氫能
氫能（Hydrogen energy）是指氫和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放的化學(xué)能它是一種高能量密度的清潔二次能源、零污染、零碳排放等優(yōu)勢，被稱為21世紀(jì)“終極能源”
氫氣可以用作一種清潔劑、高效、安全、可持續(xù)的新能源有助于解決能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題是人類戰(zhàn)略能源的發(fā)展方向。
化學(xué)元素氫(H —— hydrogen)在元素周期表中排名第一，是所有原子中最小的。眾所周知，氫分子和氧分子合成水，氫通常的簡單形式是氫（H2）它是一種無色無味極易燃燒的雙原子氣體，氫氣是密度最低的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀況（0攝氏度和一個大氣壓），每升氫氣只有0.0899克的重量是——，只是同體積空氣的二十九分之二。氫是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占太陽總質(zhì)量的84%，宇宙質(zhì)量的75%都是氫。氫廣泛存在于自然界中。在全球清潔能源轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能的無碳屬性尤為突出，被視為21世紀(jì)“終極能源”據(jù)世界氫能協(xié)會預(yù)測，到2050年，全球環(huán)境將是20％二氧化碳減排靠氫。
氫具有高揮發(fā)性、高能是一種能量載體和燃料，氫氣也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。目前工業(yè)上每年消耗氫氣5500億立方米氫和其他物質(zhì)一起用于制造氨水和化肥，也用于汽油提煉過程、玻璃磨光、黃金焊接、氣象氣球探測和食品工業(yè)。液態(tài)氫可以用作火箭燃料。
氫能的主要優(yōu)勢是：燃燒熱值高，燃燒同樣質(zhì)量的氫氣產(chǎn)生的熱量約為汽油的3倍，酒精的3倍.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產(chǎn)物是水，這是世界上最清潔的能源。資源豐富，水可以制造氫氣，水是地球上最豐富的資源，這表明了自然物質(zhì)的循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過程。
概況簡介
氫能氫能是氫在物理化學(xué)變化過程中釋放的能量。氫氣和氧氣可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，也可以通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。氫氣不僅來源廣泛，而且具有良好的導(dǎo)熱性、清潔無毒，單位質(zhì)量熱量高，其所含熱量約為同質(zhì)量汽油的三倍，是石油化工的重要原料和航天火箭的動力燃料。應(yīng)對氣候變化、碳中和的呼聲越來越高，氫能有望改變?nèi)祟惖哪茉聪到y(tǒng)。
氫能之所以受到青睞，不僅在于其釋放過程的零碳排放，還在于氫氣可以作為儲能載體，彌補(bǔ)可再生能源的波動、間歇性的缺點(diǎn)，促進(jìn)了后者的大規(guī)模發(fā)展。例如，德國政府正在推動“電力轉(zhuǎn)化氣體”技術(shù)，通過生產(chǎn)氫氣來儲存不能及時使用的風(fēng)力、太陽能發(fā)電等清潔電力，長距離輸送氫氣進(jìn)一步有效利用。除了氣體，氫還可以以液態(tài)或固態(tài)氫化物的形式出現(xiàn)，有多種儲存和運(yùn)輸方式。作為難得的“耦合劑”a類能源，氫能不僅可以實(shí)現(xiàn)電和氫的靈活轉(zhuǎn)換，還可以建造“橋梁”實(shí)現(xiàn)電、熱、冷乃至固體、氣體、液體燃料互聯(lián)，構(gòu)建更清潔更高效的能源系統(tǒng)。
能源特點(diǎn)
氫在元素周期表的頂部，它的原子序數(shù)是1常溫常壓下是氣態(tài)，超低溫高壓下可以變成液態(tài)。作為一種能源，氫具有以下特點(diǎn)：
l）在所有元素中，氫是最輕的。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度是0.0899g/l；在-252.在7℃時，它可以變成液體，如果壓力增加到幾百個大氣壓，液態(tài)氫就可以變成固態(tài)氫。
2）在所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性能最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱性能高10倍，因此氫氣是能源工業(yè)中優(yōu)良的傳熱載體。
