晴朗的夜晚，舉頭仰望蒼穹中點點繁星和瞬間滑落的流星，人們不禁要問，這些行星運動的能量從哪裏來？看著這浩瀚的宇宙，人們好奇的是，在這永恒的世界中還有哪些物質可用作能源呢？回望大地，遙想火箭騰空，萬千人造衛星無時無刻不在為人類服務，人們更為好奇的是，什麼能量如此巨大，能使笨重的鋼鐵設備在太空中遨遊？
答案是氫能，是宇宙中最輕的元素構成的氫氣造就了這一切。氫氣是能量極大、密度極小的能源，而且是使用中沒有任何汙染物排放的最清潔的能源。若能解決製氫的技術難題，人類將不再為能源供應不足而擔憂，也將不再為能源使用造成的環境汙染而煩惱，更不用為了爭奪能源而再發生戰爭。氫能到底是什麼？它有什麼特點？人類如何開發？又怎樣利用呢？在未來能源結構中氫能占何地位？本章將為大家揭開氫能的神秘麵紗。
11.1舉重若輕的能源
11.1.1解剖氫氣釋放氫能
人類對氫氣的研究，可追溯到16世紀初。當時就有人觀察到了硫酸與鐵發生反應生成了氫氣。17世紀瑞典的邁厄尼和英國的波義耳證實了氫氣的可燃性。1766年英國的卡文迪什證實了讓鐵、鋅、錫等分別與硫酸或鹽酸發生反應，在任何情況下都將生成同樣的可燃空氣（氫氣）。卡文迪什也因此被認為是氫氣的發現者。1779年法國科學家正式命名這種可燃的氣體為氫氣，瑞典的科學家貝采利烏斯提出采用符號“H”表示氫原子。
氫是門捷列夫元素周期表中第1個元素，原子數為1，原子內含有1個質子和1個電子。常溫常壓下，氫氣是無色無味的氣體，極難溶於水，也很難液化。在常壓、-252.77℃時，氫氣會成無色的液體，若繼續降低溫度到-259.2℃時，液態氫能變成雪花狀的白色固體氫。在標準大氣壓和0℃時，1升氫氣的質量為0.0899克，約是同體積的空氣質量的1/14，可見氫氣的密度非常小。氫氣的比熱和導熱係數分別是氧氣和氮氣的14倍和7倍。氫氣可以輕易地在晶體中移動，也可以侵入晶體的格子間形成金屬氫化物，使得常溫常壓的氫氣被壓縮至原體積的1/1000以下，這個特性使得許多金屬具有儲存氫氣的能力。氫在常溫常壓下比較穩定，僅與鹵族分子在光照下發生化學反應；在較高溫度下，氫分子比較活潑，可以與金屬和非金屬發生氧化、還原、加成反應。
質量最輕的氫是宇宙中最豐富的元素，宇宙幾乎是由氫和氦元素組成的。在原始太陽係星雲中，若按重量計算，氫所占的比重為75.6%。宇宙中質量數大的重元素是通過氫核聚變反應而生成的。對於太陽類恒星來說，能使它們發出耀眼光芒的能量源泉就是那裏存在著大量的氫氣，不斷地進行著核聚變反應。如果說地球上所有的化石能源都來自於太陽能，而太陽能是由太陽內部氫元素不斷發生核聚變所釋放出的輻射能，那麼我們現在使用的大部分能源歸根結底也都來自於氫。隨著地球上化石能源礦藏的逐漸枯竭，受控的氫核聚變能將可能成為人類最終的能量源泉。
11.1.2揭開氫能的麵紗
現代文明體係是以消耗石油等化石燃料為代表的龐大的能源為前提構築起來的。太陽每秒輻射到地球表麵的總能量為1.24×1014千焦，全球每年能源消費總量還不到該值的1%。因此僅從數量上看，當前由太陽能轉換或形成的可再生能源完全能滿足人類的能源需求。然而這些可再生能源往往能流密度較低、比較分散，隨季節和時間的變化的影響很大，目前大規模利用還存在許多難題。地球上的化石燃料是過去數億年太陽能的轉化與濃縮，其質量、能量密度都非常高。低密度且變化很大的可再生能源，如生物質能、太陽能、氫能、風能等，很難直接用以維持現代文明體係。在全球化石能源逐漸枯竭和當今文明體係的背景下，隻能把這些低密度的可再生能源轉換成易於被現代文明所利用的形態。為此必須把可再生能源作為一次能源，轉換成能量密度高、便於利用的二次能源。這種二次能源一般應具有以下性質：第一，可容易地從一次能源中得到。第二，其向各種形態能量的轉換效率高。第三，便於消費者使用。第四，可根據具體用途從大量儲藏到少量儲藏。第五，從短距離到遠距離運輸均容易實現。第六，使用時候不向環境排放有害物質。單一的二次能源是不可能全部滿足以上特性的，但如果利用作為二次能源的電能和氫能則幾乎可以全部滿足這些特性。
