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物在厌氧条件下被沼气微生物分解代谢，最后形成以甲烷和二氧化碳为主的 混合气体的生物化学过程。尽管在自然界中，沼气微生物分解有机物产生沼 气的现象十分普遍，但人们无法利用它们。为了能使这种宝贵资源为人类所 用，经过近100多年的研究，特别是近二三十年的发展，人们逐步认识和掌 握了沼气发酵工艺，就是从发酵原料到生产沼气整个过程所采用的技术和方 法。主要掌握以下几点。 一是严格的厌氧环境 产甲烷菌是严格厌氧菌，对氧特别敏感，它们不能在有氧的环境中生存， 哪怕是微量氧气也会使发酵受阻。因此，沼气池要严格密闭。 二是菌种的选择和数量的确定 粪便和发酵原料经过堆沤再添加活性污泥作为菌种 （接种物）是最适宜 使用，产甲烷速度极快的方法。一般加入污泥作为接种物时，接种量为发酵 料液的 10％～ 15％。 三是控制好发酵温度 沼气发酵，温度是关键。在一定范围内，温度越高，产气量越大。温度 越高，原料消化速度越快。一个典型例子：当 15℃时，每吨原料发酵周期为 12个月，而在35℃时，发酵周期仅需一个月，就是说在35℃时一个月的产 气总量，相当于在15℃时12个月的产气总量。 四是发酵液的酸碱值 （pH值） 沼气发酵的最适pH值为6.8～7.5之间。一般情况下，一个正常发酵的 沼气池不需要人工调节pH值，而是靠其自动调节保持平衡。如 pH值低于6 或高于8时，就要人工调节。 目前，沼气的应用范围不断扩展，不仅能烧，还能作为汽车燃料使用。 近年来，美国通用电气公司加拿大分公司为加拿大生产了一批名叫“吕米那” 的以沼气为燃料的汽车，用 85％的沼气、 15％的汽油混合燃料。已交付 10 辆； 1992年再交100辆；另生产2300辆运往美国市场。加拿大是沼气生产 大国，产量居世界首位。 我国是世界上应用沼气较早的国家之一，已有60多年历史。20世纪20 年代初，台湾人罗国瑞就首先进行了人工制取沼气的研究。在 30年代时，已 有10多个省建立了沼气公司，仅上海、江苏就建造了100多个沼气池。有些 池子保存完好，至今还可继续使用。目前，我国农村已有家用沼气池500多 万个，约使2000万人口用上了沼气，年产沼气10多亿立方米，是世界上建 造沼气发酵装置最多的国家。 我国在农村推广的沼气池，多为水压式沼气池。这种形式的沼气池又称 “中国式沼气池”，已为第三世界各国采用。在我国南方这样一个池子正常 情况下，一般可年产250～300立方米沼气，可提供一家8至10个月炊事燃 料。 印度也在积极推广农村沼气池，印度的戈巴沼气装置也是一种典型的农 村家用沼气池。它是以牛粪为原料的。印度已建成80多万个沼池。 我国城镇生活污水净化沼气池的发展也很迅速，主要解决城镇生活污水 和粪便问题，已有10多个省市修建了9000多处。还把产能和节能相结合， 在一些农牧场、食品厂、酒厂、制药厂修建大中型沼气工程1000多处。年产 沼气约2.5万立方米，既可解决生产补充用能，又能向5.4万户居民集中供 气。
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沼气作为生物质能源的一种重要组成部分，发挥着重要作用。人类的生 产活动，从根本上说，就是能量的转换和物质的转换，农业生产实质上就是 生物生产。现实生活迫使人们必须要建立以沼气为纽带，促进生物质良性循 环，发展庭园经济，建立生态农业，维护生态平衡的大农业意识，要把能源、 生态和生活环境纳入农业生产的总系统。在这方面我国农村已开始走出一条 适合我国农村发展的生态农业的道路。 “自我开发”——人体生物发电 为开发新能源，一些科学家已把研究课题伸向人类自身的生物能，并已 开始投入应用。据专家测算，人一生中所发出的生物能约有 50％被浪费掉。 你大概从来没有想过，一个超级市场是怎样依靠顾客不知不觉的走路时 所提供的能量发电以供使用。说来也真离奇：人体本身的生物能通过多种形 式竟可以转变成电能。比如 “重力能”——一个人坐着或站立时，就会造成 持续重力能，采用特制的重力转换器就可以转换成电能。美国桑托斯公司的 超级市场，在出入口处安装了旋转门，在地下室安装了一套发条式能量收集 器和转换器、发电机、蓄电池等。每天数以万计的顾客进进出出，都要用手 推动旋转门，还要在旋转路上停留1～3秒钟。