3）氫是自然界中最常見的元素?fù)?jù)估計(jì)，它占宇宙質(zhì)量的75%除了空氣中含有氫以外，主要以化合物的形式儲存在水中，水是地球上分布最廣的物質(zhì)。據(jù)估計(jì)，如果把海水中的氫全部提取出來，其產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料釋放的熱量大9000倍。
4）氫的熱值是除核燃料外所有化石燃料的熱值、化學(xué)燃料和生物燃料中最高的是142，351kJ/公斤，是汽油熱值的三倍。
5）氫氣燃燒性能好，點(diǎn)火快，與空氣混合可燃范圍廣，燃點(diǎn)高，燃燒速度快。
6）氫氣本身是無毒的與其他燃料相比，氫氣在燃燒時是最清潔的，除了水和少量的氨之外，不會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔铩Νh(huán)境有害的污染物質(zhì)，如鉛化合物和塵粒，少量的氨經(jīng)過適當(dāng)處理后不會污染環(huán)境，燃燒產(chǎn)生的水可以繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用。
7）氫能利用的形式有很多種，既可以在熱機(jī)中通過燃燒和機(jī)械做功產(chǎn)生熱能，也可以作為燃料電池的能源材料或轉(zhuǎn)化為固體氫作為結(jié)構(gòu)材料。使用氫氣代替煤和油可以在不需要對現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備進(jìn)行重大改造的情況下使用。
8）氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)氫化物的出現(xiàn)，可以滿足儲運(yùn)和各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。
能源技術(shù)
氫是一種理想的新能源。目前，液氫已被廣泛用作航天動力的燃料，但氫能的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待解決：
廉價(jià)的制氫技術(shù)：由于氫氣是一種二次能源，其制備不僅需要大量的能源，而且目前制氫的效率很低，因此尋求大規(guī)模廉價(jià)的制氫技術(shù)是世界各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題。
一種安全可靠的氫氣儲存和傳輸方法：由于氫易氣化、著火、爆炸，所以如何妥善解決氫能的儲存和運(yùn)輸問題成為了氫能發(fā)展的關(guān)鍵。
許多科學(xué)家認(rèn)為，氫能可能成為21世紀(jì)世界能源舞臺上重要的二次能源。氫能是一種二次能源，因?yàn)樗峭ㄟ^一定的方式利用其他能源制成的，不像煤、石油和天然氣可以直接從地下開采。在自然界中，氫很容易與氧結(jié)合生成水，必須通過電分解將氫從水中分離出來。如果用煤、把石油天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能來分解水產(chǎn)生氫氣，顯然是不劃算的。現(xiàn)在看來，高效制氫的基本途徑是利用太陽能。如果能利用太陽能生產(chǎn)氫氣，就相當(dāng)于把無窮無盡的、分散的太陽能轉(zhuǎn)化為高度集中的清潔能源，意義重大。目前利用太陽能分解水制氫有兩種方法、太陽能發(fā)電中電解水制氫、太陽光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等等。太陽能制氫具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，但這是一個非常困難的研究課題，有大量的理論和工程問題需要解決但世界各國都非常重視，投入大量人力、財(cái)力、物質(zhì)資源，而且在許多方面也取得了進(jìn)步。因此，在未來，由太陽能制成的氫能將成為人類普遍使用的一種高品質(zhì)能源、干凈的燃料。
氫能優(yōu)勢
安全環(huán)保
氫氣分子量為2, 是空氣的1/14, 因此，氫氣泄漏于空氣中會自動逃離地面，不會形成聚集。而其他燃油燃?xì)饩鶗奂孛娑鴺?gòu)成易燃易爆危險(xiǎn)。無味無毒，不會造成人體中毒，燃燒產(chǎn)物僅為水，不污染環(huán)境。
高溫高能
1kg氫氣的熱值為34000Kcal, 是汽油的三倍。氫氧焰溫度高達(dá)2800度，高于常規(guī)液氣。
熱能集中
氫氧焰火焰挺直，熱損失小，利用效率高。
自動再生
氫能來源于水，燃燒后又還原成水。
催化特性
氫氣是活性氣體催化劑，可以與空氣混合方式加入催化燃燒所有固體，液體、氣體燃料。加速反應(yīng)過程，促進(jìn)完全燃燒，達(dá)到提高焰溫、節(jié)能減排之功效。
還原特性
各種原料加氫精煉.
