第十三節 氫能怎樣製取
氫作為一種高效能源，已經獲得了極大的應用。許多實驗數據表明，在21世紀，氫很可能成為最重要的二次能源。既然氫能有如此多的好處，那麼直到現在為什麼還沒被廣泛利用呢？
其實要實現氫能的大規模的商業應用還需解決兩個關鍵問題：第一，經濟實惠的製氫技術。因為氫是一種二次能源，製取它不但需要消耗大量的能量，而且目前效率又很低，因此尋求大規模經濟實惠的製氫技術是世界各國科學家的共同心願。第二，安全可靠的貯氫和運輸氫方法。由於氫很容易氣化、著火、爆炸，因此妥善解決氫能的貯存和運輸問題也成為開發氫能的關鍵。
氫，雖然是自然界中最豐富的元素之一，但是地麵上卻很少有天然的氫。製氫的途徑通常有：從豐富的水中分解氫，從大量的碳氫化合物中提取氫，從廣泛的生物資源中製取氫，或利用微生物生產氫等。雖然目前已經掌握了各種製氫技術，但把它作為能源使用，特別是普通的民用燃料，我們選擇製氫技術的標準首先是要產氫量大，同時要價格低廉。就長遠考慮，水是氫的主要來源，以水裂解製氫應是現在高技術的主攻方向。到目前為止，熱解法、電解法和光解法都是從水中製取氫的主要方法。
1.熱解法製氫。把水加熱到3000℃以上的是熱解法製氫。這時部分水蒸氣可以熱解為氫和氧，但是高溫和高壓仍是技術上存在的困難。雖然利用太陽能聚焦或核反應的熱能有可能解決。但對於利用核裂變的熱能分解水製氫，至今均未實現。不過人們還是更寄希望於今後通過核聚變產生的熱能來製氫。
2.電解法製氫。電解水製氧是人類使用的最早的製氧方法，目前仍然是專業化製氫的重要方法之一。改進後的電解槽雖然已把電耗降低了不少，但還是工業生產中的“電老虎”。若用燃燒石油、煤炭來發電（火力發電），再用電來製取氫，顯然用這樣得來的氫以代替煤和石油是不值得的。其成本是石油的3倍，而且燃燒煤和石油又造成了環境汙染。因此現在氫燃料隻用在專門的用途上，如推進太空火箭或在航天器中維持燃料電池。
3.光解法製氫。國際上在20世紀80年代末，出現了光解海水製氫的方法。由於激光誘導製膜技術有了很大的進步，製成了新型的金屬、半導體、金屬氧化物光電化學膜，用此膜作為海水電解的隔膜，就能使海水分離製得氫和氧。這種方法耗電少，轉換率約已達到10％。已引起各國科學家的關注。
工業製氫的方法，目前主要是以天然氣、石油和煤為原料，在高溫下使之與水蒸氣反應，從而製得氫。也可用其他方法獲得氫氣。在工藝上這些製氫的方法都比較成熟，但是以化石燃料和電力來製取氫能，在經濟上和資源利用上都不合算，而且對環境造成了嚴重的汙染。為此，目前用化石燃料製氫的目的不是把氫作為能源，而是把它作為化工原料，用於維持電子、冶金、煉油、化工等方麵的需要。
使用硫化氫製氫的方法目前在國外已經被成功使用，它不失為一種製氫的好方法。在石油煉製、煤和天然氣脫硫的過程中都會有硫化氫產出，自然界也有硫化氫礦藏，或在開采地熱等時也會產生硫化氫。氣相分解法（幹法）和溶液分解法（濕法）是硫化氫製氫的主要方法。雖然這種工藝需要一定的高溫（600℃）和適當的催化劑，但是用這種方法製氫卻能化害為利，既能製得氫氣，又能清除汙染。我國目前研製成功的“煙氣中氧化硫製氫技術”與硫化氫製氫有相似之處。它是利用煙氣脫硫的產物稀硫酸與廢金屬經液相氧化反應後製取氫氣。此種方法為汙染源（煙氣）資源化的新途徑。
第十四節 應用廣泛的太陽能製氫工藝
氫能是通過一定的方法利用其他能源製取的一種二次能源。在自然界中，氫和氧能結合成水，但要把氫從水中分離出來必須用熱分解或電分解的方法。這顯然是劃不來的。現在看來，高效率的製氫的基本途徑，是利用太陽能。
