1.3　氫能的特點

氫能是氫的化學能是通過氫氣和氧氣反應所產生的能量。關于以純氫作為二次能源的最早記載出現在1839年，英國威廉·格羅夫（Wiliam　Grove）首次提出用氫氣為燃料的燃料電池。1870年，法國著名的科幻小說和冒險小說作家儒勒·凡爾納（Guies　Verne），被譽“現代科學幻想小說之父”、“科學時代的偉大預言家”。在其所著的小說《神秘島》中就已預測到了未來已枯竭的化石能源會被氫能源取代。20世紀20年代，英國和德國開始了對氫燃料的研究。1928年魯道夫·杰仁（Ruldolph　Jeren）獲得了第一個氫氣發動機的專利。第二次世界大戰期間，氫即用作A-2火箭發動機的液體推進劑。1960年液氫首次用作航天動力燃料。1970年美國發射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料。現在氫已是火箭領域的常用燃料了。

與常見的化石燃料煤、石油和天然氣相比，氫氣不僅像上述化石燃料一樣可以作為燃料，而且可以作為能源的載體，在能量的轉換、儲存、運輸和利用過程中發揮獨特的作用。氫能作為21世紀的理想能源有如下優點。

（1）氫氣的資源豐富

氫是自然界存在最普遍的元素，據估計，它構成了宇宙質量的75%，在地球自然界中，除空氣中含有氫氣外，主要以水和其他的一些化合物如甲烷、氨、烴類等的形式存在，而水是地球上最廣泛的物質。地球表面70%以上被水覆蓋，即使在陸地，也有豐富的地表水和地下水。據推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。

（2）氫氣的發熱值高，導熱性和燃燒性能好

除核燃料外，氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142351kJ/kg，是汽油發熱值的3倍。在所有氣體中，氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的熱導率高出10倍，因此，在能源工業中氫是極好的傳熱載體，同時氫燃燒性能好、點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高、燃燒速度快。

（3）氫氣的來源和利用形式多樣性

氫的來源多樣，它可以由各種一次能源（如天然氣、煤和煤層氣等化石燃料）制備；也可以由可再生能源（如太陽能、風能、生物質能、海洋能、地熱能）或二次能源（如電力）等獲得。地球各處都有可再生能源，而不像化石燃料有很強的地域性。

氫能利用形式多，既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉換成固態氫用作結構材料。用氫代替煤和石油，不需要對現有的技術裝備做重大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用。

（4）氫氣的環境友好性和可再生性

氫本身無毒，與其他燃料相比，氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、烴類、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質，少量的氨氣經過適當處理也不會污染環境。

氫氣進行化學反應產生電能（或熱能）并生成水，而水又可以進行電解轉化成氫氣和氧氣，如此周而復始，進行循環。

（5）氫氣的可存儲運送性

所有元素中，氫質量最小。在標準狀態下，它的密度為0.0899g/L，它可以以氣態、液態或固態的金屬氫化物出現，可以大規模存儲，能適應儲運及各種應用環境的不同要求。而可再生能源具有時空不穩定性，可以將再生能源制成氫氣存儲起來。

（6）氫氣是安全的能源也是和平能源

氫氣不會產生溫室氣體，也不具有放射性和放射毒性。氫氣在空氣中的擴散能力很強，在燃燒或泄漏時就可以很快地垂直上升到空氣中并擴散，不會引起長期的未知范圍的后繼傷害。

氫氣既可再生又來源廣泛，每個國家都有豐富的資源，不像化石燃料那樣分布不均，不會因資源分布的不合理而引起能源的爭奪或引發戰爭。氫氣的上述優點，使氫氣可以滿足人類社會資源、環境和可持續發展的要求，是一種理想的新的含能體能源。目前液氫已廣泛用作航天動力的燃料，但氫能大規模的商業應用還有待解決以下關鍵問題。

①廉價的制氫技術。因為氫是一種二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氫效率很低，因此，尋求大規模的廉價的制氫技術是各國科學家共同關心的問題。

②安全可靠的儲氫和輸氫方法。氫氣并非自燃燃料，它的燃點溫度為574℃，但不能就此認為氫氣不易著火和燃燒。實際上，氫氣在空氣中和在氧氣中，都是很容易點燃的，這是因為氫氣的最小著火能量很低。氫氣在空氣中的最小著火能量為9×10^-5J，在氧氣中為7×10^-6J。如果用靜電計測量化纖衣服摩擦產生的放電能量，則該能量比氫氣在空氣中的最小著火能量要大好幾倍，這可從另一方面說明氫氣的易燃性。氫氣在空氣中的著火能量隨氫氣的體積含量變化而變化，氫氣在空氣中的含量為28%時，其著火能量最小，隨著氫氣含量的下降，著火能量上升很快；當氫氣含量減少到10%以下時，其著火能量增加一個數量級，當氫氣的含量增加時，其著火能量也隨之增加；當氫氣的含量增加到58%時，其著火能量也增加一個數量級。氫氣在空氣中最容易著火的濃度為25%～32%。在常壓下，氫氣與空氣混合后的燃燒濃度范圍很寬，體積濃度為4%～75%，只有乙炔和氨的可燃濃度范圍比氫氣寬。氫氣和氧氣混合后，其燃燒體積濃度范圍更寬，達到4%～94%。氫氣與空氣混合物的爆炸體積濃度極限也很寬，氫氣在空氣中發生爆炸的體積濃度為18%～59%。由于氫易氣化、著火、爆炸，因此如何妥善解決氫能的儲存和運輸問題也就成為開發氫能的關鍵。