人们发出的生物能就被能量收 集器收集起来了，经过转换变成了电能。 还有一家公交公司将发电装置埋在行人拥挤的公共场所，上面有一排踏 板。当行人踏上时，体重压在板上，使与踏板相连的摇杆从一个方向带动中 心轴旋转，从而启动发电机发电。美国还在纽约一条繁华的马路上，铺设了 20块金属板，在每块板下再放上一个储蓄循环水的橡皮容器。就利用汽车在 金属板上压过时，使金属板将容器内的水高速压出，经地下管道通往路边的 发电机房，推动水轮机发电。当汽车过后，橡皮容器又恢复到原状，水又返 回容器内，准备再次受压。如此往复循环，就可源源不断地发电。据测量， 一辆5吨重的汽车压在金属板上，就可产生7度电。 还有，就是人体生物能的 “热能”，也可利用。人体每天都要散发大量 的热量，通过辐射传播出来。据实测，一般一个50千克重的成年人一昼夜所 消耗的热量约为2500千卡左右。这些热量若蓄集起来，可以将50千克的水， 从0℃加热到50℃。利用人体的热能制成温差电池，就可以将人体热能转换 成电能。这种温差电池，可以做得很精巧，放在衣服口袋里就可以工作。可 用它当电源，给助听器、袖珍电视机、袖珍收音机、微型发报机等供电，自 己发电自己使用。这种“自主式”人体热供电的微型发报机只有半个火柴盒 大小，输出功率为5微瓦，作用距离可达16公里。美国新泽西州修建的电信 电话公司总部大楼，利用全公司 2000多名职员的体温供暖，室温可保持在 18℃以上，只有当室外气温下降到-9℃以下时，才需要通暖气来取暖。 专家们预言，随着科学技术的不断发展，人类开发利用自身的人体生物 能，必将取得更大成果。 “生物冶金”——细菌采矿 今天，在传统的工业将被以新的生物学为基础的生物工程产业逐步取代 的趋势下，人类利用生物技术创造了种种奇迹。除上面谈到的绿色植物转化 成各种形式的新能源外，在矿业开采过程中，也能应用生物工程技术获取多 种多样的资源，同时也能节省许多能源。 在这方面，一些国家摸索出了许多成功的经验。比较成熟的生物工程再
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生能源技术有：常规的开采工艺对地下油层中60％左右粘滞性强的油束手无 策，过去含有这种油的旧井常常被宣判为 “废井”。现在采用生物工程新工 艺，实现 “微生物三级采油”，就可较彻底地开发这一宝贵资源。 利用两种真菌使煤降解为液体，实现煤液化技术突破。 利用 “生物冶金技术”，就是利用微生物的特殊本领提取金属的方法。 许多微生物具有吸收和富集重金属元素的能力，经过筛选、改良，就可以把 这些微生物用于 “采矿”，有的可节能、有的可产能。当前世界上正在大力 推广 “细菌浸矿”方法，约有30个国家开展了这一研究。至今，人们已发现 了20多种回收金属的微生物，已有金、银、锰、锌、钛等21种金属可由微 生物提取，其中，在低品位硫化铜矿和铀矿的浸出方面，已取得显著效果。 美国用细菌浸矿所得的铜，已占全国铜产量的 10％以上，加拿大历年来用 细菌浸出的铀已达230吨。世界上20个大矿山每年用细菌浸出的铜约有20 万吨之多。 利用厌氧细菌提硒技术，是美国于1985年研究出来的，用一种厌氧细菌 从铀矿废水中回收硒的技术，已取得明显成效。 我国从1965年以来，已先后进行了铜、铀、锰等金属的细菌浸出实验， 并已取得一定成绩。 发展势头 由于上述生物质能开发应用的种种成果和前景，加上近几年来石油价格 不断上涨和石油资源日益减少以及矿物燃料对环境污染所造成的巨大社会压 力，世界各国都很重视生物能源的进一步研究与开发。 欧共体国家 为大力开发生物能源，1985年3月，制订了“1985～1989年生物技术开 发计划”，投入资金2000万美元。其中强调了要包括研制把纤维素废料转化 为酒精的反应器。1986年又采取了一项重大步骤，决定在意大利的阿布鲁佐 地区建立一个生产生物燃料的工厂，总投资2.27亿美元，于1990年建成投 产。按此计划，到本世纪末，欧共体将生产出相当于1亿吨石油的生物燃料， 折合约143亿美元。可满足欧洲国家能源需求的7％。这个工厂用9.8万公 顷土地种植生物植物。其中7.8万公顷为森林，以提供有机废物，2万公顷 种植能源作物，主要是甜高梁。这样就可为这座生物燃料工厂每年提供 40 万吨的生物原料，生产出来的燃料就可作为石油的添加剂，以替代纯石油， 供给当地一座2.7千瓦的电站使用。