如果利用太陽能來製氧，實際上是科學家們把太陽能作為一次能源來製氫。就相當於把巨量的、分散的太陽能轉變成為高度集中的幹淨能源，其意義十分重大。
現在利用太陽能分解水製氫的方法有太陽能熱分解水製氧、太陽能發電電解水製氫、陽光催化光解水製氫等。
1.太陽能電解水製氫
電解水製氫是獲得高純度氫的傳統方法。其基本原理是：為了增加水的導電性將酸性或堿性的電解質溶入水中，然後讓電流通過，就會在陰極和陽極分別產生氫和氧。太陽能電解水製氫的方法與此方法相似。首先通過太陽電池將太陽能轉換成電能，其次將電能轉化成氫。這就是“太陽能光伏製氫係統”。從技術上來看，實際上該方法是太陽能光伏發電和電解水製氫兩者的結合。但從經濟上說，它又不如傳統的電解水製氫。因為現在太陽能發電技術的產業化生產還沒有過關，太陽能發電的成本比火力發電高出2～3倍。目前來看，它肯定無法與傳統的電解水製氫相比。該方法隻有在太陽能發電技術取得重大突破，並使生產成本大幅度下降的情況下，才可能大規模地生產。
2.太陽能熱化學製氫
利用太陽的熱能促進化學反應而製得氫氣是太陽能熱化學製氫的原理。它是較成熟的率先實現工業化生產的太陽能製氫技術之一。生產量大，成本較低，許多副產品也是有用的工業原料，這是它的優點。其缺點是生產過程需要較複雜的機電設備，需強電輔助，使用前較具體的工藝有：太陽能硫氧循環製氫、太陽能硫溴循環製氫和太陽能高溫水蒸氣製氫等。
3.太陽能光化學製氫
利用太陽光的能量，在某些催化劑的作用下，使含氫物質分解而製得氫氣即為太陽能光化學製氫。目前它使用的主要光解物（含氫物質）是乙醇。乙醇是許多工業生產中的副產品，很容易從農作物中提取得到。在適當條件下，乙醇在陽光的作用下可分解成氫氣和乙醛。相對來說陽光使乙醇分解的條件比使水分解的條件要容易些，可乙醇是透明的，它不會直接吸收光能，必須加入光敏劑（對光敏感的催化劑）。二苯酮目前選用的主要是光敏劑。它能吸收可見光，並通過起催化作用的膠狀鉑使乙醇分解，產生氫。由於二苯酮目前吸收的可見光譜中的有用能量太低了，因此科學家正在研究一種比二苯酮吸光率高得多的新催化物。
4.太陽能光解水製氫
化學家們在20年前，就提出了用太陽能光解水製氫的設想，可是由於沒有找到能適合批量生產的催化劑，所以至今仍停留在實驗室試驗階段。化學家在試驗中，發現了一種比較有效的催化劑二氧化鈦（裏麵充滿氧化鐵），在陽光照射下，水就不斷分解成氫和氧。試驗的結果表明，目前利用的太陽能的效率已經達到了10％左右。
1989年，日本理工化學研究所首次實現了利用太陽可見光分解水而獲得氫的突破。其是在硝酸鉀（電解質）的水溶液中浸入一根硫化鎘半導體電極和一根純鉑電極，把兩根電極用導線連接起來。由於硫化鎘半導體具有與陽光中的可見光接觸就能產生電流的特性，把陽光收集器聚集的陽光照射到這種半導體電極上。隨後就在硝酸鉀水溶液中產生化學反應，使水分解成氫和氧，半導體電極上產生的是氧，鉑電極上產生的則是氫。
這種方法看起來與電解原理相同，但它有其獨特之處，即不使用外電源就能產生電流。它是用遇到可見光後產生電流的半導體作電源。所以說，硫化鎘半導體是使光能轉變成電能的關鍵。
利用太陽能製氫有重大的現實意義，因而引起了世界各國的重視，但它卻是一個十分困難的研究課題，還有大量的理論問題和工程技術問題有待解決。
目前太陽能製氫的途徑雖然有多種，但大都尚處於探索試驗階段，而且多數技術都與太陽能技術的開發息息相關。我們相信隨著太陽能發電技術和太陽能熱利用技術的進展，太陽能製氫技術也將會有更大的突破。
