光電少年 Sol - Juv

 

氫氣能源


說到 氫氣能源要先介紹: 二次能源, 它是聯繫一次能源和能源用戶的中間輸紐。二次能源又可分為“過程性能源”和“含能體能源”。當今電能就是應用最廣的“過程性能源”；柴油、汽油則是應用最廣的“含能體能源”。由於目前“過程性能源”尚不能大量地直接貯存，因此汽車、輪船、飛機等機動性強的現代交通運輸工具就無法直接使用從發電廠輸出來的電能，只能採用像柴油、汽油這一類“含能體能源”。可見，過程性能源和含能體能源是不能互相替代的，各有自己的應用範圍。隨著，人們將目光也投向尋求新的“含能體能源”， 作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生產出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能、核燃料等均可直接生產電能。而作為二次能源的汽油和柴油等則不然，生產它們幾乎完全依靠化石燃料。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規能源危機的出現、在開發新的二次能源的同時人們期待的新的二次能源。 氫位於元素周期表之首，它的原子序數為1，在常溫常壓下為氣態，在超低溫高壓下又可成為液態。作為能源，氫有以下特點：
（l）所有元素中，氫重量最輕。在標準狀態下，它的密度為0.0899g/l；在-252.7°C時，可成為液體，若將壓力增大到數百個大氣壓，液氫就可變為金屬氫。
（2）所有氣體中，氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的導熱係數高出10倍，因此在能源工業中氫是極好的傳熱載體。
（3）氫是自然界存在最普遍的元素，據估計它構成了宇宙質量的75％，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質。據推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。
（4）除核燃料外氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142,351kJ/kg，是汽油發熱值的3倍。
（5）氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃範圍，而且燃點高，燃燒速度快。
（6）氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質，少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境，而且燃燒生成的水還可繼續製氫，反復循環使用。
（7）氫能利用形式多，既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械功，又可以作為能源材料用於 燃料電池，或轉換成固態氫用作結構材料。用氫代替煤和石油，不需對現有的設備作大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用。
（8）氫可以以氣態、液態或固態的金屬氫化物出現，能適應貯運及各種應用環境的不同要求。
由以上特點可以看出氫是一種理想的新的含能體能源。目前液氫已廣泛用作航太動力的燃料，但氫能的大規模的商業應用還有待解決以下關鍵問題：
* 廉價的製氫技術: 因為氫是一種二次能源，它的製取不但需要消耗大量的能量，而且目前製氫效率很低，因此尋求大規模的廉價的製氫技術是各國科學家共同關心的問題。
** 安全可靠的貯藏和輸送方法: 由於氫易氣化、著火、爆炸，因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸問題也就成為開發氫能的關鍵。
許多科學家認為，氫能在二十一世紀有可能在世界能源市場上成為一種舉足輕重的二次能源。氫能是一種二次能源，因為它是通過一定的方法利用其他能源製造的，而不同於煤、石油和天然氣等可以直接從地下開採。在自然界中，氫已和氧結合成水，必須用熱分解或電分解的方法把氫從水中分離出來。如果用煤、石油和天然氣等燃燒所產生的熱或所轉換成的電來電解水製氫，那顯然是划不來的。現在看來，高效率的製氫的基本方法，是利用 太陽能。如果能用太陽能來製氫，那就等於把取不盡的的太陽能轉變成了乾淨的氫能源了， 其意義十分重大。目前利用太陽能電解水製氫的方法有太陽能熱分解水製氫、太陽能光發電電解水製氫、陽光催化光解水製氫、太陽能生物製氫等等。利用太陽能製氫有重大的意義，但這卻是有待研究的，有許多工程技術問題要解決，然而世界各國都十分重視，投入不少的人力、財力、物力，並且已取得了多方面的進展。因此在不久後，以太陽能製造的氫能，將成為人類普及使用的一種清潔的燃料。
　
氫的應用及展望:
在第二次世界大戰期間，氫就用作A2火箭發動機的液體推進劑。196O年液氫首次用作航太動力燃料。1970年美國發射的“阿波羅”登月太空船使用的發射火箭也是用液氫作燃料。現在氫已是火箭領域的常用燃料了。對現代太空梭而言，減輕燃料自重，增加有效載重變得更為重要。氫的能量密度很高，是普通汽油的3倍，這意味著燃料的自重可減輕2／3，這對太空梭無疑是極為有利的。今天的太空梭以氫作為發動機的推進劑，以純氧作為氧化劑，液氫就裝在外部推進劑桶內，每次發射需用1450 m3，重約100T。
現在科學家們正在研究一種“固態氫”的太空船。固態氫既作為太空船的結構材料，又作為太空船的動力燃料。在飛行期間，太空船上所有的非重要零件都可以轉作能源而“消耗掉”。這樣太空船在宇宙中就能飛行更長更遠了。
超音速飛機和洲際客機以氫作動力燃料的研究已進行多年，目前已進人試飛階段。 在交通運輸方面，美、德、法、日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車，並進行了幾十萬公里的道路行駛試驗。其中美、德、法等國採用氫化金屬貯氫，而日本則採用液氫。實驗證明，以氫作燃料的汽車在經濟性、適應性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙。前者使汽車連續行駛受限制，後者主要是由於液氫供應設備費用過高。美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃料。
氫不但是一種優良燃料，還是石油、化工、化肥和冶金工業中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精煉需要氫，如烴的增氫、煤的氣化、重油的精煉等；化工中製氨、製甲醇也需要氫。氫還用來還原鐵礦石。用氫製成燃料電池可直接發電。採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電，其能量轉換效率將遠高於現有的火力發電廠。由於造氫技術的進步和貯氫設備的改善，氫能將成為21世紀能源市場上的新寵。

水電解取氫


水電解取氫是用直流電來電解水，在負極產生氫氣，於正極產生氧氣。
簡易的水電解法是將食鹽水作為電解液，以雙極板的方式來電解水，陰極使用鐵片，陽極使用鎳片，操作電壓約為 DC 2V ~ 3V。

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