并可作为汽车用的汽油添加剂，以提高 汽油的辛烷值，这样也就和意大利推行的 “无铅汽油全国计划”结合起来， 更好地落实节能措施。 日本 把生物技术列为国家发展战略的重点。各省厅分别制订的从1980年开始 执行的5年、10年生物计划竟达 12个，其中不少计划都涉及到生物能源的 应用项目。像农林水产省1981年制订的 “绿色能源10年计划”、 “生物能 转换计划”，都明确提出要加紧实施生物能源的开发研究。1987年，日本通 产省工业技术院也开始专门研究生物能源，计划在 “新燃油的制造”、“氢 生产系统”等4个重点研究课题上取得成效。其中，微生物研究所计划要以 提高光合作用的微生物增加氢的生产效率为目标，选择能够高效率生产氢的
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微生物，揭示氢产生的机制，并预定以此为基础，进行重组基因，改良微生 物。公害资源研究所，将开发制造生物液体燃料的技术。化学研究所将选择、 改良能有效地生产油脂成分的线状菌，实现培养、控制、分解、提炼菌体产 生油脂技术的系统化。纤维高分子材料研究所还将研制微生物电池。美国 各大学、科研机构几乎都已开始进行有关生物能的研究工作，工业部门 的大型石化公司也都在开展这项研究。美国在七八十年代兴起的生物工程 热，促进了一大批生物技术公司的诞生，到 1983年时就有200多家，注册资 本已达50亿美元。到80年代末，已有484家。生物公司的重点目标之一就 是，瞄准生物能源的开发，着重发展植物能源，用木质素和纤维素生产乙醇、 乙酸和丁醇等。还研究每英亩年产 10桶石油的植物，和可提取石油的海藻 等。1980年，美国还将全部锅炉的50％设计成能燃木炭的锅炉，以更高效地 利用树木能源。美国能源部建立了360多个林木实验场，发展绿色能源。在 发展生物质气体方面，加紧研制各种气体设备，已有40多家厂商专门提供气 化设备。1978年，美国就开始研究海洋生物量的生产，并把海洋净化开发生 物能源与海洋生物量的生产结合起来，并拟通过巨型海藻进行甲烷生产，以 解决石油替代能源问题。 世界上其他许多国家，德、英、法、意、比、瑞典、瑞士等国，也都十 分重视开发生物质能源，在这些国家里发展起来的 400多家生物技术公司 中，差不多也都把生物质能的研究开发放在十分重要的位置。许多发展中国 家，凡有条件的也都在认真地开展这项高新技术的开发工作，印度、印尼、 巴基斯坦、菲律宾、巴西、新加坡、朝鲜以及非洲、南美一些国家，也都在 制订发展生物质能的计划，推广在经济上、技术上能接受的一些生物质能开 发项目。这在现代农业发展中是一种十分奇特的现象，充分反映了各国都对 开发生物能源，对解决人类面临的能源危机寄予极大希望。 现代生物技术的发展历史仅仅20年，就总体上看，仍处于开创初期，在 生物质能开发上也是如此。但它有着远大的前程，且对人类社会生活有着至 关重要的影响，对解决世界能源危机，无疑是一个重要的新战场。
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无尽的 “能源之母”——太阳能 太阳给人类带来了光明和温暖，并给人类以生命，以及维持生命活动的 各种能源。可以说，没有太阳便没有人类；没有太阳，也不会有今天物质世 界的一切。 太阳以她那巨大的光和热，给地球上的万物带来了生机。她一刻不停地 向宇宙空间发送着大量的能量。据计算，仅每秒钟发出的能量就约相当于1.3 亿亿吨标准煤燃烧时所放出的全部热量。太阳发送到地球上的能量虽然也很 多，但只占她向外辐射量的22亿分之一。仅就这些能源来说，如果除去地球 表面大气层的反射和吸收的能量，那么真正到达地球表面的太阳能，约相当 于目前全世界所有发电能力总和的20万倍。地球每天接收的太阳能，相当于 全球一年所消耗的总能量的 200倍。太阳发光放热的历史已达 40多亿年以 上。据科学家们预计，太阳释放巨大能量的时间还将持续几十亿年。因此， 太阳真可谓人类取之不尽、用之不竭的能源大宝库。 太阳实际上是一个熊熊燃烧着的炽热的巨大球体，其表面温度约为6000 摄氏度，而内部温度高达2000万摄氏度。这个无与伦比的大火球具有如此惊 人的高温，正是她能发射出巨量光和热的本领所在。 