1.3　氢能的特点

氢能是氢的化学能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。关于以纯氢作为二次能源的最早记载出现在1839年，英国威廉·格罗夫（Wiliam　Grove）首次提出用氢气为燃料的燃料电池。1870年，法国著名的科幻小说和冒险小说作家儒勒·凡尔纳（Guies　Verne），被誉“现代科学幻想小说之父”、“科学时代的伟大预言家”。在其所著的小说《神秘岛》中就已预测到了未来已枯竭的化石能源会被氢能源取代。20世纪20年代，英国和德国开始了对氢燃料的研究。1928年鲁道夫·杰仁（Ruldolph　Jeren）获得了第一个氢气发动机的专利。第二次世界大战期间，氢即用作A-2火箭发动机的液体推进剂。1960年液氢首次用作航天动力燃料。1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。

与常见的化石燃料煤、石油和天然气相比，氢气不仅像上述化石燃料一样可以作为燃料，而且可以作为能源的载体，在能量的转换、储存、运输和利用过程中发挥独特的作用。氢能作为21世纪的理想能源有如下优点。

（1）氢气的资源丰富

氢是自然界存在最普遍的元素，据估计，它构成了宇宙质量的75%，在地球自然界中，除空气中含有氢气外，主要以水和其他的一些化合物如甲烷、氨、烃类等的形式存在，而水是地球上最广泛的物质。地球表面70%以上被水覆盖，即使在陆地，也有丰富的地表水和地下水。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

（2）氢气的发热值高，导热性和燃烧性能好

除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。在所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的热导率高出10倍，因此，在能源工业中氢是极好的传热载体，同时氢燃烧性能好、点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高、燃烧速度快。

（3）氢气的来源和利用形式多样性

氢的来源多样，它可以由各种一次能源（如天然气、煤和煤层气等化石燃料）制备；也可以由可再生能源（如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能）或二次能源（如电力）等获得。地球各处都有可再生能源，而不像化石燃料有很强的地域性。

氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需要对现有的技术装备做重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。

（4）氢气的环境友好性和可再生性

氢本身无毒，与其他燃料相比，氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、烃类、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境。

氢气进行化学反应产生电能（或热能）并生成水，而水又可以进行电解转化成氢气和氧气，如此周而复始，进行循环。

（5）氢气的可存储运送性

所有元素中，氢质量最小。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L，它可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，可以大规模存储，能适应储运及各种应用环境的不同要求。而可再生能源具有时空不稳定性，可以将再生能源制成氢气存储起来。

（6）氢气是安全的能源也是和平能源

氢气不会产生温室气体，也不具有放射性和放射毒性。氢气在空气中的扩散能力很强，在燃烧或泄漏时就可以很快地垂直上升到空气中并扩散，不会引起长期的未知范围的后继伤害。

氢气既可再生又来源广泛，每个国家都有丰富的资源，不像化石燃料那样分布不均，不会因资源分布的不合理而引起能源的争夺或引发战争。氢气的上述优点，使氢气可以满足人类社会资源、环境和可持续发展的要求，是一种理想的新的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能大规模的商业应用还有待解决以下关键问题。

①廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此，寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。

②安全可靠的储氢和输氢方法。氢气并非自燃燃料，它的燃点温度为574℃，但不能就此认为氢气不易着火和燃烧。实际上，氢气在空气中和在氧气中，都是很容易点燃的，这是因为氢气的最小着火能量很低。氢气在空气中的最小着火能量为9×10^-5J，在氧气中为7×10^-6J。如果用静电计测量化纤衣服摩擦产生的放电能量，则该能量比氢气在空气中的最小着火能量要大好几倍，这可从另一方面说明氢气的易燃性。氢气在空气中的着火能量随氢气的体积含量变化而变化，氢气在空气中的含量为28%时，其着火能量最小，随着氢气含量的下降，着火能量上升很快；当氢气含量减少到10%以下时，其着火能量增加一个数量级，当氢气的含量增加时，其着火能量也随之增加；当氢气的含量增加到58%时，其着火能量也增加一个数量级。氢气在空气中最容易着火的浓度为25%～32%。在常压下，氢气与空气混合后的燃烧浓度范围很宽，体积浓度为4%～75%，只有乙炔和氨的可燃浓度范围比氢气宽。氢气和氧气混合后，其燃烧体积浓度范围更宽，达到4%～94%。氢气与空气混合物的爆炸体积浓度极限也很宽，氢气在空气中发生爆炸的体积浓度为18%～59%。由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的储存和运输问题也就成为开发氢能的关键。