第十五節 能源儲藏庫——貯氫材料
氫能的利用，主要包括兩個方麵：一是製氫工藝，二是貯氫方法。
傳統上有兩種貯氫方法，一種是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來貯存氫氣，但鋼瓶貯存氫氣的容積小，而且還有可能發生爆炸；另一種是貯存液態氫，將氫氣降溫到-253℃變為液體進行貯存，但這樣的液體貯存箱，非常龐大，而且又需要極好的隔熱裝置，才能防止液態氫沸騰汽化。這樣一種新型簡便的貯氫方法便會應運而生，即利用貯氨合金（金屬氧化物）來貯存氫氣。
研究證明，在一定的溫度和壓力條件下，某些金屬具有很強的捕捉氫的能力，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。然後，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將貯存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬，就是貯氫合金。
貯氫合金的貯氫能力很強。單位體積貯氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態氫的1000倍。
貯氫合金都是固體，當需要貯氫時使合金與氫反應生成金屬氫化物並放出熱量，需要用氫時則通過加熱或減壓使貯存於其中的氫釋放出來，就如同蓄電池的充、放電，既不用貯存高壓氫氣所需的大而笨重的鋼瓶，又不需存放液態氫那樣極低的溫度條件，因此它不愧為一種極其簡便理想的貯氫方法。
研究發展中的貯氫合金，目前主要有鈦係貯氫合金、鋯係貯氫合金、鐵係貯氫合金及稀土係貯氫合金。
貯氫合金不光有貯氫的本領，而且還有能量轉換功能，即將貯氫過程中的化學能轉換成機械能或熱能。貯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，可進行熱的貯存和傳輸，製造製冷或采暖設備。同時它還可以提純和回收氫氣，它可將氫氣提純到很高的純度。
此外，貯氫合金的快速發展，還給氫氣的利用開辟了一條廣闊的道路。
一個世紀以來，在工業領域都是以內燃機為主，它很快就要麵對以氫為能源的燃料電池的挑戰。隻要對現有的內燃機做適當的改動，就能在內燃機中使用氫來代替汽油作燃料。國際車壇近年來也出現了氫能汽車開發熱，如世界四大汽車公司即美國的福特、德國的戴姆勒奔馳、美國的通用和日本的豐田，都在加快研製氫能汽車的步伐。我國已成功研製了一種氫能汽車，它使用90千克貯氫材料，可行駛40千米，速度可高達50千米/小時。今後不但汽車會采用燃料電池，而且在其他方麵也會作為其主要或輔助能源被使用。
目前，由於我們所使用的鎳鎘電池中的鎘有毒，而且廢電池處理起來比較複雜，又汙染環境。發展用貯氫合金製造的鎳氫電池，是未來貯氫材料應用的另一個重要領域。鎳氫電池與鎳鎘電池相比的優點是容量大、安全無毒和使用壽命長等。
目前研究發展中的貯氫合金主要有鑭鎳類貯氫合金、鈦鐵類貯氫合金、鎂鎳（銅）類貯氫合金、混合稀土類貯氫合金和非晶態類貯氫合金。其中以鑭鎳合金和鐵鈦合金的貯氫能力最好。貯氫合金目前正在向合金係的多元化方向發展。我國的稀土資源豐富，有關部門正在研究和發展新型的混合稀土類貯氫合金。我們相信，無論在品種和質量方麵貯氫合金都將取得很大的進步。
第十六節 什麼是可燃冰