隨著化石燃料消耗量日益增加，儲量逐漸減少，人類迫切需要尋找一種不依賴化石燃料、儲量豐富的含能體能源，氫能正是一種人們期待開發的含能體能源。這種含能體能源恰好彌補了電能與石化燃料的缺點。可見這幾種能源載體都是環境友好的，最大的差別是氫氣可大規模儲存，且儲存方式多種多樣。這就決定了氫能是比電能和蒸汽更有前景的二次能源。科學家認為氫能有可能在21世紀的世界能源舞台上成為一種舉足輕重的能源。
總之，氫氣可以像天然氣一樣燃燒產生熱能，是一種新的含能體。氫能主要有以下特點：
（1）在所有元素中，氫原子量最小。在所有燃料中，氫氣的密度也最小。在標準大氣壓和0℃下密度為0.0899千克/米3；液化點為零下252.77℃；若將壓力增大到數百個大氣壓，液氫可變為金屬氫。
（2）在所有氣體中氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的導熱係數高出10倍左右，因此在能源工業中氫是極好的導熱載體。
（3）氫氣的發熱值為142351千焦/千克，是除核燃料外所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中發熱值最高的物質，是汽油發熱值的3倍，是乙醇發熱值的3.9倍，是焦炭發熱值的4.5倍。
（4）氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃範圍（3％～97％），且燃點高，燃燒速度快。
（5）氫燃料本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫（燃氣中含有氮氣的情況下）外，不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的汙染物質，少量的氮化氫經過適當處理也不會汙染環境，而且燃燒生成的水還可繼續製氫，反複循環使用。
（6）氫氣利用方式很多，既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械功，又可作為能源燃料用作燃料電池的原料，或轉換成固態氫用作結構材料。用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備做重大改造，現在的內燃機隻要稍加改裝即可使用氫氣。
（7）氫氣和天然氣一樣具有可存儲性，可以以氣態、液態或固態的金屬氫化物出現，能適應儲運及各種應用環境的不同要求。
（8）地球上，氫的資源豐富。氫是自然界中含量最多的元素，它構成了宇宙總質量的75.6％。除空氣中含有氫氣外，氫元素主要以化合物的形態儲存於水中。據推算，如把海水中的氫元素全部提取出來，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。
（9）氫的來源具有多樣性。可通過各種一次能源（如煤炭、天然氣、煤層氣等）；也可以通過各種可再生能源，如太陽能、風能、生物質能、海洋能、地熱能或二次能源（如電能）來生產氫氣。
（10）氫是“和平”的能源。化石能源分布極不均勻，常常引起激烈戰爭，相反世界上含氫化合物的分布較為均勻，而且地球上到處都有可再生能源，其分布的地域性較弱，利用這些可再生能源也可以從含氫化合物中生產氫氣。
（11）氫氣是安全的能源。每種能源都有其物理、化學和技術性特有的安全問題。與其他燃料相比通常認為氫是危險的，其燃燒速度快，而且最小著火能量極低，是甲烷、乙烷及丙烷的1/10以下。但是氫氣本身不具有放射性和毒性，不可能有長期未知範圍的後繼傷害。並且氫在空氣中的擴散能力很大，因此氫泄漏或燃燒時會很快垂直上升到空氣中擴散，而不會產生溫室效應。現在人們已經開發出了整套的氫能安全使用設備，隻要使用時候注意，氫能還是相對安全的。
