冯大诚
政府工作报告中首次写入了氢能源
2019-3-17 11:31
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标签:氢能源, 政府工作报告, 科学技术政策

政府工作报告中首次写入了氢能源

今年的两会闭幕了,《政府工作报告》正式公布了。在政府工作报告中,有一句话引得了新闻界的注意,那就是“推动充电、加氢等设施建设”。人们注意到这是氢能源首次写入《政府工作报告》

电能和氢能都是二次能源。在使用时,它们都是清洁能源。

电能我们已经使用了很多年,即使是用于交通也很多年的。有轨道的电车、火车,到处乱走的电动自行车等等,给人们的生活带来很大的方便。现在的电动汽车将是一个新的飞跃。

氢能的实际使用还很少。但是,氢能汽车作为最清洁的交通工具,已经“呼之欲出”了。

电能和氢能都有一个储存和加载问题。《政府工作报告》中所说的推动充电、加氢等设施建设”,说的就是这方面的问题。

电能的储存需要电池,电池总有寿命的问题。从环境保护的角度看,这是一件比较麻烦的事情。相反,氢气的储存虽然有困难,但是,对环境相对来说要友好得多。所以,氢能源还是很有前途的,写入政府工作报告,说明了政府的科技政策和工作指导倾向。

前几个月,写过一篇关于氢气的小文章,曾经涉及氢能源的问题和氢气的储存原理,附在后面。

杂说这个小个子(1)由氢气球所想到的

我首次知道氢气是小时候逢年过节看到街上有人拿着用线拉着气球,而气球是向上的,如果不拉住,那气球会升到空中去了。不过,只知道那气球里装着的是“轻气”,读书以后才知道那应当写作“氢气”。我相信,在这个问题上,大多数人的经历应当与我相似。

小孩子拿在手里的小氢气球,买回家来以后,气球总是向上的,可是,过了一段时间,少则一个晚上多则一两天,气球里的气就不足了,氢气球升不上去了。漏气了,而且气球口子扎得再紧也没有用。

读书以后长大了,氢气球的上升和容易漏气都与氢气的结构有关。氢气分子是由两个氢原子构成的,而氢原子是最小最“轻”的原子,氢分子也是最小的双原子分子,它比空气轻得多。如果以氢原子的质量为1,那么氢分子的质量就是2,而空气的平均分子质量是29。所以,氢气球能够上升。又由于氢分子很小,它能够慢慢地透过被吹得很薄的乳胶气球壁。这样,氢气球比一般的气球更容易“漏气”。

现在,氢气球越来越少了,略大一点的那种做广告的气球都不准充氢气,而要充氦气。氦气的价格当然要比氢气贵得多,但是没有办法,为了安全,大一些的气球不能用氢气。氢气一遇到火星就容易爆炸,它能够与空气中的氧气反应,生成水。前几年,有企业用氢气球做广告宣传就引起过爆炸。危害非常严重的日本福岛核电站事故中,也有氢气爆炸所造成的危害。

氢气与氧气能够生成水,这是西方人发现氢气的最重要的反应。所以,氢气在西方各国的语言(比如英语hydrogen)中都是从“水的生成者”派生出来的。它的化学符号是H,就来源于此。汉语最早根据它的物理性质翻译成“轻气”,后来又特意造了一个汉字氢。

氢气与氧气反应生成水的时候,能够放出大量的热,在通常情况下,燃烧1克氢气,能够放出约34千卡的热量。做一个比较,燃烧1克纯碳,只能得到不到8千卡的热量,燃烧1克汽油或煤油也差不多只有11千卡。也就是说,携带相同重量的燃料,氢气放出的热量几乎是汽油或煤油的3倍,纯碳的4倍多。所以说,氢是非常高效的化学能源。所谓液态火箭燃料,液态氢就是最好的一种了。