那么，浩瀚无比的太阳能量又是从哪里来的呢？科学家经过长期研究， 才逐渐揭开了这个秘密。原来，在太阳内部每时每刻都在进行着原子核聚变 反应。形象地说，太阳就像一座以核能为动力、以氢作燃料的极其巨大的能 源工厂。在高温的作用下，太阳里的轻核元素——氢发生聚合反应，即每个 氢原子核聚合成氦原子核，同时释放出大量的光和热。这就是通常所说的热 核聚变反应。而核聚变反应所放出来的能量要比一般的化学反应 （如煤或天 然气的燃烧）释放出来的能量高100万倍。而太阳这个大气体球主要是由氢 气组成的，其体积又特别巨大，在她的肚子里可以容纳130万个地球。由此 可知，在太阳里蕴藏着多么丰富的能量，这也正是她能经久不衰地发光放热 的原因所在。 对人类来说，太阳释放的能量还包括地球上的各种能源，诸如煤炭、石 油、风能、海洋能、地热能等等。它们都是由太阳能转化而成的。 同时，太阳能比其它能源具有独特的优点：一是她没有一般煤炭、石油 等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称做“干净能源”； 二是到处都可以得到太阳能，使用方便、安全；三是成本低廉，还可以再生。 回顾往事，人类对太阳能的利用已经有悠久的历史。我国早在2000多年 前的战国时期，就已经懂得用金属做成的凹面镜聚焦太阳光来点火，以后又 有了放大镜，就利用玻璃凸凹镜来聚光取火。近代人们对太阳能的利用逐步 前进了。早在1837年，英国天文学家赫胥在去非洲好望角的探险途中，就首 先使用太阳炉烧饭，他用一个黑箱埋入沙土中，箱上用双层玻璃保温，箱内 温度可达116℃。1860年出现了用抛面反射太阳光的装置，会聚的阳光可使 聚集面温度达500℃左右。1875年时又有人制造了太阳能集能器，但效率很 低，在近10平方米的集能器上，只能获得1马力的功率。由于采集太阳能存 在许多技术问题，不像挖煤、钻取石油那样相对来说比较简便和立见成效， 因此，太阳能技术一直发展不快，只是作为一种辅助能源使用，如太阳灶、 太阳能热水器等。 如今，世界各国都面临着能源的日益紧缺这一状况，所以太阳能的开发
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利用引起了人们的重视。人们把太阳能作为开发利用的现代主要新能源之 一，并将利用太阳能作为人类历史上第三次能源变革的开始，即由有限的矿 物燃料 （如石油、煤炭等）向无限的可再生能源（如太阳能、海洋能、生物 质能等）以及核能转变。因此，向太阳——人类用之不尽的能源宝库索取能 量，实现人类历史上这次重要的能源变革，已成为今后能源发展的主要趋向。
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优质干净的能源——氢能 很久以前，法国科幻作家凡尔纳曾经说过一句话： “总有一天水会被用 作燃料。”今天，凡尔纳的科学预言已经成真有望，人类大规模地用水制氢 的日子已日益接近了。用水提炼出的氢，将会为人类提供无穷无尽的光和热。 位居“门氏元素周期表”首位的是氢——H，而氢是自然界存在的最普遍 的元素，它至少构成了宇宙质量的 75％，真不愧为“百素之首”。 现代能源专家们把地球上现有的“二次能源”分为“过程性能源”和“含 能体能源”两大类。当今应用最广泛的 “过程性能源”是电能，应用最广泛 的 “含能体能源”是汽油和柴油。而电能无法直接贮存，因此，像汽车、轮 船、飞机等机动性强的耗能动力设备，就无法直接使用，而只能继续耗费汽 油、柴油等能源。即使蓄电池也是间接的储能设备，而且也尚未能成为主能 源。人们急需一种含能体能源。在竭力寻索中，终于发现了氢，这个肉眼看 不见的宠儿可以充当这个角色，科学家们甚至预言，氢能将要成为21世纪替 代矿物燃料的理想能源。 虽然氢几乎存在于世界各地，处处皆有，但如何提取出来，确是世界级 的一大难题。尽管已有一些办法，但这些技术仍要消耗大量常规能源。因此， 研究一种经济、便捷的制氢技术就是新能源领域里的一项重要课题了。氢， 是元素中最轻的物质，而且又易燃烧。有了氢，如何储运，保证使用安全， 就成了另一个大问题。还有就是如何应用这个干净优质的新能源？也提上了 人们的议事日程。令人欣慰的是，在氢能的研究应用领域不断取得的成功， 已为21世纪的世界能源描绘出了一幅诱人的前景。 