氫能
氫能（Hydrogen energy）是指氫和氧發(fā)生化學反應釋放的化學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“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、環(huán)境污染等問題是人類戰(zhàn)略能源的發(fā)展方向。
化學元素氫(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。在標準狀況（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量的84%，宇宙質量的75%都是氫。氫廣泛存在于自然界中。在全球清潔能源轉型的大背景下，氫能的無碳屬性尤為突出，被視為21世紀“終極能源”據(jù)世界氫能協(xié)會預測，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，氫氣也廣泛應用于工業(yè)生產。目前工業(yè)上每年消耗氫氣5500億立方米氫和其他物質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，燃燒同樣質量的氫氣產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
氫能是氫在物理化學變化過程中釋放的能量。氫氣和氧氣可以通過燃燒產生熱能，也可以通過燃料電池轉化為電能。氫氣不僅來源廣泛，而且具有良好的導熱性、清潔無毒，單位質量熱量高，其所含熱量約為同質量汽油的三倍，是石油化工的重要原料和航天火箭的動力燃料。應對氣候變化、碳中和的呼聲越來越高，氫能有望改變人類的能源系統(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，彌補可再生能源的波動、間歇性的缺點，促進了后者的大規(guī)模發(fā)展。例如，德國政府正在推動“電力轉化氣體”技術，通過生產氫氣來儲存不能及時使用的風力、太陽能發(fā)電等清潔電力，長距離輸送氫氣進一步有效利用。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)，有多種儲存和運輸方式。作為難得的“耦合劑”a類能源，氫能不僅可以實現(xiàn)電和氫的靈活轉換，還可以建造“橋梁”實現(xiàn)電、熱、冷乃至固體、氣體、液體燃料互聯(lián)，構建更清潔更高效的能源系統(tǒng)。
能源特點
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：
l）在所有元素中，氫是最輕的。在標準狀態(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，氫氣的導熱性能最好，比大多數(shù)氣體的導熱性能高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據(jù)估計，它占宇宙質量的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。據(jù)估計，如果把海水中的氫全部提取出來，其產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，點火快，與空氣混合可燃范圍廣，燃點高，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，不會產生一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、對環(huán)境有害的污染物質，如鉛化合物和塵粒，少量的氨經(jīng)過適當處理后不會污染環(huán)境，燃燒產生的水可以繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用。
7）氫能利用的形式有很多種，既可以在熱機中通過燃燒和機械做功產生熱能，也可以作為燃料電池的能源材料或轉化為固體氫作為結構材料。使用氫氣代替煤和油可以在不需要對現(xiàn)有技術設備進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)，可以滿足儲運和各種應用環(huán)境的不同要求。
能源技術
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)應用還有待解決：
廉價的制氫技術：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)模廉價的制氫技術是世界各國科學家共同關心的問題。
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輸問題成為了氫能發(fā)展的關鍵。
許多科學家認為，氫能可能成為21世紀世界能源舞臺上重要的二次能源。氫能是一種二次能源，因為它是通過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生的熱量轉化為電能來分解水產生氫氣，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氫氣，就相當于把無窮無盡的、分散的太陽能轉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、財力、物質資源，而且在許多方面也取得了進步。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。而其他燃油燃氣均會聚集地面而構成易燃易爆危險。無味無毒，不會造成人體中毒，燃燒產物僅為水，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。加速反應過程，促進完全燃燒，達到提高焰溫、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)加熱物體的熔點實現(xiàn)焰溫的調節(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升氫氧燃氣。
即產即用
利用先進的自動控制技術，由氫氧機按照用戶設定的按需供氣，不貯存氣體。
應用范圍
適合于一切需要燃氣的地方。
主要利用
氫是宇宙中分布最廣泛的物質，它構成了宇宙質量的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，就可使內燃機節(jié)油40%。美國政府已明確提出氫計劃，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口量。
氫能 【hydrogen energy】 通過氫氣和氧氣反應所產生的能量。氫能是氫的化學能，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，它構成了宇宙質量的75%。由于氫氣必須從水、化石燃料等含氫物質中制得，因此是二次能源。工業(yè)上生產氫的方式很多，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化制氫等。全球對氫能的研發(fā)仍處于實驗階段。