“冰”怎麼會“燃燒”？但在自然界中確實存在這種能夠燃燒的“冰”。事實上，可燃冰是一種甲烷氣體的水合物。在深海中高壓低溫的條件下，水分子通過氫鍵緊密締合成三維網狀體，能將海底沉積的古生物遺體所分解的甲烷等氣體分子納入網狀體中形成水合甲烷。這些水合甲烷就像一個個淡灰色的冰球，故稱可燃冰。這些冰球一旦從海底升到海麵就會砰然而逝。
可燃冰最初被發現，並不是在海底。早在20世紀30年代，工程技術人員就發現，一些輸氣管經常會被奇怪的冰塊堵塞。化學家對這些冰塊進行分析後得知，這是甲烷等氣體被關在冰晶體中形成的。當時，這些甲烷水合物被視為一種麻煩，而不是一種新型的能源。
直到60年代，蘇聯科學家才意識到，在自然界也許存在這種水合物，並預測到它作為一種可利用的新能源的前景。1972年，在開發北極圈內的麥雅哈天然氣田時，人類第一次發現了這種以礦藏形式存在的天然氣水合物。之後，美國科學家在地震研究中證實，在海底600米處就存在這種水合物。
1996年夏天德國科學家搭乘一艘海洋考察船對北太平洋水域進行考察，以尋找這種神秘的冰晶體。結果水下攝像機在800米深的海底拍攝到了晶瑩的亮光。科學家們迅速從海底取出了樣品。為了證實這就是充滿甲烷的冰晶體，一位科學家從這種冰塊上取下一小塊，用火柴點燃：冰雪般的東西開始燃燒，發出魔幻般淡紅色的火焰，直至冰塊變成了一攤水。
後來的實驗證明，1立方米這種可燃冰燃燒，相當於164立方米的天然氣燃燒所產生的熱值。據粗略估算，在地殼淺部，可燃冰貯層中所含的有機碳總量，大約是全球石油、天然氣和煤等化石燃料含碳量的兩倍。有專家認為，水合甲烷這種新型能源一旦得到開采，將使人類的燃料使用史延長幾個世紀。
第十七節 可燃冰如何開發利用
可燃冰在自然界分布非常廣泛，海底以下0～1500米深的大陸架或北極等地的永久凍土帶都有可能存在，世界上有79個國家和地區都發現了天然氣水合物氣藏。根據地質條件分析，理論上可燃冰在我國分布也應該十分廣泛，我國南海、東海、黃海等近300萬平方公裏廣大海域以及青藏高原的凍土層都有可能存在。在2000年，就有報道稱，我國南海、東海等海域發現大量可燃冰資源，初步估算其資源量相當於我國陸地石油天然氣資源的一半。
天然可燃冰埋藏於海底的岩石中，和石油、天然氣相比，它不易開采和運輸，世界上至今還沒有完美的開采方案。科學家們認為，這種礦藏哪怕受到最小的破壞，甚至是自然的破壞，就足以導致甲烷氣的大量散失。可燃冰中甲烷的總量大致是大氣中甲烷數量的3000倍。作為短期溫室氣體，甲烷比二氧化碳所產生的溫室效應要大得多，它所產生的後果將是不堪設想的。同時，陸緣海邊的可燃冰開采起來也十分困難，一旦出了井噴事故，就會造成海水汽化，發生海嘯船翻。目前，可燃冰的開采方法主要有熱激化法、減壓法和注入劑法三種。開采的最大難點是保證井底穩定，使甲烷氣不泄漏、不引發溫室效應。
第十八節 可燃冰會引發哪些問題
可燃冰也可能是引起地質災害的主要因素之一。它的存在很可能導致海床不穩定，引發大規模的海底泥流，對海底管道和通訊電纜有嚴重的破壞作用。另外，如果地震中海底地層斷裂，遊離的氣體和水合甲烷分解產生的氣體就會噴出海麵，或在海水表層及水麵上形成高度集中的易燃氣泡，這不僅對過往行船造成危險，也會給低空飛行的飛機帶來厄運。有學者認為，近幾個世紀，在百慕大三角區海域發生過的許多船隻和飛機神秘失蹤的事件可能與此有關。
日益增多的研究成果表明，由自然或人為因素所引起的溫壓變化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物滅亡和氣候變暖等環境災害。由此可見，可燃冰作為未來新能源的同時也是一種危險的能源。可燃冰的開發利用就像一柄“雙刃劍”，需要小心對待。