氢的制取 当今，全球人类使用的主要能源都是以碳氢化合物为基础的能源。早在 40多年前，一些科学家就研究实验了氢在石油化工、合成氨及其他领域里的 广泛应用的可能性。 随着常规能源的一再告急，生态环境保护的呼声日益高涨，形势迫使人 们要采取以开发新能源为主，坚持多种能源并存的总体策略，又把氢燃料的 开发应用放在了一个重要的战略地位上，并在制取氢的工艺技术方面作了深 入探索。氢的应用方面也作了许多大胆的尝试，特别是在航空器、航天器、 导弹、火箭、汽车等方面的试用，证明氢作为能源，是完全可以胜任的。 独特优点 氢，在常温常压下是气体状态，在超低温高压下又可成为液态。作为能 源，氢有七大特点： 一是重量最轻，在所有元素中，它的原子序数为 1，就是说其余元素都 比它重； 二是热值高，除核燃料外，它的燃烧热值，在所有的矿物燃料、生物燃 料、化工燃料中名居榜首，每千克高达28900千卡，是汽油热值的3倍； 三是 “爆发力”强，它非常易于燃烧，且燃烧速度非常快； 四是来源广，除空气中含有的氢气外，它主要是以化合物的形态贮存于 水中，在水分子中，氢的重量占 11％，而地球是“二山七水一分田”，水 是大量存在的。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量
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比世界上所有矿物燃料放出的热量还要大 9000倍； 五是品质最纯洁，氢本身无色、无臭、无毒，十分纯净，它自身燃烧后 只生成水和少量的氮化氢，而不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、 铅化物和颗粒尘粉等对人体有害的污染物质，少量的氮化氢稍加处理后也不 会污染环境，而且它燃烧后所生成的水，还可继续制氢，反复循环使用； 六是能量形式多，氢通过燃烧可以产生热能，再转换成机械能，也可以 通过燃料电池和燃气——蒸汽涡轮发电机转换成电能，还可以转换成固态 氢，用作结构材料； 七是储运很便捷，氢可以用气态、液态或固态的金属氢化物形态加以运 输和贮存。 氢能的诸多优点，赢得了人们的青睐。一致认为，用氢能取代碳氢化合 物能源，将是一个重要的发展趋势。这种新能源已开始逐步形成，通过太阳 能制得的氢，将成为普遍使用的一种高级能源，二三十年后，氢，必将是众 多领域的重要能源。 陈旧手段 氢作为能源，尽管优点很多，但要真正能够大量地而又廉价地获取它， 需要些什么技术呢？这是要解决的关键问题。 氢是通过科学方法，利用其他能源来制取的。因此，氢属于“二次能源”。 目前，制氢的原料，是天然气、石油和煤，其中天然气占了 96％。人们都 知道，天然气是宝贵的燃料和化工原料，用它来制氢，显然仍是摆脱不了过 分依赖矿物燃料的被动局面，而且很不经济。要大量制氢，从根本上说，只 有用水做原料才是稳妥可靠的。 多年来，人们已研究出多种 “用水制氢”的方法。但从本质上说，并非 真正用水作原料，而仅是把它当介质，由 “一次能源”转换而已。比如，在 实验室里常用的方法是用某些金属 （如镁）和蒸馏水“混合法”或用酸、碱 反应制氢。这只是证明氢是如何提取出来的化学反应； “铁蒸汽法”，就是 将水蒸气通过灼热的铁屑，生成四氧化三铁放出氢； “转化法”，就是将水 蒸气通过灼热的煤层，生成氢气和一氧化碳的混合物，也就是长期以来常用 的用煤来分解水，即 “水煤气”，然后将水煤气再和水蒸气一起通过灼热的 氧化铁，转化成二氧化碳和氢气，二者再分离，从而获得纯氢；“电解水法”， 就是用纯水通电的方法，提取氢气，这种方法的效率仅有 36％，而且，需 要大量的纯水和大量的电能； “燃烧法”，就是用煤、石油、天然气燃烧所 产生的热去分解制氢。 从上述这种种方法中，人们可以明显地看到，水在制氢过程中，只是一 种原料，实际上都要依靠其他物质和大量的热能、电能，才可以真正获得宝 贵的氢气，它的致命弱点是成本高，效率低。因此，从根本上说，这种制氢 的方法仍是没有发展前途的。 “水作燃料” 近些年来，各国科学家普遍关注摸索新的科学制氢的途径问题，对用氢 作燃料抱有极大的期望，都有设法寻求彻底摆脱长期以来用常规能源制氢这 种得不偿失的陈旧办法，真正实现用水作原料制氢的愿望。 科学家经过潜心的钻研，终于设想利用太阳能制氢将是最佳选择。因为 太阳能无穷无尽，到处都有；用水作为制氢原料，水是普遍存在的。把两者 巧妙结合，就可将太阳能转变为氢能。