11.1.3未來能源的必然選擇
縱觀能源發展曆史，我們會看到一個有趣的現象：人類所用燃料中氫和碳的比值逐年升高。曆史上，能源結構發生過兩次重大更替：第一次發生在19世紀後期，煤炭替代了薪柴；第二次是20世紀70年代，石油取代了煤炭成為主要能源。與能源更替相關的還有兩個重大事件：一是天然氣消費量呈直線增長，成為重要能源；二是在20世紀70年代核能躋身於主要能源之列。從能源結構的更迭可以發現人類社會發展需要的支柱能源是按照含碳量越來越低、含氫量越來越高的趨勢演變的，先是薪柴（含碳量最高），然後是煤炭（含碳量較高，含氫量增加），現在主要是石油（含碳量較低，含氫量更高），同時還有天然氣（含碳量較低，含氫量很高），最終將是氫氣（不含碳）。因此可以預見，未來能源發展趨勢是碳的成分逐漸減少直到為零，而氫的成分逐漸增加直到最大。
在過去100多年世界能源供應體係中，碳的總噸數相對於能源供應總量整體下降了35%，這種下降的趨勢仍在繼續，也就是說人類選擇能源的過程是一個排碳（碳元素相對減少）的過程。由於碳和氫的原子質量為12和1，所以隨氫氣含量的增加，能源體係的質量密度也在減輕。另外，我們還發現一個有趣的現象：人類使用的能源燃料，從固態的薪柴、煤炭到液態的石油，再到氣態的天然氣、氫氣，能源燃料的替代按照“固體→液體→氣體”的方向進行。從長遠的觀點來看，太陽能和氫核聚變將是人類最終的能源，氫的同位素氘和氚正是其主要原料；由於製取成本較高，目前氫氣僅作為航天器的燃料，未來也將為普通交通工具提供能源。所以，人類能源發展的總趨勢是逐步排碳，最終進入無碳的能源時代，氫能將成為人類永恒的能源。這種能源發展趨勢與當前全球範圍內控製溫室氣體排放、發展低碳經濟的要求是完全吻合的。
11.2從自然界發掘氫能
氫能如此重要，那麼自然界中有足夠的單質（即由一種元素組成的純淨物）氫嗎？遺憾的是地球上單質氫含量很少，並且主要分布於地球的外大氣層中。地球上儲量豐富的氫主要是以化合物（即由兩種或兩種以上元素組成的純淨物）的形式出現。因此，要想利用氫能，必須將氫從其化合物（化石燃料、水和生物質）中提取出來。
有什麼辦法能獲得大量的氫氣呢？經過多年研究，目前已經工業化的製氫方法有：水製氫、化石燃料製氫、生物質製氫等，另外太陽能製氫是目前最有發展前景的製氫技術。
11.2.1電解水製氫技術
常見的水製氫方法有：電解水製氫、高溫熱解水製氫、熱化學製氫等。
電解水製造氫氣是一種成熟的傳統製氫技術，生產曆史已有80餘年。該技術具有產品純度高和操作簡便的優點。目前電解水製造氫氣的產量約占氫氣總產量的4%。電解水製氫過程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，燃燒過程是自發進行的劇烈放熱反應，因而其逆過程需要外界提供大量能量，該能量一般由電能提供。有時為提高製氫效率，可在高壓下進行水電解，采用的壓力多為3.0～5.0兆帕。電解水製氫過程簡單，無汙染，效率一般在75%～85%。但消耗電量大，每立方米氫氣電耗為4.5～5.5千瓦·時，電費占整個電解水製氫生產費用的80%左右。因此，該種生產工藝經濟性差，主要用於工業生產中要求純度高、用量不大的場合。
20世紀70年代末美國提出一種低電耗製氫方法，耗電量隻有電解水製氫的一半。這種方法的主要原理是電解煤水漿製氫，實際上是電化學催化氧化法製氫，即在酸性電解槽中的陽極區加入煤粉或其他含碳物質作為去極化劑，反應產物為二氧化碳，而不是氧氣，陰極則產生純氫氣。這樣能使電解電壓降低一半，因而電耗也相應降低。據報道，美國已在新墨西哥州采用此方法建立了一座年產300萬立方米氫氣的工廠，每標準立方米的電耗為2.4千瓦·時。而且該方法在添加煤粉的過程中能生成硫化物，還可以進行煤的脫硫。但該方法的低電耗卻以排放二氧化碳為代價，在環保要求日益嚴格的今天還有待改進。