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氢是一种热值很高的燃料。燃烧1千克氢可放出62.8千焦的热量,1千克氢可以代替3千克煤油。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质——水,没有任何污染。氢的来源非常丰富,若能从水中制取氢,则可谓取之不尽、用之不竭。 氢能的利用,主要包括两个方面:一是制氢工艺,二是贮氢方法。 传统贮氢方法有两种,一种方法是利用高压钢瓶(氢气瓶)来贮存氢气,但钢瓶贮存氢气的容积小,瓶里的氢气即使加压到150个大气压,所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1%,而且还有爆炸的危险;另一种方法是贮存液态氢,将气态氢降温到-253℃变为液体进行贮存,但液体贮存箱非常庞大,需要极好的绝热装置来隔热,才能防止液态氢不会沸腾汽化。近年来,一种新型简便的贮氢方法应运而生,即利用贮氢合金(金属氢化物)来贮存氢气。 贮氢合金 研究证明,某些金属具有很强的捕捉氢的能力,在一定的温度和压力条件下,这些金属能够大量“吸收”氢气,反应生成金属氢化物,同时放出热量。其后,将这些金属氢化物加热,它们又会分解,将贮存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属,称为贮氢合金。 贮氢合金的贮氢能力很强。单位体积贮氢的密度,是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍,也即相当于贮存了1000个大气压的高压氢气。 由于贮氢合金都是固体,既不用贮存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶,又不需存放液态氢那样极低的温度条件,需要贮氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量,需要用氢时通过加热或减压使贮存于其中的氢释放出来,如同蓄电池的充、放电,因此贮氢合金不愧是一种极其简便易行的理想贮氢方法。 目前研究发展中的贮氢合金,主要有钛系贮氢合金、锆系贮氢合金、铁系贮氢合金及稀土系贮氢合金。 贮氢合金不光有贮氢的本领,而且还有将贮氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。贮氢合金在吸氢时放热,在放氢时吸热,利用这种放热-吸热循环,可进行热的贮存和传输,制造制冷或采暖设备。 贮氢合金还可以用于提纯和回收氢气,它可将氢气提纯到很高的纯度。例如,采用贮氢合金,可以以很低的成本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。 燃料电池 贮氢合金的飞速发展,给氢气的利用开辟了一条广阔的道路。 在工业领域独领风骚一个世纪的内燃机,很快就要面对以氢为能源的燃料电池的挑战。对现有的内燃机做适当的改动后,就能在内燃机中使用氢来代替汽油作燃料。近年来,国际车坛出现氢能汽车开发热,世界四大汽车公司――美国的福特、德国的戴姆勒-奔驰、美国的通用和日本的丰田,都在加快研制氢能汽车的步伐。中国已研制成功了一种氢能汽车,它使用贮氢材料90千克,可行驶40千米,时速超过50千米。今后,不但汽车会采用燃料电池,飞机、舰艇、宇宙飞船等运载工具也将使用燃料电池,作为其主要或辅助能源。 由于目前大量使用的镍镉电池(Ni-Cd)中的镉有毒,使废电池处理复杂,环境受到污染。发展用贮氢合金制造的镍氢电池(Ni-MH),是未来贮氢材料应用的另一个重要领域。镍氢电池与镍镉电池相比,具有容量大、安全无毒和使用寿命长等优点。
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