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当前，一些国家已经初步摸索出的可行的太阳能制氢高新技术有以下 8 种。 太阳能热分解水制氢法 热分解水制氢，现有两种方法，即直接热分 解和热化学分解。太阳能直接热分解水，需要把水或蒸汽加热到3000K以上 的温度时，水中的氢和氧才开始分解。其优点是热效率高，无污染，勿需催 化剂；缺点是所需分解水温度很高，制造太阳能聚光器太昂贵、不经济。太 阳能热化学分解水制氢，可以降低对温度的要求，但在反应过程中，要在水 中加进化学元素或化合物等催化剂，然后加热到900～1200K的温度，使水产 生反应，生成氢和氧。而催化剂只是起到加速水分解的催化作用，它们可在 整个过程中，不断地再生和循环，基本上是消耗或消耗很少的。这种方法的 制氢效率已可达到 50％。 太阳能电解水制氢 与常规的用直流电电解池电解水制氢的原理相 似，太阳能电解水制氢就是利用太阳能分解水制氢，首先要将太阳能转换成 电能，转换的方法可以采用热发电、光伏发电等不同途径。 这种电解水制氢的关键问题是只要将太阳能发电成本降低，就可以广泛 应用了。 太阳能光化学分解水制氢 这种方法与热化学分解水制氢过程很相 似，也是要在水中加入添加剂，这种添加剂是光敏物质，如碘，用它帮助水 吸收阳光中的长波光能，以保证高效连续利用太阳能制氢。 + 将水直接分解为氢和氧是很困难的，但把水分解为氢离子 （ H）和氢氧 - 离子 （OH），再生成氢和氧，就容易得多了。根据这个理论，有的科学家设 计了综合制氢工艺流程。 就是说，第一步先进行光化学反应，即：使硫酸亚铁、碘与硫酸的水剂 混合液在太阳光照射下，生成硫酸铁和碘化氢；同时，在太阳光紫外线作用 下，或利用太阳热能加温到 400℃以上时，碘化氢再分解为氢和碘。这种混 合液进行第二步热化学反应，即：硫酸铁与水，在加热条件下，还原为硫酸 亚铁、硫酸和氧。然后进行第三步电化学反应，即：这种溶液，通过较小功 率的电解，生成氢和氧。实际操作中，这三个步骤是连续进行的，可以看到 最终的结果是水分解为氢和氧的反应。 特别值得提到的是，我国北京大学两位教授领导的科研小组，在 1991 年太阳光分解水制氢过程中，利用他们研究的催化剂，具有光解效率高、性 能稳定、制备重复性好、成本低廉、制备工艺简单等优点，使我国在这一领 域的研究达到国际先进水平，大大推进了光解水制氢的研究过程。 太阳能光电化学电池分解水制氢 1972年，日本东京大学一些科学家 首创用N型半导体二氧化钛 （TiO）作阳极浸入氢氧化钠的水溶液中，而以 2 铂 （Rt）作阴极浸入硫酸水溶液中，这两种溶液用多孔杯隔开，构成一个化 学电池，在太阳光照射下，就能维持恒定电流。阳极被太阳光照射后，就处 于激发状态，激发出电子、空穴对，空穴扩散到阳极表面，和水相互作用而 生成氧气；电子则转移到铂阴极，在阴极表面和氢离子相互作用而生成氢气。 利用二氧化钛作电极的太阳能制氢方法，虽然十分简单，但效率很低， 以后又研制成功用钛酸锶作阳极，最大效率可达20％；近几年又采用氧化钨 晶体作阳极试验，效率已可达40％。光电化学电池分解水制氢中，关键问题 还是电极的材料选择问题。 模拟植物光合作用分解水制氢 植物的光合作用，是在叶绿素上进行
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的。1968年，有的科学家发现了“叶绿素脂双层膜”的光电效应，从而证明 了光合作用过程的半导体电化学机理。我国年轻的科学家近年制成了 “半导 体隔片光电化学电池 （SC—SEPS），从而实现了利用可见光直接电解水制氢 的目标。 当然，人们对植物光合作用分解水制氢的机理过程，还了解得不够深入， 真正实现大规模实用化生产氢气，还有一系列技术上和理论上的难题需要逐 步解决。 太阳光络合催化分解水制氢 20世纪 70年代，有的科学家提出利用 “三联吡啶钌络合物”催化电荷转移反应的过程，进行太阳光分解水制氢。 这种过程实质上也是类似于植物光合作用的一种过程。其效率不高，不超过 20％。目前仍在研究阶段。 微生物发酵制氢 人们很早就发现了甲烷发酵过程的产酸阶段也产生 氢，说明发酵原料中的微生物也有制氢的能力。