變溫特性
可根據(jù)加熱物體的熔點(diǎn)實(shí)現(xiàn)焰溫的調(diào)節(jié)。
來源廣泛
氫氣可由水電解制取，水取之不盡，而且每kg水可制備1860升氫氧燃?xì)狻?/font>
即產(chǎn)即用
利用先進(jìn)的自動控制技術(shù)，由氫氧機(jī)按照用戶設(shè)定的按需供氣，不貯存氣體。
應(yīng)用范圍
適合于一切需要燃?xì)獾牡胤健?/font>
主要利用
氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，因此氫能被稱為人類的終極能源。水是氫的大“倉庫”，如把海水中的氫全部提取出來，將是地球上所有化石燃料熱量的9000 倍。氫的燃燒效率非常高，只要在汽油中加入4% 的氫氣，就可使內(nèi)燃機(jī)節(jié)油40%。美國政府已明確提出氫計(jì)劃，宣布今后4年政府將撥款17億美元支持氫能開發(fā)。美國計(jì)劃到2040年美國每天將減少使用1100萬桶石油，這個數(shù)字正是現(xiàn)在美國每天的石油進(jìn)口量。
氫能 【hydrogen energy】 通過氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。氫能是氫的化學(xué)能，氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。由于氫氣必須從水、化石燃料等含氫物質(zhì)中制得，因此是二次能源。工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見的有水電解制氫、煤炭氣化制氫、重油及天然氣水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制氫等。全球?qū)淠艿难邪l(fā)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。
?氫能的利用，涉及制氫、儲運(yùn)、應(yīng)用3個環(huán)節(jié)，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，有的人們正在努力追求。為了達(dá)到清潔新能源的目標(biāo)，氫的利用將充滿人類生活的方方面面，我們不妨從古到今，把氫能的主要用途簡要敘述一下。
氫動力汽車
氫能車以氫氣代替汽油作汽車發(fā)動機(jī)的燃料，已經(jīng)過日本、美國、德國等許多汽世公司的試驗(yàn)，技術(shù)是可行的，目前主要是廉價(jià)氫的來源問題。氫是一種高效燃料，每公斤氫燃燒所產(chǎn)生的能量為33.6千瓦小時，幾乎等于汽油燃燒的2.8倍。氫氣燃燒不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤c(diǎn)火能量低（容易點(diǎn)著），所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高20%。當(dāng)然，氫的燃燒主要生成物是水，只有極少的氮?dú)浠铮^對沒有汽油燃燒時產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化硫等污染環(huán)境的有害成分。氫能汽車是最清潔的理想交通工具。
BMW氫能7系氫能汽車的供氫問題，目前將以金屬氫化物為貯氫材料，釋放氫氣所需的熱可由發(fā)動機(jī)冷卻水和尾氣余熱提供。現(xiàn)在有兩種氫能汽車，一種是全燒氫汽車，另一種為氫氣與汽油混燒的摻氫汽車。摻氫汽車的發(fā)動機(jī)只要稍加改變或不改變，即可提高燃料利用率和減輕尾氣污染。使用摻氫5%左右的汽車，平均熱效率可提高15%，節(jié)約汽油30%左右。因此，近期多使用摻氫汽車，待氫氣可以大量供應(yīng)后，再推廣全燃?xì)淦嚒５聡捡Y汽車公司已陸續(xù)推出各種燃?xì)淦嚕渲杏忻姘嚒⒐财嚒⑧]政車和小轎車。以燃?xì)涿姘嚍槔褂?00公斤鈦鐵合金氫化物為燃料箱，代替65升汽油箱，可連續(xù)行車130多公里。德國奔馳公司制造的摻氫汽車，可在高速公路上行駛，車上使用的儲氫箱也是鈦鐵合金氫化物。
