氢元素几乎都以化合物的状态存在,主要存在于水和碳氢化合物中,是取之不尽、用之不竭的元素。氢气是清洁、高效燃料,燃烧产物是水,没有其他污染物。以摩尔为单位,氢气燃烧放热的化学方程式如下:
2H2+O2 → 2H2O+483.6kJ
按质量计,氢气的燃烧热为1.2×10(5次方)kJ/kg,是汽油的3倍。这种高密度能量的氢气可作航天动力燃料(但要注意爆炸和渗入金属等特性),可以像天然气、汽油一样储存起来调剂使用。
要从化合物中得到氢气作为能源使用,需要用另外的能源来交换。最常用的是用电能电解水制得氢气。一般电解水用15%KOH水溶液作电解质,电极反应如下:
阴极:2K++2H2O+2e- → 2KOH+H2
阳极:2OH- → H2O+1/2O2+2e-
电解时所用电极最理想的是铂系金属,但因太贵,可用镍或镍上镀微量的铂,为了降低成本,常用遮镀镍的铁电极。
当今世界上汽车已超过6亿辆,文明世界离不开汽车。汽车业发达的原因主要在于有廉价的汽油。氢燃料电池汽车已出现,将会逐渐和汽油汽车争雄。
氢燃料电池的构造示意于图4.6.1。汽车上安装这种电池,同时携带氢气和氧气,使它们在电池中转化为水,并产生电能开动汽车。2010年上海世博会园区中的百余辆交通车,就是以氢燃料电池为动力,它实现了碳的零排放。
氢气很轻,密度很小(0.089g/L),单位质量占的体积大,很难液化(临界温度-240℃),且易于泄漏,作为车辆燃料,储藏和携带氢气是需要重点攻克的难题。采用低温下液态的氢气,温度要在-250℃左右,用优良的绝热材料才能实现。采用高压压缩,高压钢瓶20MPa下储氢,H2只占钢瓶重量的1.6%。储存在储氢合金中,如铁-钛合金,镧-镍合金,充氢气时温度较低,H2与合金结合在一起,当加热时,压力在1MPa以下,放出H2,储氢量仅占合金重的1%-2%。上述几种储氢方法都不令人满意。
攻克储氢难关是利用氢能源的关键,化学家们正在进行研究实验,制备容易和氢结合又容易释放出氢气的化合物或某种组成的体系,相信在不久的将来一定会实现。低碳产业和清洁能源的指引加上石油危机的催迫,实现氢气汽车的理想一定会实现。