?氫能的利用，涉及制氫、儲運、應用3個環(huán)節(jié)，有的已經(jīng)實現(xiàn)，有的人們正在努力追求。為了達到清潔新能源的目標，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。
氫能車以氫氣代替汽油作汽車發(fā)動機的燃料，已經(jīng)過日本、美國、德國等許多汽世公司的試驗，技術是可行的，目前主要是廉價氫的來源問題。氫是一種高效燃料，每公斤氫燃燒所產生的能量為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火能量低（容易點著），所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高20%。當然，氫的燃燒主要生成物是水，只有極少的氮氫化物，絕對沒有汽油燃燒時產生的一氧化碳、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后，再推廣全燃氫汽車。德國奔馳汽車公司已陸續(xù)推出各種燃氫汽車，其中有面包車、公共汽車、郵政車和小轎車。以燃氫面包車為例，使用200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)動機的燃燒狀況。在中國許當城市交通擁擠，汽車發(fā)動機多處于部分負荷下運行、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）未能回收利用，若作為摻氫燃料，其經(jīng)濟效益和環(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)模應用正從汽車領域逐步拓展至其他交通、建筑和工業(yè)等領域。應用在軌道交通和船舶上，氫能可降低長距離、高負荷交通運輸對傳統(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、還原劑和高品質熱源，有效減少碳排放。
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荷不同，電網(wǎng)有時是高峰，有時是低谷。為了調節(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)電機組。這種機組是火箭型內燃發(fā)動機配以發(fā)電機，它不需要復雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，因此結構簡單，維修方便，啟動迅速，要開即開，欲停即停。在電網(wǎng)低負荷時，還可吸收多余的電來進行電解水，生產氫和氧，以備高峰時發(fā)電用。這種調節(jié)作用對于用網(wǎng)運行是有利的。另外，氫和氧還可直接改變常規(guī)火力發(fā)電機組的運行狀況，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，進而提高機組功率等。
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)過電化學反應而產生電能的裝置。換言之，也是水電解槽產生氫和氧的逆反應。70年代以來，日美等國加緊研究各種燃料電池，現(xiàn)已進入商業(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注。
電機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能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，能源轉換效率可達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，造價很高，主要用于宇航作電源。現(xiàn)在已大幅度降價，逐步轉向地面應用。目前，燃料電池的種類很多，主要有以下幾種：
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、最關鍵的核心部件。電堆中的氫氣和氧氣相遇，發(fā)生化學反應產生電。其中的技術難點在于，整個過程必須實現(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。
關于氫燃料電池，國際通常兩條技術路線并行：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。
融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱為第二代燃料電池，其運行溫度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。
氫氧焰水針劑拉絲封口固體氧化物型燃料電池被認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，運行溫度約200℃，發(fā)電效率也可高達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，實為離子交換膜燃料電池，它的發(fā)電效率高達75%，運行溫度低于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100公里，這是一種可逆式質子交換膜燃料電池，發(fā)電效率最高達80%。
燃料電池理想的燃料是氫氣，因為它是電解制氫的逆反應。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。
首飾焊接與有機玻璃拋光隨著制氫技術的發(fā)展和化石能源的缺少，氫能利用遲早將進入家庭，首先是發(fā)達的大城市，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、空調機等等，并且在車庫內與汽車充氫設備連接。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
氫能在工業(yè)領域(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域的應用非常普及.
作為新能源，其安全性受到人們的普遍關注。從技術方面講，氫的使用是絕對安全的。氫在空氣中的擴散性很強，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，不會對人體產生傷害，也不會產生溫室效應。科學家已經(jīng)做過大量的氫能安全試驗，證明氫是安全的燃料。如在汽車著火試驗中，分別將裝有氫氣和天然汽油燃料罐點燃，結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，傷及車內人員的安全。