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氢是所有原子中最小的。它的原子序数为1,是宇宙中最轻、最丰富的化学物质,约占所有物质的75%。从分子形式来看,氢是一种气体,然而地球上大部分的氢与氧结合形成水(H2O)。

氢是高度可燃的,在空气中浓度为4 - 75%时可以燃烧。它被用于航天飞机的主引擎。最好的方法来比较燃料提供的能量是使用能量密度。这个术语标准化了燃料在给定体积下所包含的能量。压缩氢的能量密度是143兆焦耳每千克,但只有5。6兆焦耳每升。另一方面,汽油每千克有47.2兆焦耳的能量,但是每升有34兆焦耳。柴油则更惊人,45.4兆焦每公斤和38.6兆焦每升。能量密度是氢尚未取代碳氢燃料的原因之一。

利益和使用

氢气作为燃料的最大优点之一是燃烧它只产生水。与氢燃料电池相比,燃烧氢是一种提取能量的效率较低的方法。当前的燃料电池约60%的效率,但如果包括热捕获特性,他们可以达到83%的效率。典型的内燃机,无论是燃烧氢还是石油,其效率最高可达25%。新利18 体育下载

燃料电池在很多方面与电池相似。燃料电池和电池的主要区别在于,电池中的化学物质是有限的,而在燃料电池中,源源不断地供应氢和氧。除此之外,原理基本上是相同的。这是燃料电池的工作原理。

电池被电解液分成两半。电池的一半被注入氢气。在电解质的另一边,氧气被注入。只有氢能穿过电解质,但当它这样做时,它的电子就被移走了。剩余的质子穿过电解质到达氧气所在的地方。另一方面,电子是通过电线传导的,在电线中它做了有用的工作,如电。一旦它到达金属丝的末端,它就与质子和氧气结合形成水。

缺点

使用氢作为燃料有几个主要的缺点。首先是经济性,燃料电池和燃烧氢的标准内燃机预计要到2040年以后才能在价格上与标准化石燃料相比具有竞争力。燃料电池的生产成本很高。总的来说,燃料电池发电的成本约为每千瓦100美元,而标准燃料为每千瓦0.15至0.30美元。目前的目标是到2020年将成本降至每千瓦35美元。

除了费用外,还没有为消费者提供氢的基础设施,特别是在运输方面。氢需要独特的储存条件,而且比碳氢燃料更容易爆炸。大多数国家将不得不彻底改造其燃料输送基础设施,以适应氢的需求。

储氢也是氢气的一个主要缺点。在它的气体形式,没有足够的储存使其实际使用,而且它也是非常易燃的。液态氢的爆炸性要小得多。然而,制造液氢需要在低温罐中冷却或压缩它。虽然每臀的能量是汽油的三倍,但目前的技术只允许液氢每升所携带的能量比标准汽油的六分之一。一些研究已经进行了特殊的晶体存储材料,但它们是昂贵的。

然而,氢气最大的缺点在于生产。地球上的氢分子很少,所以大部分的氢必须通过其他方法来生产。

氢气产生的方法

在工业规模上,氢可以通过几种不同的方式生产。其中最有效的方法是从碳氢化合物中去除。这通常是通过天然气的流重整来实现的,在700 - 1100℃的温度下,蒸汽与甲烷反应产生一氧化碳和氢气。目前,在这个过程中输入的能量大于获得的能量。此外,还需要碳氢化合物燃料来加热水以产生蒸汽。从化石燃料中生产氢并不能解决温室气体排放的问题,也不能结束社会对化石燃料的依赖。

热化学技术利用热循环和各种金属组合从水中生产氢而不需要用电。目前,人们正在研究太阳能,以便将这种生产手段从碳氢化合物中完全分离出来。地热手段也以类似的方式被使用。冰岛是全球通过地热处理生产氢气的领导者。

电解是用电把水分解成氢和氧的过程。电力必须通过传统的燃烧化石燃料或通过可再生的手段,如水力、风能或太阳能来生产。风力发电的电解生产一千克氢气的成本约为每加仑5.55美元,如果能够利用足够多的风力和克服上面列出的问题,这是一种可行的方法。