氢能_未来理想的新能源

参考文献:
[ 1 ] 唐有祺, 等. 化学与社会. 北京: 高等教育出版社, 1997. [ 2 ] 中国科学院化学学部等. 展望 21 世纪的化学. 北京: 化
学工业出版社, 2000. [ 3 ] 李建成, 等. 基础应用化学. 北京: 机械工业出版社,
2000. [4 ] 廖 翠 萍, 等. 氢 能 源 与 有 关 技 术 及 其 In ternet 资 源,
SO 2+ I2 (g) + 2H 2O ( l) = H 2SO 2+ 2H I(g)
2H I(g) = H 2+ I2 (g)
2H 2SO 2= 2SO 2+ O 2+ 2H 2O (g) 该循环过程需要很高的热能, 也就是说在较高 温度下才能进行, 生成的 SO 2 和 I2 可以循环使用, 其它产物对环境无污染, 但耗能太大, 所以此法也不 可取, 若把太阳能用到上述循环中, 该工艺将是合理 的。 开发制氢新技术, 应主要考虑以水为原料, 地球 上 70% 的表面被水所覆盖, 要将氢气作为二次常规 能源, 应以极为丰富的水资源作为原料, 而水是非常
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化 学 世 界
2001 年
稳定化合物, 必须消耗大量的能量, 才能达到水分解 制氢和氢燃烧生成水的循环过程。 因此利用水制氢 一旦技术成熟, 达到实用化后, 以氢为能源结构主要 支柱便成为可能。 2. 3 电解水制氢
电解水制取氢, 关键是耗能问题。如电解水制取 1 m 3 氢气需要耗电 4. 0～ 4. 5 kW , 一方面消耗的电 能比氢能释放的能量还要高, 另一方面电能本身就 是高效、清洁能源, 以电能换氢能, 成本很高, 显然消 耗电能来获得氢能的方法是得不偿失。但是, 通过太 阳能发电或风能、海洋能、生物能、地热能电站产生 的电能来制氢, 可以降低氢的成本。 目前, 氢总量只 有 4% 左右由电解水的方法制取。 2. 4 太阳能光解水制氢
对化学家来讲, 研究新的经济上合理的制氢方 法是一项具有战略性的研究课题。目前, 有人提出一 种最经济最理想的获得的氢能源的循环体系[3], 如 图 1 所示:
图 1 氢能源
这是一种最理想的氢能源循环体系, 类似于光 合作用, 太阳能和水是用之不竭, 而且价格低廉。 急 需化学家研究的是寻找合适的光分解催化剂, 它能 在光照下促使水的分解速度加快。 当然氢发电机的 反应器和燃料电池也是化学家的研究领域。 实现上 述良性循环, 将使人类永远可以各取所需地消耗电 能。 光分解水制取氢的研究已有一段历史。 目前也 找到一些好的催化剂, 如钙和联吡啶形成的配合物, 它所吸收的阳光正好相当于水分解成氢和氧所需的 能量。另外, 二氧化钛和含钙的化合物也是较适用的 催化剂。 酶催化水解制氢也是一种途径。 目前已经 发现一些微生物, 通过氢化酶诱发电子与水中氢离 子结合起来, 生成氢气。 总之, 光分解水制取氢方面 还应进一步加强基础研究, 寻找新的方法和催化剂。 在这方面一旦有所突破, 这将能使人类在能源问题 上一劳永逸。 这是一个可能获得诺贝尔化学奖的研 究课题。
第8期Leabharlann 化 学 世 界 ·447·
清, 底部的土黄色金属银粒清晰可见。 3. 2 清洗
使用吸滤瓶, 不停地加热的去离子水, 初步洗 净。 将银粒在水中放置过夜。 继续用热的去离子水 彻底洗净银粒, 直到用硝酸银溶液试验无氯离子为 止。 3. 3 烘干
在烘箱中烘干即可。 4 注意点 4. 1 氯化银最好是新沉淀出来的, 若是老的, 可以 先用稀硝酸活化, 加氯化钠沉淀, 清洗后再进行还 原。 4. 2 必要时氢氧化钠和甲醛要交替补加, 直至上层 溶液澄清, 才能得到最高的回收率。 5 小结
在- 252. 8°C 的深冷状态下将氢气液化, 氢体 积大大缩小, 用杜瓦瓶或真空绝热容器储存, 用液氢 罐车或槽车运输, 液氢储罐或储槽的重量约为高压 钢瓶重量的 1 6～ 1 10, 相对来说容器重量减轻。液 氢同样可以用真空绝热管道输送。 但液化氢气的能 耗大, 条件要求比较高。 3. 3 金属储氢材料储存和运输
