1.1　氢能的特点

自1766年英国化学家和物理学家卡文迪士（Cavendish，H.1731～1810）发现氢以来，人类对氢的各种性质进行了不断深入的研究。迄今为止，氢气是人类对其性质了解和掌握最为透彻的物质之一。

氢元素周期表代号H，元素周期表序号1，英文Hydrogen，原子量为1.0079，沸点为-252.87℃，熔点为-259.14℃。氢是重量最轻、导热性及燃烧性最好、燃烧最清洁的元素。通常按照来源，将能源分为2大类，即一次能源和二次能源。一次能源是指以自然形态存在的能源，包括煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核能等。二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源，包括电能、汽油、柴油、液化石油气、氢能等。二次能源又可以分为“过程性能源”和“含能体能源”，电能就是应用最广的过程性能源，而汽油和柴油是目前应用最广的含能体能源。氢能是人类能够从自然界获取的储量最丰富且高效的含能体能源，作为能源，氢能具有无可比拟的潜在开发价值。

（1）储量丰富

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%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态储存于水中，而水是地球上最广泛的物质。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，水就是地球上无处不在的“氢矿”。另外还可以通过各种一次能源（如化石燃料、天然气、煤、煤层气），可再生能源（如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热）或二次能源（如电力）来开采“氢矿”。

（2）燃烧热值高

氢的发热值很高，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。图1-2为各种燃料的能量密度，从中可以看到，氢的能量密度极高，达到120MJ/kg，每千克氢燃烧后的热量约为汽油的3倍，焦炭的4.5倍。

（3）能源载体

氢可以作为一种高密度能源存储的载体，可以以多种形式储存。与电、热不能大规模储存不同，氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物存储，提供一种高密度存储能量的途径。能适应储运及各种应用环境的不同要求，所以氢可以很容易地大规模储存，就像天然气一样。

（4）能量的可转换性

燃料的使用是通过转换成其他形式的能而实现的，如热能、电能、机械能等。因此能量的可转换性也是衡量燃料实用价值的一项指标。表1-1中列出来氢能与化石燃料的能量可转换性。可以看到，化石燃料仅仅只能通过燃烧这唯一的方式实现能源的利用。而氢能则可以通过多种方式实现利用，如除了可以通过燃烧外，还可以直接转换成蒸汽、通过催化燃烧转换成热能，还能通过化学反应成为热源、或者电化学过程而产生电能等。因此，氢能是一种多转换性能源。

（5）安全性

安全性一方面指燃料与燃烧产物的毒性，另一方面指燃料的可燃性。氢气无毒，不像有的燃料毒性很大，如甲醇就很危险。对于化石燃料说，除了燃料本身具有毒性以外，会产生二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物、铅化物、粉尘颗粒之类对环境有害的污染物质，具有毒性。并且毒性随着C-H比例的增加而更强。对于氢能来说，氢的燃烧产物是水，是没有毒性的。是一种非常清洁无污染的燃料。

凡是燃料都具有能量，都隐藏着着火和爆炸的危险。我们很熟悉的天然气、汽油、液化石油气和电都是如此。任何燃料的安全性都与其本身的性质密切相关。由于氢的特殊性质，使得氢的安全有不少特点。然而和其他燃料相比，氢气是一种安全性比较高的气体。氢气在开放的大气中，很容易快速逃逸，而不像汽油蒸汽挥发后滞留在空气中不易疏散。有人做过试验，两辆汽车分别用氢气和汽油作燃料，然后做泄漏点火试验（见图1-3）。可见，点火3s后，高压氢气产生的火焰直喷上方。而汽油由于比空气重，则从汽车的下部着火。到1分钟时，氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧，氢气汽车没有大问题；而汽油车则早已成为一个大火球，完全烧光。这说明了氢气汽车要比我们现在普遍使用的汽油车安全得多。由于氢焰的辐射率小，只有汽油、空气火焰辐射率的十分之一，因此氢气火焰周围的温度并不高。在类似上面的试验中，氢气在后备箱位置燃烧，而汽车后玻璃安然无恙，窗内温度还不到20℃。氢气燃烧不冒烟，生成水，不会污染环境。

氢具有最大的泄漏速率。但氢还具有另外一个特性，即极易扩散。氢的扩散系数比空气大3.8倍，若将2.25m³液氢倾泻在地面，仅需1分钟，就能扩散成为不爆炸的安全混合物，所以微量的氢气泄漏，可以在空气中很快稀释成安全的混合气。这又是氢燃料一大优点，因为燃料泄漏后不能马上消散是最危险的。有文献指出氢的扩散系数比汽油大7.5倍，由此可以证明氢比汽油安全是有根据的。

氢气的比体积小，易向上逃逸，这使得事故时氢气的影响范围要小得多。和其他液化的气体燃料相比，液氢挥发快，有利于安全。有人曾做过试验，将3m³的液氢、甲烷和丙烷分别溅到地面上并蒸发，在相同的条件下，丙烷、甲烷和氢的影响范围分别为13500m²、5000m²和1000m²。可见液氢的影响范围最小，大约是丙烷的十三分之一，甲烷的五分之一。也就说明液氢的安全性要比丙烷和甲烷好。当然，液氢的温度比液氮低得多，需要防止冻伤。

氢也有对安全不利的特点。例如氢着火点能量很小，使氢不论在空气中或者氧气中，都很容易点燃。根据报道，在空气中氢的最小着火能量仅为0.019mJ，在氧气中的最小着火能量更小，仅为0.007mJ。如果用静电计测量化纤上衣摩擦而产生的放电能量，该能量可以比氢和空气混合物的最小着火能量还大好几倍，这足以说明氢的易燃性。氢的另一个危险性是它和空气混合后的燃烧浓度极限的范围很宽，按体积比计算其范围为4%～75%，因此不能因为氢的扩散能力很大而对氢的爆炸危险放松警惕。

为了保证氢气使用安全，用氢场所的氢气浓度检测就非常重要。现代科学技术的发展，已经可以做到氢气浓度快速检测。探测器的尺寸很小，安装、使用都很方便。

表1-2列出了各种燃料与火灾相关的特性参数。可以看到，密度越低的燃料可燃性越弱。因为密度越小，在空气中浮力越大，越容易在空气中扩散开。并且比热容越大，对于一定的热量可以减慢燃料的温升，从而更加安全。另外，宽的燃烧着火界限、低的燃烧着火能以及低的燃烧温度是不利于安全的。而高的火焰温度、高的爆炸能和火焰辐射能力同样也是不安全因素。从以上这些不安全的因素指标看，相对于汽油和天然气来说，氢能具有低的密度、很高的比热容、低的爆炸能和火焰辐射能力，因此也是相对安全的。表1-3对各种燃料的参数进行了安全等级评估。其中安全因子Φ_s定义为与氢安全级数的相对比值。可以看到，氢为最安全的，汽油是最不安全的，而天然气介于两者之间。

总之，氢气是一种安全性较高的燃料，国内外长期的氢气操作经验告诉我们，只要严格遵守规定，不会发生氢气安全事故。

氢能是世界公认的清洁能源，因此得到国际社会的广泛关注。美国、日本、加拿大、德国、中国等国家均制定了氢能的发展规划，并投入大量资金支持氢能领域的研究开发和应用示范。另外，许多国际跨国能源公司和汽车公司也纷纷展开对氢能技术的研究开发。