氫是一種熱值很高的燃料。燃燒1千克氫可放出62.8千焦的熱量,1千克氫可以代替3千克煤油。氫氧結(jié)合的燃燒產(chǎn)物是最干凈的物質(zhì)--水,沒有任何污染。未來最有前途的燃料電池也主要是以氫為能源。目前利用氫能的困難是什么呢?
氫的來源非常豐富,若能從水中制取氫,則可謂取之不盡、用之不竭。氫能的利用,主要包括兩個方面:一是制氫工藝,二是儲氫方法。
傳統(tǒng)儲氫方法有兩種,一種方法是利用高壓鋼瓶(氫氣瓶)來儲存氫氣,但鋼瓶儲存氫氣的容積小,瓶里的氫氣即使加壓到150個大氣壓,所裝氫氣的質(zhì)量也不到氫氣瓶質(zhì)量的1%,而且還有爆炸的危險;另一種方法是儲存液態(tài)氫,將氣態(tài)氫降溫到-253 0C變?yōu)橐后w進行儲存,但液體儲存箱非常龐大,需要極好的絕熱裝置來隔熱,才能防止液態(tài)氫不會沸騰汽化。近年來,一種新型簡便的儲氫方法應(yīng)運而生,即利用儲氫合金(金屬氫化物)來儲存氫氣。
研究證明,某些金屬具有很強的捕捉氫的能力,在一定的溫度和壓力條件下,這些金屬能夠大量“吸收”氫氣,反應(yīng)生成金屬氫化物,同時放出熱量。其后,將這些金屬氫化物加熱,它們又會分解,將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬,稱為儲氫合金。
儲氫合金的儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度,是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍,也即相當于儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。
由于儲氫合金都是固體,既不用儲存高壓氫氣所需的大而笨重的鋼瓶,又不需存放液態(tài)氫那樣極低的溫度條件,需要儲氫時使合金與氫反應(yīng)生成金屬氫化物并放出熱量,需要用氫時通過加熱或減壓使儲存于其中的氫釋放出來,如同蓄電池的充、放電,因此儲氫合金不愧是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。
目前研究發(fā)展中的儲氫合金,主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。
儲氫合金不光有儲氫的本領(lǐng),而且還有將儲氫過程中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機械能或熱能的能量轉(zhuǎn)換功能。儲氫合金在吸氫時放熱,在放氫時吸熱,利用這種放熱-吸熱循環(huán),可進行熱的儲存和傳輸,制造制冷或采暖設(shè)備。
儲氫合金還可以用于提純和回收氫氣,它可將氫氣提純到很高的純度。例如,采用儲氫合金,可以以很低的成本獲得純度高于99.9999%的超純氫。
儲氫合金的飛速發(fā)展,給氫氣的利用開辟了一條廣闊的道路。
在工業(yè)領(lǐng)域獨領(lǐng)風騷一個世紀的內(nèi)燃機,很快就要面對以氫為能源的燃料電池的挑戰(zhàn)。對現(xiàn)有的內(nèi)燃機做適當?shù)母膭雍?,就能在?nèi)燃機中使用氫來代替汽油作燃料。近年來,國際車壇出現(xiàn)氫能汽車開發(fā)熱,世界四大汽車公司――美國的福特、德國的戴姆勒-奔馳、美國的通用和日本的豐田,都在加快研制氫能汽車的步伐。中國已研制成功了一種氫能汽車,它使用儲氫材料90千克,可行駛40千米,時速超過50千米。今后,不但汽車會采用燃料電池,飛機、艦艇、宇宙飛船等運載工具也將使用燃料電池,作為其主要或輔助能源。
由于目前大量使用的鎳鎘電池(Ni-Cd)中的鎘有毒,使廢電池處理復(fù)雜,環(huán)境受到污染。發(fā)展用儲氫合金制造的鎳氫電池(Ni-MH),是未來儲氫材料應(yīng)用的另一個重要領(lǐng)域。鎳氫電池與鎳鎘電池相比,具有容量大、安全無毒和使用壽命長等優(yōu)點。