氢气燃烧放出这么多热量,生成的产物又是水,几乎没有污染。所以,氢气作燃料是非常理想的。于是,就有人说,想办法把水分解成氢气和氧气,然后把氢气在氧气中燃烧放出热量,这就是把水当作燃料了,岂不是天大的好事?但是,仔细一想,氢气和氧气燃烧为什么会放出热量?那是氢原子与氧原子结合成键,要放出热量。那么,与这个过程相反,把水分子分解成氢原子和氧原子,就需要把氢原子与氧原子之间的键拉断,却是需要能量的。拉断一个H-O键需要大约110千卡/摩尔能量,结合起来又放出110千卡/摩尔能量,我们哪里有多余的能量可以利用呢?这等于是花一百块钱买了的一个物件,又把它卖了100块钱,白忙乎一通。这样简单的道理,凡是学习过一点化学的人都是会知道的,可是偏偏有的大干部不懂得。20世纪90年代的时候,有一个声称能够把水像油一样燃烧的人,就骗取了国家数百万元(那时候这是一个不小的数目)的资金,那是有关部门的大干部批准的,那个骗子据此又骗取了数亿元的民间资金。在这个意义上说,对于干部们的科普扫盲比对普通老百姓更为重要。当然,最关键的问题还是资金的审批和管理制度出了问题,领导者个人权力太大,而周围的人又都只考虑自己的“前程”,不敢指出更不敢纠正领导者的错误。

既然水解离成氢气和氧气所需要的能量与氢气与氧气化合所放出的能量一样,那么是不是把水解离成氢气就不能作为能源使用了呢?不是的。火力发电需要能量,这种能量可以来自燃煤、燃油或燃气,发电所需要的能量比电所能作的功还要大,电仍然是可以作为能源使用。因为二者不是在同一个地方,发电所需要的能量在发电厂,而用电的地方则可以随时随地,我们用电图的是方便。这样的能源称为二次能源。与发电一样的道理,我们解离水需要能量,但是,解离得到的氢气我们可以在需要的地方使用。比如氢能汽车在城市街道运行,就不产生污染。又如火箭燃料使用液态氢,有极高的能量密度,图的是高效。如今更接近百姓生活、用途更广的是氢能源汽车。在这个意义上,氢能也是一种重要的和优良的二次能源。当然,我们得到氢气不一定要通过电解水,用煤或石油等矿石原料来制取氢气是我国制氢的主要方法。

氢气作为能源虽然很好,但是,问题是不容易储存和携带。氢气在常温下是气态,常压下要到-183 ℃时才能够液化。如果,储存和运输过程都用气态,那么它的体积就会很大。如果把氢气加压,放在钢瓶里,那也需要很厚的钢瓶,重量很大。而且,前面说过,氢气分子非常微小,很容易泄漏,泄漏出来就容易爆炸,这是很大的麻烦。如果用液态氢来储存和运输,那么又要总是带着冷却的设备。这些方法都不能用在把氢作为能源使用的普通交通工具上。

然而,氢原子“个子小”,就有一个特别的好处,那就是可以钻到某些金属或合金的晶格之中去。我们知道,金属在一般情况下都是晶体,也就是,一个又一个金属原子,紧紧地挨在一起,成为金属的晶格,例如下面的模样。

 

虽然说这些金属原子是一个一个紧紧地挨着,但是,相对于氢原子,金属原子都是一个“大个子”,挨得再紧,原子之间仍然有许多空间,而“小个子”的氢原子就可以钻到这些空间里去。这个过程,我们称为氢被金属吸附。这种吸附可以形成金属与氢原子之间的化学键,也就是说,可以形成金属的氢化物。这样,氢原子就不容易“乱跑”了。但是,这种氢化物又并不牢固,在一定的条件下,它又能够释放出氢原子,两个氢原子又结合成氢分子。这样,这种金属就可以用来储存氢气,我们把这样的金属称为储氢金属。

有人会怀疑,这些空隙中才能够储存多少一点氢原子?我们先看个数目,好有一个数量大小的概念。金属原子的半径一般是0.1~0.2纳米,所以,这些金属原子空隙之间的距离实际上是很小的。常温常压下(也就是普通的情况下)氢气中氢分子之间的平均距离大约是3.3纳米,与金属的晶格相比,有十个金属原子间距那么多。所以,在金属晶格的空间里面实际上是可以储存许许多多氢气的。

我们容易看出,如果上面的示意图中,那些金属原子如果有大有小(也就是说,是不同金属的合金),那么它们之间的空隙还会更大。所以,有些合金能够吸附的氢原子的本领将更大,现在作为储氢金属的实际上也都是合金。它们能够储存比自身体积大一千多倍的氢气。这样,这些金属所储存的氢气就可以在汽车这样的交通工具上实际使用。在储存氢气的问题上,产生困难的原因之一是氢原子很小,但是,用合金来储氢的原理,也是因为氢原子很小。


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