能源、材料和信息是当今社会发展的三大支柱。 能源是指提供能量的自然资源, 是制约国家经济发 展的瓶颈。 能源的供应水平标志着一个国家的发达 程度。 我国每年能源需要量为 10 亿 t 标准煤 (标准 煤的发热量定为 29. 26 M J kg) , 能源需求水平仍处 于发展中国家水平。据专家预测[1], 到 21 世纪中叶, 我国经济将达到中等发达国家水平时, 每年对能源 的需求量将达到 40～ 50 亿 t 标准煤。 目前, 我国的 能源结构主要是煤, 还有石油、天然气、核能等, 这些 能源都是一次不可再生且污染环境的能源, 研究和 开发清洁而又用之不竭的能源是未来发展的首要任 务。科学家预测“氢能”将是未来 21 世纪最理想的新 能源。 1 氢能的特点
氢能是利用氢气的燃烧反应放热提供能量, 即 H 2+ 1 2O 2= H 2O + 284 kJ
氢能是最理想的清洁能源之一。 氢气燃烧的唯 一产物是水, 无环境污染问题。 氢能是一种二次能
源。 自然界不存在纯氢, 必须从含氢的物质中制得, 氢作为水的组成, 可以说资源丰富。而且氢能是可以 利用其它能源 (如热能、电能、太阳能和核能等) 来制 取的二次可再生能源。 氢作为能源放出的能量远远 大于煤、石油、天然气等能源, 从表 1 氢能和常规能 源的热值比较[1] 可以看出, 1 g 氢气燃烧能释放出 142 kJ 的热量, 约是汽油发热量的 3 倍。另外, 氢能 是一种理想的能源载体。 氢气具有可储、可输的性 质, 可作为一种能源储存和运输。储能可以达到合理 利用能源的目的。 氢能也可进行大规模运输。
表 1 氢能和常规能源的热值比较
燃料 主要成分
化学反应
热值 kJ g
天然气 CH 4
CH 4+ 2O 2= CO 2+ 2H 2O
56
液化气 C4H 10 2C4H 10+ 13O 2= 8CO 2+ 10H 2O
50
汽油 C8H 18 2C 8H 18+ 25O 2= 16CO 2+ 18H 2O
2000, (2) : 38241.
关荐伊, 王世震 (承德石油高等专科学校, 河北 承德 067000)
3 氢的储存与运输 氢的储存和运输是氢能开发利用中极为重要的
技术, 因此氢气的储存和输送技术的研究十分重要。 氢气常用高压气体储存、低压液氢储存及正在开发 的金属储氢材料的固体储存[4]。 输送方式除一般的 交通工具外, 还有管道运输方式。 3. 1 高压气体储存和运输
大量用作化工原料的氢气是将氢气压缩到 15 ～ 20 M Pa, 用高压容器储存。 氢气大量长期储存还 可以利用山洞、废矿洞、岩洞、地下洞做储氢库。 用 车、船运输。 然而, 氢气的重量只占容器重量的 1% ～ 2% , 且处于高压下, 因此在经济上和安全上都不 可取。 欧美采用管道远距离输送氢气。 用管道运输 的优越性在于: 可以把现有的天然气和城市煤气管 道输送系统改造为氢气输送系统。 3. 2 低温液体储存和运输
48
煤
C
C+ O 2= CO 2
33
氢能
H2
2H 2+ O 2= 2H 2O
142
2 氢能的开发 开发和利用氢能源, 必须解决氢气的生产、储存
和运输等问题, 目前世界各发达国家纷纷投入大量 财力、物力和人力进行这方面的开发与研究。 2. 1 利用化石燃料制氢
世界上氢的总产量为 3600 万 t a, 其中绝大部 分是从石油、煤炭和天然气中制取。 如: 用水蒸气与 炽热的碳反应
C + H 2O (g) = CO + H 2 该反应为吸热反应, 制取 1 摩尔氢气需消耗 132 kJ 热量。虽然产物对环境无害, 但碳资源面临枯 竭, 该反应尚需消耗很高的能量, 因此, 此法不是理 想的长久的方法。 2. 2 热化学循环法制氢[2] 利用硫2碘热循环法制取氢也是化学家常用的 一种方法
本法可被人们迅速掌握, 只要认真操作、多思 考, 一定能得到比较满意的结果。一般得到的银粒纯 度至少应在 98% 以上, 可直接用于生产银试剂。
参考文献:
[ 1 ] 陈寿椿编. 重要无机化学反应, 第二版. 上海: 上海科学 技术出版社. 曹向前 (苏州大学化学化工系, 苏州 215006)
氢能——未来理想的新能源
由于高压气储运及液态氢储运方式存在着不安 全、能耗高、储量小、经济性差等重大缺陷, 最有前 景、安全经济的氢气储运方式是用金属氢化物储氢 材料。金属氢化物储氢密度比液氢还高, 氢以原子态 储存于合金中, 当它们重新放出来时, 经历扩散、相 变、化合等过程, 受到热效应与速度的制约, 不易爆 炸, 安全程度高。利用金属材料储氢是目前较受重视 的应用项目。