们排出的气体将会比吸入的气体更加清洁。我们目前使用的以汽油为动力的发动机会产生大量污染物，因此，新式能源显然具有极大的优势。  # m& O2 ^7 o1 m$ L) m$ C4 C2 V' W

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! u3 T: ?6 ^! ~/ h4 |　　美国的实验者用一台４马力的草坪割草机做了一项实验。用汽油作燃料时，割草机产生了高浓度的污染物——炭氢化合物、一氧化炭和一氧化氮。但是同样一台机器，如果使用氢为燃料，却减少了空气里炭氢化合物的数量，没有产生一点一氧化炭，可能稍稍增加了一点一氧化氮的数量。   & U$ s" W% ~* S' U/ q

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　　我们还可以从氢发动机的燃烧效率方面来进一步观察其价值。氢比化石燃料燃烧的速度快，并且比它们的燃烧效率也高得多。如果我们将目前以汽油为燃料的发动机全部改为以氢为燃料，那么燃料的燃烧效率将会提高２０％～５０％。  
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" q  r$ i) }- z; e/ A0 V　　为了使发动机的改装更加完美可靠，我们可以使用斯马特活塞，这是ＥＭＥＲＧＥＮＴ公司的最新产品。斯马特活塞取代了发动机每个汽缸里的火花活塞，将加注燃料和点火的功能兼于一体。该活塞能够使氢燃烧，并产生高达４０００多华氏度的蒸汽。氢快速燃烧，产生巨大热量，带动发动机内的气体急剧膨胀，从而推动机器运行，或是用来发电。  7 s; ^) b3 _4 c8 D8 C
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　　这里需要指出的是,如果发动机以汽油为燃料,它产生的温度将会高达5000华氏度，但是这些热量有相当部分被活塞、汽缸壁吸收了,从而导致了发动机部件的老化,需要经常涂抹润滑油。而当氢以4000华氏度充分燃烧时，由于发动机内有大量空气，从而使汽缸壁和润滑油得到保护，因此发动机的使用寿命得到相对延长，并且工作效率也不会随着使用年限的延长而降低。  
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                             令人陶醉的燃料电池  
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　　科学家们已经设计出一种可行的氢电池，由于氢电池主要是通过电化学反应产生能量，因此非常有利于环境保护，并且氢转化为电能的效率也非常高，理论上这一数值可以高达８０％。虽然迄今为止人们已经研制出各种各样的燃料电池，但是它们的原理基本相同。氢电池包括两个多孔的电极，即阳极和阴极，两极间由电解质相连。氢通过阳极时，产生了大量氢离子和电子,当电子通过外部循环时,就会产生电能，人们可以将电能储存起来，以供需要时使用。与此同时，空气中的氧进入阴极，产生氧离子，氧离子与氢离子结合，形成水，因此水是这一化学反应过程中的副产品。   
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7 R2 ~8 t' l/ w# W8 h/ I　　人类目前主要使用五种燃料电池：质子交换膜电池、碱电池、磷酸电池、碳酸盐溶液电池和固体氧化膜电池。每种电池都有其特殊的用途，前三种电池的电极都含有铂催化剂，后两种电池主要用于高温情况下，因此不用催化剂。这些电池的效率从３０％～６０％不等。  
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                                  宏伟蓝图  9 g" @" Q7 x/ z9 N1 H% E, I- w
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　　为了满足现代城市所需要的能源供应，我们应当建立“可再生能源库”——即将当地最丰富的可再生能源转化为电能和氢。例如，在美国达科他州，“能源库”可以用风能工作，而在海边地区，则可以使用潮汐能，在沙漠地区可以用太阳能，在城市附近则可以使用生物能。或许将来有一天，这些“能源库”将会取代依靠煤、天然气和核材料来运行的发电厂。   
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6 b$ U: N) I' ?/ @( ~! l　　建立一个个孤立的“能源库”是远远不够的，我们需要建立整个大陆规模的网络，将各个“能源库”连结起来，从而将氢的供应连结成网，满足整个大陆的需要。为了实现这一目标，笔者进行了广泛研究，认为将现有的天然气管道改为输送氢的管道是完全可行的。这样，太阳氢便可输送到美国的各个角落，而其费用仅为输送同等电力的很小一部分。我们还可以用管道将氢送到枯油井和天然气井中储存起来。  # L0 T6 p# t1 m
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, b4 |& G* ]7 ~6 y& }# b　　这样的电力网络还具有调节电力供应峰谷的作用,在用电低谷时,电网将电送到需要大量耗电的地区，在这些地区人们将电用于电解，生产出大量的氢和氧，并将它们储存起来。在用电高峰时期，储存的氢便可用于应急发电机。当然，人们也可使用氢电池来解决用电高峰时期电力不足问题。   9 X7 C; l# G/ k) d; w8 g) g( L% s6 s
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　　最后,我们还应从全球的角度来考虑一下能源问题。目前数以万计的油轮正在越洋运输液化天然气，这些油轮也可以用来运输氢。一旦发生事故，氢便会迅速散逸到空气里，而不会对海洋生态造成威胁。但是化石能源却做不到这一点，它们屡屡给海洋生物带来灭顶之灾。面对未来，我们肯定会有许多问题和挑战。我们有信心相信，人类日益增加的能源需求，完全可以通过使用太阳氢来解决。