摻氫汽車的特點(diǎn)是汽油和氫氣的混合燃料可以在稀薄的貧油區(qū)工作，能改善整個發(fā)動機(jī)的燃燒狀況。在中國許當(dāng)城市交通擁擠，汽車發(fā)動機(jī)多處于部分負(fù)荷下運(yùn)行、采用摻氫汽車尤為有利。特別是有些工業(yè)余氫（如合成氨生產(chǎn)）未能回收利用，若作為摻氫燃料，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都是可取的。
截至2020年底，全球氫燃料電池汽車保有量較上一年度增加38%。氫能的大規(guī)模應(yīng)用正從汽車領(lǐng)域逐步拓展至其他交通、建筑和工業(yè)等領(lǐng)域。應(yīng)用在軌道交通和船舶上，氫能可降低長距離、高負(fù)荷交通運(yùn)輸對傳統(tǒng)油氣燃料的依賴，比如去年初，日本豐田公司開發(fā)并交付了首批海洋船舶的氫燃料電池系統(tǒng)。應(yīng)用于分布式發(fā)電，氫能可為家庭住宅、商業(yè)建筑供電供暖。氫能還可直接為石化、鋼鐵、冶金等化工行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)熱源，有效減少碳排放。
氫能發(fā)電
大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng)，由電網(wǎng)輸送給用戶。但是各種用電戶的負(fù)荷不同，電網(wǎng)有時是高峰，有時是低谷。為了調(diào)節(jié)峰荷、電網(wǎng)中常需要啟動快和比較靈活的發(fā)電站，氫能發(fā)電就最適合搶演這個角色。利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫氧發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組是火箭型內(nèi)燃發(fā)動機(jī)配以發(fā)電機(jī)，它不需要復(fù)雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，啟動迅速，要開即開，欲停即停。在電網(wǎng)低負(fù)荷時，還可吸收多余的電來進(jìn)行電解水，生產(chǎn)氫和氧，以備高峰時發(fā)電用。這種調(diào)節(jié)作用對于用網(wǎng)運(yùn)行是有利的。另外，氫和氧還可直接改變常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，提高電站的發(fā)電能力。例如氫氧燃燒組成磁流體發(fā)電，利用液氫冷卻發(fā)電裝置，進(jìn)而提高機(jī)組功率等。
更新的氫能發(fā)電方式是氫燃料電池。這是利用氫和氧（成空氣）直接經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。換言之，也是水電解槽產(chǎn)生氫和氧的逆反應(yīng)。70年代以來，日美等國加緊研究各種燃料電池，現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)性開發(fā)，日本已建立萬千瓦級燃料電池發(fā)電站，美國有30多家廠商在開發(fā)燃料電池.德、英、法、荷、丹、意和奧地利等國也有20多家公司投入了燃料電池的研究，這種新型的發(fā)電方式已引起世界的關(guān)注。
電機(jī)漆包線引出線熔焊燃料電池的簡單原最巧是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，能源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%—80%，而且污染少，噪聲小，裝置可大可小，非常靈活。最早，這種發(fā)電裝置很小，造價(jià)很高，主要用于宇航作電源。現(xiàn)在已大幅度降價(jià)，逐步轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。目前，燃料電池的種類很多，主要有以下幾種：
燃料電池
氫燃料電池由電堆、電控、供氫裝置、供空氣裝置等部件組成。電堆是組成燃料電池的最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的核心部件。電堆中的氫氣和氧氣相遇，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。其中的技術(shù)難點(diǎn)在于，整個過程必須實(shí)現(xiàn)氣、水、熱、電、力這五個要素的相互協(xié)同，才能釋放出最大效能。
