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氢从哪里来?(系列讲座2)

时间:2011-07-14 17:10:16来源:《太阳能》

    三 大有前途的新方法

    知道制氢的本质是“提取”水中的氢,因此,提取氢的方法可以是多种多样的,诸如:

    1 水煤气 -铁法制造氢气。该过程以煤气化为基础,先制得合成气;合成气再将氧化铁还原成金属铁,金属铁再与水蒸气反应生成氢气和氧化铁,然后将氧化铁送去与合成气反应生成金属铁,从而完成整个制造氢气的循环过程。

    2 甲烷(催化)裂解制造氢气。传统的制造氢气过程都伴有大量的二氧化碳排放。以甲烷蒸汽转化为例,每转化 1吨甲烷,要向大气中排放 2.75吨二氧化碳。20纪中叶开发的高温裂解甲烷制氢技术,其主要优点在于制取高纯氢气的同时,制得更有经济价值、易于储存的固体碳,从而不向大气排放二氧化碳,减轻了温室效应。该方法制得的氢完全来自于甲烷自带的氢。该方法技术较简单,但是制造成本仍然不低。

    3 热化学法分解制氢。水直接分解需要在2227℃以上的温度,工程实现难度很大。为了降低水的分解温度,人们提出用多步骤热化学反应制造氢气,最高温度不超过1000℃。利用化学试剂在2~4个化学反应组成的一组热循环反应中互为反应物和产物,循环使用,并不消耗; 本质上只有水分解为氢和氧。目前已经研究出来多组热化学循环系统,主要有:

    ①金属Ca、Sr、Mn、Fe的卤化物作为氧化还原剂分解水;

    ②双组分碘和硫氧化还原系统;

    ③蒸汽—铁系统。热化学循环属卡诺循环,这意味着高温能增加转化效率。但是高温会产生结构材料损坏等问题,此外,产品分离、中间物的循环以及热化学反应可能产生的污染、腐蚀、毒害等问题,都会导致氢气成本很高。尽管国外有人研究,但热化学循环制造氢气的前景并不乐观。

    4 其它含氢物质制氢,如从硫化氢中制取氢气,氨裂解制氢等。

    5 等离子体制造氢气过程。通过电场电弧能将水加热到5000℃,水被分解成 H、H2、O、O2、OH和水,其中 H、H2的含量可达到50%。要使等离子体中氢组分含量稳定,就必须对等离子体进行淬火,使氢不再和氧结合。该过程能耗很高,因而制氢成本很高。

    6 生物质制氢。生物质是一种可再生资源,生物质可通过气化和微生物制氢两种不同的手段制氢。 

    生物质气化制氢是将生物质原料如薪柴、锯末、麦秸、稻草等压制成型,在气化炉(或裂解炉)中进行气化或裂解反应制得含氢燃料气。微生物制氢则是在常温常压下,利用微生物进行酶催化反应制得氢气。

    四 太阳能-氢系统,人类能源的希望

    太阳所释放的能量为3.8 ×1026J?S-1,一年中到达地球表面的能量达5.5 ×1026J,为现在全人类一年所消费能源总和的一万倍,这仅仅是太阳释放能量中极小的一部分。因此如果我们能够克服太阳能的低密度及不稳定性,将这部分“廉价”的取之不尽的能量利用起来,将永远解决人类能源问题。

    太阳能制氢分为直接制氢和间接制氢两种。直接制氢又分为热分解法和光分解法。热分解法是指用太阳能的高热量直接裂解水,得到氢和氧。直接热解水为氢和氧的反应,必须将水加热至 3000℃以上,反应才有实际应用的可能,由于操作温度太高,在超高温条件下,除了热源和材料问题外,如何分离产生的氢和氧也是难题。光分解法基于光量子可以使水和其他含氢化合物分子中氢键断裂的原理,制氢包括许多途径,主要有光催化法和光电解法等。光催化过程是指含有催化剂的反应体系,在光照下由于催化剂存在,促使水解制得氢气。光电解制氢,利用半导体电极的光化学效应制成太阳能光电化学电池,以水为原料,在太阳光照下制造氢气。这些太阳能直接制氢方法目前尚处于基础研究阶段。

    太阳能间接制氢法主要包括太阳能发电和电解水制氢。目前已无技术困难,关键是需要大幅度提高系统效率和降低成本。太阳能发电包括热发电和太阳电池发电两种。

    太阳能—氢能系统(简称太阳氢)是人类理想的能源系统。太阳氢系统的科学性主要体现在:(1)能长久的提供人类所需的足够能量。太阳正源源不断地向地球提供光和热。以目前技术水平,太阳—氢能系统的效率最高可达20%,大规模应用后定能满足发展需要。(2)是最环保的能源系统。利用太阳能制氢,特别是从水中获取氢气,再将氢用于燃料电池发电和供热,重新生成水。整个能量利用无污染,可以避免当前大规模利用化石燃料对地球生态环境造成的严重危害,有助于实现人类在地球上的可持续发展。(3)是和平的能源利用方式。地球上的太阳能资源分布相对均匀,高纬度地区太阳能分布少,人口分布也稀疏。随着技术的发展,人们可利用大面积的公海日照实现大规模的太阳能制氢,并实现低成本、长距离输氢。

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