顏士州

隨著全球石油產(chǎn)量的持續(xù)下降，人們開始擔(dān)心能源危機(jī)。那么人類能否開發(fā)出新能源呢？有人曾作過(guò)大膽的預(yù)言——未來(lái)可能變成氫能的世界。

豐富的氫能

車、船、飛機(jī)以及各種設(shè)備都將以氫為燃料，這不是毫無(wú)根據(jù)的幻想，而是有一定科學(xué)道理的。

氫是最輕的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0℃時(shí)，密度為0.0899克/升，到了-252.7℃時(shí)，會(huì)變成液體，叫液氫。當(dāng)壓力增大到數(shù)百萬(wàn)個(gè)大氣壓的時(shí)候，液氫就可變?yōu)榻饘贇淞?。這是因?yàn)殡S著溫度和壓力的變化，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)也會(huì)變化。

氫燃燒時(shí)能放出大量的熱量，每千克氫可放出熱量34000千卡，是汽油的3倍。地球上氫資源極其豐富，雖然游離狀態(tài)的氫很少，含氫的化合物卻多得驚人。以水為例，氫占水的重量比例為11%。汪洋大海占地球面積的71%，僅海洋的水就有l(wèi).37×1018噸，南極洲覆蓋著平均約1700米厚的冰層，這無(wú)疑也是極其豐富的“氫礦”。如果把海水中的氫都提取出來(lái)，它所產(chǎn)生的總熱量比世界上所有礦物燃料的熱量還大9000倍！這個(gè)數(shù)字說(shuō)明氫能是能源重要的后備軍之一。

氫的提取、貯藏和運(yùn)輸

那么，作為能源使用時(shí)，氫需要解決什么問(wèn)題呢？一個(gè)是要有耗能低、成本低的提取氫的方法，因?yàn)闅鋵俣文茉?，提取時(shí)也要消耗能量。例如，利用太陽(yáng)能從水中提取氫就是努力的方向。另一個(gè)是要解決氫的貯藏和運(yùn)輸問(wèn)題。目前氫的貯藏和運(yùn)輸有兩種辦法：一種是高壓容器和管道運(yùn)輸；另一種是把氫變?yōu)橐簹渲笤儋A藏、運(yùn)輸。前一種辦法需要用高達(dá)100～200個(gè)大氣壓的笨重的高壓容器，而且運(yùn)輸也不安全，一旦泄漏就會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。液氫貯藏和運(yùn)輸效率雖比較高，但把氫壓縮為液氫要消耗大量的能源，還要用較貴的低溫容器。所以要安全高效地貯藏和運(yùn)輸，是氫能實(shí)用化的一個(gè)重要課題。

有些材料在一定溫度與壓力下能吸收氫氣形成氫化物，而當(dāng)壓力降到一定值后，氫化物又會(huì)分解放出氫氣。凡具有這種吸脫特征的材料均稱為貯氫材料。在一定溫度和壓力下，氫會(huì)由分子態(tài)分解為原子，此時(shí)它能按一定比例進(jìn)入晶體而形成金屬間化合物。伴隨氫化物的形成，氫氣被大量吸收到金屬中。當(dāng)壓力降低到某一數(shù)值時(shí)，氫化物開始分解，氫原子從晶體中脫出又變回氫分子，這就是氫的吸收和脫出過(guò)程。這種貯氫材料在形成氫化物時(shí)呈粉末狀，而不是塊狀。

貯氫材料的應(yīng)用

貯氫材料是正在研究和發(fā)展的一種新材料，它向人們展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，得到了各方面的重視。

目前已實(shí)際應(yīng)用的貯氫容器是貯氫瓶。一般每個(gè)高壓瓶重約60～70千克，壓力為150～200個(gè)大氣壓，而7立方米的新材料貯氫瓶，重量約為原有鋼瓶的1/15，充氣后重量比原來(lái)約輕2/3，因此已實(shí)現(xiàn)小型化、安全化。

貯氫材料還能起到凈化氫氣作用。在裝有貯氫材料的容器中，當(dāng)不純凈的氫氣進(jìn)入時(shí)，貯氫材料粉末就與氧等其它氣體起化學(xué)反應(yīng)，生成某種穩(wěn)定的化合物。當(dāng)氫化物分解時(shí)只有純氫放出，因而得到了凈化。另一方面，當(dāng)氫被吸收時(shí)剩下不純的氣體可以用泵抽走。

氫作為汽車和飛機(jī)等的燃料優(yōu)勢(shì)明顯，它燃燒后排出的是水汽，不會(huì)污染環(huán)境。據(jù)報(bào)道，英國(guó)正在研制以液氫為燃料的超音速飛機(jī)。

貯氫材料在尖端科學(xué)技術(shù)中也有用武之地。衛(wèi)星上的電源是太陽(yáng)能電池。衛(wèi)星運(yùn)行到背太陽(yáng)面時(shí)，可用氫鎳蓄電池供電，運(yùn)行到迎著太陽(yáng)面時(shí)，太陽(yáng)能電池在向衛(wèi)星供電的同時(shí)，也向氫鎳電池充電。氫鎳電池就是貯氫材料。當(dāng)電池充電、放電時(shí)，伴有氫氣的吸、放反應(yīng)，這樣就使太陽(yáng)能電池與氫鎳電池互相補(bǔ)充，聯(lián)合供能。

在原子反應(yīng)堆中要使用重水，而重水是氘和氧的化合物，氘是氫的同位素。要使用重水，常常要把氘和氫分開，貯氫材料正好能夠完成這一分離任務(wù)。原理是，貯氫材料對(duì)氘和氫的吸脫平衡分解壓不同，例如貯氫材料釩粉在10個(gè)大氣壓時(shí)，氫和氘被吸入釩中形成氧化物，當(dāng)壓力降到2個(gè)大氣壓時(shí)便放出氫，氘和氫分開。

電能和熱能的貯存是個(gè)重要問(wèn)題。過(guò)去要想把電和熱貯存起來(lái)，到了使用時(shí)再把它取出，在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，有了貯氫材料就好辦多了。

以貯電為例，當(dāng)發(fā)電廠輸出的電力處于使用負(fù)荷低潮時(shí)，美國(guó)提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，即把電網(wǎng)的交流電通過(guò)大型整流機(jī)組變成直流電，再用電解水的裝置把水分解成氫和氧后并分別儲(chǔ)存。這樣，電能不就以氫和氧的形式貯存起來(lái)了嗎？在電網(wǎng)負(fù)荷處于高潮時(shí)，再把貯存的氫和氧放進(jìn)燃料電池反應(yīng)室，電池便會(huì)發(fā)出直流電，經(jīng)變電裝置轉(zhuǎn)換成交流電后，回輸并入電網(wǎng)。

此外，貯氫材料使得熱能的貯存更方便了。貯氫材料在生成氫化物時(shí)需要吸收大量的熱并貯存起來(lái)；而在氫化物脫解時(shí)又把熱釋放出去。

如今，有人設(shè)計(jì)出了能夠利用貯氫材料的太陽(yáng)能冷暖氣機(jī)，利用氫能的房屋也已經(jīng)建成。氫能的利用已展現(xiàn)出了誘人的前景。