1.1　氫能的特點

自1766年英國化學家和物理學家卡文迪士（Cavendish，H.1731～1810）發現氫以來，人類對氫的各種性質進行了不斷深入的研究。迄今為止，氫氣是人類對其性質了解和掌握最為透徹的物質之一。

氫元素周期表代號H，元素周期表序號1，英文Hydrogen，原子量為1.0079，沸點為-252.87℃，熔點為-259.14℃。氫是重量最輕、導熱性及燃燒性最好、燃燒最清潔的元素。通常按照來源，將能源分為2大類，即一次能源和二次能源。一次能源是指以自然形態存在的能源，包括煤炭、石油、天然氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能、核能等。二次能源是指由一次能源經過加工轉換以后得到的能源，包括電能、汽油、柴油、液化石油氣、氫能等。二次能源又可以分為“過程性能源”和“含能體能源”，電能就是應用最廣的過程性能源，而汽油和柴油是目前應用最廣的含能體能源。氫能是人類能夠從自然界獲取的儲量最豐富且高效的含能體能源，作為能源，氫能具有無可比擬的潛在開發價值。

（1）儲量豐富

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%，除空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形態儲存于水中，而水是地球上最廣泛的物質。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，水就是地球上無處不在的“氫礦”。另外還可以通過各種一次能源（如化石燃料、天然氣、煤、煤層氣），可再生能源（如太陽能、風能、生物質能、海洋能、地熱）或二次能源（如電力）來開采“氫礦”。

（2）燃燒熱值高

氫的發熱值很高，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。圖1-2為各種燃料的能量密度，從中可以看到，氫的能量密度極高，達到120MJ/kg，每千克氫燃燒后的熱量約為汽油的3倍，焦炭的4.5倍。

（3）能源載體

氫可以作為一種高密度能源存儲的載體，可以以多種形式儲存。與電、熱不能大規模儲存不同，氫可以以氣態、液態或固態的金屬氫化物存儲，提供一種高密度存儲能量的途徑。能適應儲運及各種應用環境的不同要求，所以氫可以很容易地大規模儲存，就像天然氣一樣。

（4）能量的可轉換性

燃料的使用是通過轉換成其他形式的能而實現的，如熱能、電能、機械能等。因此能量的可轉換性也是衡量燃料實用價值的一項指標。表1-1中列出來氫能與化石燃料的能量可轉換性。可以看到，化石燃料僅僅只能通過燃燒這唯一的方式實現能源的利用。而氫能則可以通過多種方式實現利用，如除了可以通過燃燒外，還可以直接轉換成蒸汽、通過催化燃燒轉換成熱能，還能通過化學反應成為熱源、或者電化學過程而產生電能等。因此，氫能是一種多轉換性能源。

（5）安全性

安全性一方面指燃料與燃燒產物的毒性，另一方面指燃料的可燃性。氫氣無毒，不像有的燃料毒性很大，如甲醇就很危險。對于化石燃料說，除了燃料本身具有毒性以外，會產生二氧化碳、一氧化碳、碳氫化合物、鉛化物、粉塵顆粒之類對環境有害的污染物質，具有毒性。并且毒性隨著C-H比例的增加而更強。對于氫能來說，氫的燃燒產物是水，是沒有毒性的。是一種非常清潔無污染的燃料。

凡是燃料都具有能量，都隱藏著著火和爆炸的危險。我們很熟悉的天然氣、汽油、液化石油氣和電都是如此。任何燃料的安全性都與其本身的性質密切相關。由于氫的特殊性質，使得氫的安全有不少特點。然而和其他燃料相比，氫氣是一種安全性比較高的氣體。氫氣在開放的大氣中，很容易快速逃逸，而不像汽油蒸汽揮發后滯留在空氣中不易疏散。有人做過試驗，兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后做泄漏點火試驗（見圖1-3）。可見，點火3s后，高壓氫氣產生的火焰直噴上方。而汽油由于比空氣重，則從汽車的下部著火。到1分鐘時，氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，氫氣汽車沒有大問題；而汽油車則早已成為一個大火球，完全燒光。這說明了氫氣汽車要比我們現在普遍使用的汽油車安全得多。由于氫焰的輻射率小，只有汽油、空氣火焰輻射率的十分之一，因此氫氣火焰周圍的溫度并不高。在類似上面的試驗中，氫氣在后備箱位置燃燒，而汽車后玻璃安然無恙，窗內溫度還不到20℃。氫氣燃燒不冒煙，生成水，不會污染環境。