现在已有人鉴别出一种厌氧 细菌，能把葡萄糖分解成醋酸和氢。但这种制氢过程很不稳定，距实用相差 甚远；目前只能在实验室内研究寻找产氢能力更强的菌种和高效连续产氢工 艺。 光合微生物制氢 人们还发现在江河湖海里的藻类低等植物，有几种也 具有用水制氢的能力。这些藻类实质上也是在光和菌的作用下，通过光合作 用制氢的。小球藻、固氮蓝藻、柱泡鱼腥藻和它的共生植物红萍等，就能用 太阳光作动力，用水作原料，源源不断地放出氢来。有人还做过实验，用既 有叶绿素又有氢化酶的蓝绿藻通过光合作用制氢，甚至一次反应时间能持续 20天。 利用生物制氢，有的国家已进行了大量研究工作，并取得许多研究成果。 日本通产省于1991年开始实施高效率生产氢的为期 8年的国际研究开发计 划，主要是研究生产氢的光合细菌和藻类，查明其生产机理，准备利用这些 生物生产氢气。 上述种种制氢高技术，绝大部分仍处于理论研究和实验室阶段，距离大 规模工业实用化，还有一个相当大的距离，大约还需要二三十年的时间才能 获得可以实用的系统。特别值得重视的是，在 80年代末，前苏联科学家提出 利用硫化氢分解法可比较经济地生产出氢来，而地下储藏的许多资源中，都 含有相当丰富的硫化氢。这是很值得重视的一种制氢技术。 氢的储运 氢在一般条件下，是以气体形态存在的，这就为贮存和运输带来很大困 难。目前，氢的储运主要采取：一是气态储存和运输。氢气可储存在地下库 里，也可以装入钢瓶中。二是高压低温的液态氢。就是把氢气冷却至-253℃ 时，即可呈液态，储存在大型罐里，或装罐运输。三是用金属氢化物储存。 就是用一种具有能捕获氢的能力的所谓 “贮氢材料”来储存氢。这些材料有 的是合金材料，最多的由6种元素组成。 目前世界上已研究成功多种贮氢合金，大致可分四大系列：一是稀土镧 镍等，每千克镧镍合金能储氢153升。后来又有多种改型，其特点是贮氢量 较大和易活化；二是铁-钛系，是目前使用最多的合金，它储氢量大，比前者 多4倍，价格低、活性高，且可在常温常压下释放氢，给使用带来极大方便；
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三是镁系，这是吸氢量最大的金属元素，它在300℃～400℃、4. 0帕压力下 可吸收 7.6％的氢，但释放氢时也需在 287℃下进行，且吸放氢十分缓慢， 因而使用受到了限制；四是钒、铌、锆等多元素系，该系有许多稀贵金属元 素，只可少量用于特殊的要求中。上述这些贮氢合金，最有实用价值的是前 两种。尽管各国最近对贮氢合金的应用开发取得重大进展，但仍存在贮氢量 低、成本高、释氢温度高等问题。 专家们认为，开发氢能和开发贮氢材料，具有同等重要意义，甚至贮氢 更为重要。 氢在使用和储运中，是否安全可靠，是人们普遍关注的安全问题。80年 代末，德国、法国和日本三国的三个大汽车公司，对氢能汽车对于氢燃料的 使用作过试验，并有一定的评价。德国默谢台斯——奔驰的原型车已试运行 80万公里以上；英国汽车公司的 “735”模型车在慕尼黑进行了液氢燃料试 验；日本马自达公司也进行了氢能原型轿车试行。三家公司一致认为，氢能 燃料和汽油一样安全。即使撞车起火燃烧，至多也不过发出一阵冲天大火， 很快就烧完火灭。但也存在三个问题：一是由于氢气太轻，单位能量体积太 大，达 390升/千卡，是石油的4000倍，即使用液态氢，体积仍然很大，占 车内空间太多。二是氢燃料 “逃逸”率高，即使是用真空密封燃料箱，也以 每24小时2％的速率“逃逸”；而汽油的一般是每个月才1％。三是加氢燃 料既危险，又费时，一般需要1个小时，而且液氢温度太低，只要一滴掉在 手上就会发生严重冻伤。 当然，上述这些问题，也只是在氢能试用阶段出现的，而且是可以逐步 得到解决的。比如，今后加氢燃料时，将使用 “加氢机器人”来完成。科学 家们对氢能广泛使用还是充满信心的。 氢的应用 近些年来，氢能作为特殊的用途，已显露出它的独特风韵，特别是氢用 作燃料能源的优点，在对重量十分敏感的航天、航空领域，显得格外突出， 在汽车、轮船和机车使用方面，也已初显锋芒。 首先，在航天方面，对于航天飞机来说，减轻燃料自重，增加有效载荷 极为重要，而氢的能量密度很高，每千克氢为1.8万瓦，是普通汽油的3倍， 也就是说，只要用1/3重量的氢燃料，就可以代替汽油燃料，这对航天飞机 无疑是极为有利的。