關(guān)于氫燃料電池，國際通常兩條技術(shù)路線并行：金屬雙極板水冷電堆和石墨雙極板水冷電堆。前者在低溫啟動、體積與功率密度等方面具有優(yōu)勢，后者在可靠性、壽命和成本等方面有長處，是目前燃料電池商用車的首選對象。
磷酸鹽型燃料電池是最早的一類燃料電池，工藝流程基本成熟，美國和日本已分別建成4500千瓦及11 000千瓦的商用電站。這種燃料電池的操作溫度為200℃，最大電流密度可達(dá)到150毫安/平方厘米，發(fā)電效率約45%，燃料以氫、甲醇等為宜，氧化劑用空氣，但催化劑為鉑系列，目前發(fā)電成本尚高，每千瓦小時約40～50美分。
融熔燃料
融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱為第二代燃料電池，其運(yùn)行溫度650℃左右，發(fā)電效率約55%，日本三菱公司已建成10千瓦級的發(fā)電裝置。這種燃料電池的電解質(zhì)是液態(tài)的，由于工作溫度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氫、一氧化碳、天然氣等均可。氧化劑用空氣。發(fā)電成本每千瓦小時可低于40美分。
固體電池
氫氧焰水針劑拉絲封口固體氧化物型燃料電池被認(rèn)為是第三代燃料電池，其操作溫度1000℃左右，發(fā)電效率可超過60%，目前不少國家在研究，它適于建造大型發(fā)電站，美國西屋公司正在進(jìn)行開發(fā)，可望發(fā)電成本每千瓦小時低于20美分。
此外，還有幾種類型的燃料電池，如堿性燃料電池，運(yùn)行溫度約200℃，發(fā)電效率也可高達(dá)60%，且不用貴金屬作催化劑，瑞典已開發(fā)200千瓦的一個裝置用于潛艇。美國最早用于阿波羅飛船的一種小型燃料電池稱為美國型，實(shí)為離子交換膜燃料電池，它的發(fā)電效率高達(dá)75%，運(yùn)行溫度低于100℃，但是必需以純氧作氧化劑。后來，美國又研制一種用于氫能汽車的燃料電池，充一次氫可行300公里，時速可達(dá)100公里，這是一種可逆式質(zhì)子交換膜燃料電池，發(fā)電效率最高達(dá)80%。
燃料電池理想的燃料是氫氣，因?yàn)樗请娊庵茪涞哪娣磻?yīng)。燃料電池的主要用途除建立固定電站外，特別適合作移動電源和車船的動力，因此也是今后氫能利用的孿生兄弟。
家庭用氫
首飾焊接與有機(jī)玻璃拋光隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用遲早將進(jìn)入家庭，首先是發(fā)達(dá)的大城市，它可以像輸送城市煤氣一樣，通過氫氣管道送往千家萬戶。每個用戶則采用金屬氫化物貯罐將氫氣貯存，然后分別接通廚房灶具、浴室、氫氣冰箱、空調(diào)機(jī)等等，并且在車庫內(nèi)與汽車充氫設(shè)備連接。人們的生活靠一條氫能管道，可以代替煤氣、暖氣甚至電力管線，連汽車的加油站也省掉了。這樣清潔方便的氫能系統(tǒng)，將給人們創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，減輕許多繁雜事務(wù)
氫能在工業(yè)領(lǐng)域(如切割,焊接),巳有非常長的歷史. 特別是在首飾加工行業(yè),有機(jī)玻璃制品火焰拋光, 連鑄坯切割,制藥廠水針劑拉絲封口等領(lǐng)域的應(yīng)用非常普及.
作為新能源，其安全性受到人們的普遍關(guān)注。從技術(shù)方面講，氫的使用是絕對安全的。氫在空氣中的擴(kuò)散性很強(qiáng)，氫泄漏或燃燒時，可以很快地垂直升到空氣中并消失得無影無蹤，氫本身沒有毒性及放射性，不會對人體產(chǎn)生傷害，也不會產(chǎn)生溫室效應(yīng)。科學(xué)家已經(jīng)做過大量的氫能安全試驗(yàn)，證明氫是安全的燃料。如在汽車著火試驗(yàn)中，分別將裝有氫氣和天然汽油燃料罐點(diǎn)燃，結(jié)果氫氣作為燃料的汽車著火后，氫氣劇烈燃燒，但火焰總是向上沖，對汽車的損壞比較緩慢，車內(nèi)人員有較長得時間逃生，而天然燃料的汽車著火后，由于天然氣比空氣重，火焰向汽車四周蔓延，很快包圍了汽車，傷及車內(nèi)人員的安全。