氫具有最大的泄漏速率。但氫還具有另外一個特性，即極易擴散。氫的擴散系數比空氣大3.8倍，若將2.25m³液氫傾瀉在地面，僅需1分鐘，就能擴散成為不爆炸的安全混合物，所以微量的氫氣泄漏，可以在空氣中很快稀釋成安全的混合氣。這又是氫燃料一大優點，因為燃料泄漏后不能馬上消散是最危險的。有文獻指出氫的擴散系數比汽油大7.5倍，由此可以證明氫比汽油安全是有根據的。

氫氣的比體積小，易向上逃逸，這使得事故時氫氣的影響范圍要小得多。和其他液化的氣體燃料相比，液氫揮發快，有利于安全。有人曾做過試驗，將3m³的液氫、甲烷和丙烷分別濺到地面上并蒸發，在相同的條件下，丙烷、甲烷和氫的影響范圍分別為13500m²、5000m²和1000m²。可見液氫的影響范圍最小，大約是丙烷的十三分之一，甲烷的五分之一。也就說明液氫的安全性要比丙烷和甲烷好。當然，液氫的溫度比液氮低得多，需要防止凍傷。

氫也有對安全不利的特點。例如氫著火點能量很小，使氫不論在空氣中或者氧氣中，都很容易點燃。根據報道，在空氣中氫的最小著火能量僅為0.019mJ，在氧氣中的最小著火能量更小，僅為0.007mJ。如果用靜電計測量化纖上衣摩擦而產生的放電能量，該能量可以比氫和空氣混合物的最小著火能量還大好幾倍，這足以說明氫的易燃性。氫的另一個危險性是它和空氣混合后的燃燒濃度極限的范圍很寬，按體積比計算其范圍為4%～75%，因此不能因為氫的擴散能力很大而對氫的爆炸危險放松警惕。

為了保證氫氣使用安全，用氫場所的氫氣濃度檢測就非常重要。現代科學技術的發展，已經可以做到氫氣濃度快速檢測。探測器的尺寸很小，安裝、使用都很方便。

表1-2列出了各種燃料與火災相關的特性參數。可以看到，密度越低的燃料可燃性越弱。因為密度越小，在空氣中浮力越大，越容易在空氣中擴散開。并且比熱容越大，對于一定的熱量可以減慢燃料的溫升，從而更加安全。另外，寬的燃燒著火界限、低的燃燒著火能以及低的燃燒溫度是不利于安全的。而高的火焰溫度、高的爆炸能和火焰輻射能力同樣也是不安全因素。從以上這些不安全的因素指標看，相對于汽油和天然氣來說，氫能具有低的密度、很高的比熱容、低的爆炸能和火焰輻射能力，因此也是相對安全的。表1-3對各種燃料的參數進行了安全等級評估。其中安全因子Φ_s定義為與氫安全級數的相對比值。可以看到，氫為最安全的，汽油是最不安全的，而天然氣介于兩者之間。

總之，氫氣是一種安全性較高的燃料，國內外長期的氫氣操作經驗告訴我們，只要嚴格遵守規定，不會發生氫氣安全事故。

氫能是世界公認的清潔能源，因此得到國際社會的廣泛關注。美國、日本、加拿大、德國、中國等國家均制定了氫能的發展規劃，并投入大量資金支持氫能領域的研究開發和應用示范。另外，許多國際跨國能源公司和汽車公司也紛紛展開對氫能技術的研究開發。