文 山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 王啟先

當(dāng)站在海邊時(shí)，看到潮漲潮落，海水流動(dòng)，我對(duì)大海蘊(yùn)藏的巨大能量感到非常震撼。如何利用大海的能量，獲得無污染的能源？

學(xué)習(xí)高中物理、化學(xué)課程后，我了解到氫氣是無污染的能源，它燃燒的產(chǎn)物是水。受所學(xué)知識(shí)的啟發(fā)，我設(shè)計(jì)了利用海洋潮流能制取氫氣的裝置。

一、結(jié)構(gòu)組成

潮流能制取氫氣裝置由潮流能吸能發(fā)電單元、電解單元、海水淡化單元、儲(chǔ)氫單元等部分組成，如圖1。所有單元被集成安裝在漂浮的平臺(tái)上，通過錨鏈固定在工作海域。

圖1潮流能制取氫氣裝置示意圖

1.潮流能吸能發(fā)電單元

由復(fù)合式吸能葉片組成，在潮流作用下繞垂直中心軸回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)發(fā)電，輸出電能。電能輸入整流器進(jìn)行交、直流轉(zhuǎn)換。

2.電解單元

由電解槽、陰極和陽極等組成。電解槽底部與海水淡化裝置連通。陽極電極和陰極電極均由錳氧化物制成，當(dāng)陰極和陽極接通直流電，陰極區(qū)域頂部與儲(chǔ)氫裝置連通。

3.海水淡化單元

海水經(jīng)反滲透淡化裝置去除無機(jī)離子、微生物、膠體及鹽分后，再在電解槽中進(jìn)行電解，可避免電解過程中產(chǎn)生氯氣。

4.儲(chǔ)氫單元

氫氣經(jīng)過增壓，分別經(jīng)管道進(jìn)入儲(chǔ)氫罐。罐裝的氫氣可用作汽車燃料。

二、工作原理

潮流能吸能發(fā)電單元在海水的流動(dòng)作用下產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。電能輸入整流器，轉(zhuǎn)換為直流電，為電解裝置提供電能。

潮流能吸能發(fā)電單元采用由阻力型吸能葉片和升力型吸能葉片組合而成的復(fù)合式吸能葉片（圖 2），既能保證較高的能量捕獲效率，又有較優(yōu)的自啟性，且不受潮流流向的限制。在潮漲和潮落時(shí)，潮流能發(fā)電吸能單元均可以工作發(fā)電。

海水經(jīng)過淡化后被注入電解槽。當(dāng)電解槽中兩個(gè)電極（陰極和陽極）分別接通直流電、浸入水中時(shí)，在催化劑和直流電的作用下，水分子在陽極失去電子，被分解為氧氣和氫離子，氫離子通過電解質(zhì)和隔膜到達(dá)陰極，與電子結(jié)合生成氫氣。

活性炭作為電解槽中輔助物質(zhì)可降低電解海水的電壓，提高電解制氫的效率，降低電解海水制氫耗能，抑制氯氣的生成。

電解過程中產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過增壓后通過管道進(jìn)入儲(chǔ)氫罐，如果有需要，也可以把產(chǎn)生的氧氣收集儲(chǔ)存起來。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

1.該裝置利用海洋能制取氫氣，將氫氣作為能源。氫氣燃燒的產(chǎn)物是水，不會(huì)造成環(huán)境污染。

2.由于潮汐變化，海洋能具有不穩(wěn)定和周期性，發(fā)出的電也具有不穩(wěn)定性，將海洋能轉(zhuǎn)化為氫氣能，既可以儲(chǔ)存又可以運(yùn)輸，成為穩(wěn)定的能源。

3.傳統(tǒng)的制氫工藝消耗了大量電能和淡水，制備成本高。利用潮流能發(fā)電，電解海水制取氫氣，可以大量節(jié)約淡水。

4.海洋能發(fā)電直接為電解裝置制取氫氣提供電能，無需其他能源，具有資源豐富、可再生的優(yōu)點(diǎn)。

5.吸能部分由阻力型吸能葉片和升力型吸能葉片組合而成，能量捕獲效率高，自啟性好，不受潮流流向的影響。

圖2復(fù)合式吸能葉片示意圖