氢燃料电池需要两种主要原料,一种是氢,另一种是氧。氧气说起来容易,而且可以在任何时间从任何地方获得。关键是氢。在地球上,几乎没有氢可以直接用于燃料电池。氢以化合物的形式与其他各种元素存在,也就是说,如果你想获得氢,你必须从化合物中提取氢。
有很多这样的化合物。水和有机化合物是典型的富氢化合物。然而,从这些化合物中提取氢需要能量。能量从何而来?传统的是化石燃料。例如,火力发电厂产生的电力被用来电解水以生产氢气。这种技术非常简单,已经实用,可以稳定的大规模生产,而且价格也很便宜。但它也有明显的问题。也就是说,使用氢燃料电池的重要目的之一是减少化石燃料的使用。一方面,它可以避免化石燃料的污染,另一方面,它也可以节省宝贵的化石燃料。所以在提取氢气时,理想的状态是尽量不使用化石燃料。
不使用化石燃料获得氢气的方法是利用太阳能、风能等自然资源发电,并利用其电解水生产氢气。我们暂时不会考虑在生产太阳能电池板和风力涡轮机时是否消耗化石燃料。单从这种方法来看,它不需要化石燃料的参与,自然也不排放二氧化碳,但这种方法的缺点就更加明显了。首先,它的稳定性不好。根据自然能源类型的不同,氢的产量会有很大差异。其次,虽然该方案在技术上可行,但发电成本很高,因此制氢成本较高。你太贵,买不到,所以没有存在的必要。
化石燃料发电不行,自然能源发现也不行,那么到底该怎么办呢?好在目前,由于化石燃料的储量还算凑合,同时对于二氧化碳的排放,全世界也并没有过于严格的限制,所以我们没有必要必须得采用新能源来发电。目前,主要的制氢方法是通过天然气来制氢,天然气的主要成分是甲烷,甲烷与水蒸气一起加热就会生成一氧化碳和氢气,之后,将一氧化碳和水蒸气加热,还会生成二氧化碳和氢气,用这种方法制造氢气成本低廉,要比化石燃料提供电能来电解水的成本低很多,而且也可以稳定大规模地生产,所以现在的氢气基本上都是由天然气制成的。
然而,这种方法终究不是长久之计。首先,二氧化碳排放仍然存在。其次,天然气的储量也有限。所以我们现在需要找到其他的解决方案。氢还能是什么呢?
一个有希望的解决方案是将氢提炼成工业产品的副产品。事实上,在一些工业产品的制造过程中,氢会以副产物的形式产生。例如,在氢氧化钠生产、乙烯、炼铁等过程中,都会产生氢气。
以生产氢氧化钠为例,这个氢氧化钠就是工业上俗称的苛性钠,生产苛性钠是通过电解氯化钠也就是食盐水溶液来制造的。当电流通过氯化钠的水溶液时,氯化钠分解出的氯离子会在阳极变为氯气,并将钠离子留在水中。另一方面,通过电解,水分子中的氢原子会在阴极变为氢气,使得水溶液中的水分子分解出氢氧根离子。如此一来,液体就会变成含有高浓度钠离子与氢氧根离子的水溶液,从中就可以得到氢氧化钠。可见,通过这种方法产生的氢气,事实上与电解水并没有什么不同,但在这里,我们的目的并不是制取氢气,氢气只是作为主产物苛性钠的副产物,这就是一举两得的好办法,而且这样制取的氢气拥有较高的纯度。
还比如在炼铁、炼钢的过程中,有一道工序是把煤放在焦炉中加热,来做出名为焦炭的炭块。在这一过程中,焦炉中产生的气体被称为焦炉煤气,其中55%左右是氢气,30%左右是甲烷,剩下的是一氧化碳与二氧化碳,事实上,这些成分就是煤的气化产物。
类似的氢气作为副产物的情况还有很多,总的来看,相比于用天然气从头制造氢气这一方法,使用作为副产物的氢气,其费用更低,虽然也排放二氧化碳,但是这个锅氢气不需要背,背锅的是主产物。所以鉴于这些好处,目前,对工业产品副产物氢气的精炼,有很多已经开始了实用化。
不过,这一方法也存在点儿问题,那就是获得的氢气少。就比如生产苛性钠,除非就是有需求,否则我们不会为了制造氢气而搞一大堆苛性钠出来。另外,电解氯化钠水溶液时的电能,也主要来自化石燃料的燃烧。而至于炼铁、炼钢的副产物,事实上,焦炉煤气人们并没有浪费,而是大部分进一步用作了炼铁厂的原料,所以其中所含的氢气很少会被单独拿出来。总之,想要指望副产物来提供大量的氢气,这不是简单事儿。
以上所有这些方法,都是目前可行的方案,显而易见的是,每一个的短板都很明显,这也正是目前氢燃料电池无法广泛应用的原因。
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