以氢作为发动机的推进剂、以氧作为氧化剂组成化学燃 料，把液氢装在外部推进剂桶内，每次发射需用1450立方米，约 100吨，这 就可以节省2/3的起飞重量，从而也就满足了航天飞机起飞时所必需的基本 燃料的需求了。 氢作为航天动力燃料，可追溯到 1960年，液氢首次成为太空火箭的燃 料，到70年代，美国发射的：“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭燃料也是 液态氢。美国和前苏联等航天大国，还将氢氧燃料电池作为空间轨道站的电 源广泛应用。今后，氢将更是航天飞机必不可少的动力燃料。美国国家航空 航天局计划在1994年发射一架以氢作为燃料的混合型航空航天飞机。氢还可 以作为普通火箭的燃料使用，日本的下一代主火箭H-1、H-2型的第二级也将 采用氢作燃料。 科学家们正在研究设计一种“固态氢”宇宙飞船，这种飞船由直径为3.6
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米的 “氢冰球”簇制成，这是用小型助推火箭发射的氢冰球在地球轨道上组 装起来的，固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行 期间，飞船上的所有非重要零件都可以 “消耗掉”。预计这种飞船在地球轨 道附近可维持运行24年；如在离太阳较远的深层宇宙飞行，这种氢冰球体， 则可维持更长的时间。这种科学预想预计2020年就可实现。 其次，在航空方面，氢作为动力燃料也已经开始飞上飞机试飞航线。1989 年4月，前苏联用一架图-155运输客机改装的氢能燃料实验飞机，开始试飞 了，这架飞机用图-154原型机尾部一台右侧发动机改装成液态氢燃料发动 机，试飞成功，它为人类应用氢能源迈出了成功的一步。 再次，在汽车应用方面，成效更加显著。如前面讲到的德国奔驰汽车已 有10辆进行了试用；1990年，德国还展出了一种用氢能运转的5升BMW7系 列汽车，这标志着利用氢能有了良好的开端。日本马自达公司也试制了氢能 汽车，它利用计算机控制氢泵和管道阀门，使液氢的温度在发动机点火之前 始终保持在-253℃，行驶时，时速可达125公里；英国汽车公司已投资1100 万英镑，开发氢能汽车。日本在研制氢燃料汽车的新型火花点火式发动机上 取得成功，使氢燃料消耗量降低，保证每升液氢可行驶3公里，每一次充填 液氢燃料，可连续行驶300公里。为氢燃料汽车向实用化迈出第一步提供了 重要的物质基础。储氢合金技术本来是由美国率先倡导的，然而日本却捷足 先登并应用在汽车领域里处于世界领先地位。 此外，氢气还可以用来制成燃料电池直接发电。燃料电池和氢气——蒸 汽联合循环发电，能量转换效率比火力发电站最大热效率要高近一倍，可达 70％～80％。这无疑也是非常诱人的一个重要用途。 在日常生活中，也已开始应用氢能。80年代末，日本科学家开发了一种 “贮氢合金”冰箱，这是利用贮氢材料能吸附为本身体积约1000倍的氢气， 在放氢时能吸收热的原理制成。这种冰箱已能使冰冻室的温度降低到-10℃ 了。 发展计划 氢能的独特优点和实践应用的结果，吸引着各国科学家，不少国家都在 加强这种新能源的开发和应用研究，并相应的制订了发展计划。 美国 认为制取氢能最好的资源是太阳能，其次是风能、海洋能等新能 源，充分利用这些能源进行热化学分解水制氢、电解水制氢，必将获得重大 突破。夏威夷大学自然能源研究所正在开始设想建立一种以开发太阳能为中 心的 “氢能岛”，专门生产氢能和应用氢能作为主要能源。 美国太平洋能源公司，于 1990年发明了生产廉价氢气燃料的新技术，获 得专利。其突出优点是生产成本低，相当于1加仑柴油热量的氢气，成本仅 为41美分，使氢燃料成为世界上最便宜的燃料能源；另一特点是设备简单， 便于移动运输，克服了氢燃料储运费用昂贵的缺点，这种生产氢气的新装置 只有两个容器，上容器内是水和化学物质的溶合液，下容器内是另一种化学 物质。当打开两个容器的连接阀门时，上容器的溶液滴入下容器，进行化学 反应同时开始产生氢气。这项技术的关键是在化学反应物质中加添了一种催 化剂，大大节省了化学物质。这种技术可以保证任何水都可以取用，甚至海 水也能使用，试验结果良好。所用化学物质各地都有，且很便宜，为大规模
