能源新星—氢能源

大约在100亿年以前，遍布太空的是大量的氢核。氢核经过高温、高压作用，发生一系列核聚变，形成碳原子核、氧原子核……又经过亿万年复杂的变化，逐步形成了星星、太阳、月亮、地球等。所以说氢是万物之祖。尽管如此，氢的发现却只有200多年的时间。早在16世纪，瑞士—德国物理学家巴拉塞尔斯观察到硫酸和铁反应产生一种能燃烧的气体。一直到1766年英国的卡文迪什才认识到这种气体是一种独特的物质，并用水蒸汽通过一根炽热的枪管制备它。法国化学家拉瓦西把这种气体命名为氢，意思是水的制造者，因为它在空气中能燃烧生成水。在能源消耗飞速增长的今天，能源危机不断向人类进行威胁，许多科学家以极大兴趣，把目标转向了氢，认为氢可以作为一种新能源而被广泛利用。以氢作燃料有很多优点，首先是资源丰富，氢的主要来源是水，它是取之不尽，用之不竭的。
     氢燃烧生成水，水又可制成氢，水和氢是无限循环的。其次是氢在空气里燃烧的生成物是水，不会像煤、石油燃烧时产生的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫及粉尘等那样污染环境。再是储存、运输方便，通常氢以气态存在，它在绝对温度20.36K下变成液体，进一步冷却到 14.02K下变成固体。从 1972年以来，美国、苏联、日本先后都在上百万个大气压下，使液态氢或固态氢变成金属氢。金属氢密度很高，是固体氢的6.3倍，是液体氢的7.9倍，这将为储存和运输氢提供极大的方便。氢气主要来源于水，目前工业上制取氢气主要有两种方法。一是电解水法制氢： 以上两种方法生产氢气，不是用煤，就是用电，因此成本高，不适宜于大量制氢当燃料。为了解决这个问题，世界上许多科学家，都把研究的视线转向了太阳能，即将太阳能转变成为热能，电能来直接分解水制取氢气。现在有人制成大型聚集太阳能的凹透镜，焦点处的温度很高，达到3000～4000℃高温。而水的热分解温度在2500℃左右，当然可以直接分解水。但功率不大，同时在高温度下把氢与氧分离开尚有困难。最近化学家们找到了一种钌的化合物及二氧化钛等触媒，这种化合物在阳光照射下具有分解水的催化作用，使水分解制取氢。生物学家也在寻求办法，并已发现海水中的某些微生物，如小球藻，固氮兰藻等，在光线照射下也能将水分解产生氢气。
     利用氢作能源有两种方式：一是直接燃烧推动汽车、飞机、火箭等的发动机运行，二是制成氢能电池，将化学能转化为电能。在直接燃烧推动发动机方面，日本研制的以氢为燃料的小轿车于 1984年5月24日，在富士高速公路以每小时100公里的速度首次试车成功。同时日本的科学家还研制了一种脂膏状氢气，作为下一代火箭的新颖燃料，已引起全世界的广泛注意。这种脂膏状的氢是将-253℃的液态氢进一步冷却到-259℃，令其形成果子露状态，从而大大提高了氢的平均密度。与液态氢比较起来，脂膏状氢可以有效地缩小燃料罐的体积，可望实现机体的小型化。这种脂膏状的氢一旦投入实际应用，不仅能够比较容易地开发出用于探测行星的长途火箭，而且还可以用在需要巨大推力的宇宙往返机上。
     不久的将来，人类如能在利用太阳能和水制取氢气技术上有所突破，将会获得比汽油、煤更为便宜的燃料。那么，氢气将作为一种重要的、普遍使用的新型燃料而取代当今燃料霸主——石油和煤。人类将大大减轻因煤和石油燃烧造成的环境污染之苦，永远生活在蓝天、碧水、绿草的优美环境之中。在制成氢能电池，将化学能转变为电能方面，目前开发的氢能电池有两种，而且这两种都有很好的发展的前途。一是贮氢电池：贮氢电池又称金属氢化物——镍电池（MH/Ni 电池），它是用贮氢合金作为阴极，金属镍作阳极，以碱性溶液作电解液组成的新型二次电池。 贮氢电池具有高能量密度，无电解液浓缩，耐充放电能力强，无毒性，它的重要技术性能指标均优于当前广泛应用的Cd/Ni电池和铅酸蓄电池。预计到21世纪初，MH/Ni电池将作为新一代二次电池代替目前的电池。二是氢燃料电池。它是指使用氢作为活性物质，与氧气发生电化学反应，在清洁的环境下获得直流电能的发电装置。其反应过程与水的电解过程正好相反。目前，氢燃料电池已成为继水力、火力、原子能发电之后的第四代发电技术装置。
     本世纪80年代中期，发展了氢燃料电池的进层技术、双极设计，开发了以融熔碳酸盐和固体氧化物作为电解质的高温发电技术等，从而使氢燃料电池在大面积、高迭层、大功率、长寿命运行等方面取得了进展；90年代初期又实现了兆瓦级大型发电装置的设计和试运行。可以预料，到 21世纪，作为第四代发电装置的燃料电池发电站会大量涌现。同时，以氢燃料电池为动力的电动汽车、电动机车、电动船舶也会应运而生。