能源、材料和信息是近代社会得以繁荣和发展的三大支柱。煤、石油、天然气是当今重要的三大化石燃料，由于它们具有不可再生性，因此随着它们耗量的日益增加，其储量将日益减少，而且终有一天这些资源将要枯竭，因此，目前世界各国都在大力探索一些不依赖化石燃料的、储量丰富的新的能源，如太阳能，潮汐能、地热、氢燃料和核能等等。其中氢能不仅具有不依赖化石燃料、储量丰富的特点，而且氢能的研究还迎合了工业化国家日趋严格的环保政策，因而各国对氢能的研究变的日益活跃起来。氢能也被认为是最有发展前途的新型能源。为充分了解氢能源，本文从氢能的特点、氢能的开发技术关键、氢能的应用领域、今后氢能的发展方向四个方面进行了研究，分别作以介绍，以增进人们对新能源氢的系统认识，为接受并使用新能源打下基础。 1. 氢能的特点 氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点：
1.1 所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为固态氢。
1.2 所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 1.3 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％，存储量大。除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，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90O0倍。
1.4 氢的发热值高，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，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。
1.5 氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，3％－97％范围内均可燃。而且燃点高，燃烧速度快。
1.6 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、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境。
1.7 氢循环使用性好，燃烧反应生成的水可用来制备氢，循环使用。
1.8 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，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。
1.9 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
2. 氢能开发与利用
2.1 氢能开发的关键
由以上特点可以看出氢是一种理想的新型能源。目前，虽然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面临着两大亟待解决的关键问题：
2.1.1 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，因此大规模的廉价的制氢技术是氢能开发的关键问题之一。
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2.1.2 安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢的扩散能力强、易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也是开发氢能的关键问题。 2.2 氢能开发与利用的现状 2.2.1氢能的开发
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氢能否被广泛使用，制氢工艺是基础。因为水分子中氢和氧的结合非常牢固，要把它们分开，需花费很大的力气。比方说，必须加热到摄氏二、三千摄氏度的高温，才能把水分解成氢气和氧气。这样不仅要消耗很多的能量，而且还要有相应的耐高温、耐高压设备。为了避开这个难点，目前实际上主要还是利用天然气、煤炭和石油产品作原料来制取氢气。 （1）矿物燃料制氢是利用化学方法将矿物中的氢元素提取出来的方法。
①煤的焦化，即将煤通过高温干馏生产焦炭，同时得到一种气体产品──炼焦煤气，从炼焦煤气可以制得氢气。这是一种古老的生产氢的方法，而且氢只是一种副产品。 ②水煤气转化。水蒸气通过炽热的煤层制得水煤气， C＋H2O ====== CO＋H2↑- Q
本地导航然后把水煤气跟水蒸气混合，以氧化铁等为催化剂，在500~ 5500C使水煤气中的一氧化碳转化为二氧化碳，
500~ 5500C
CO＋H2O ========== CO2+H2+Q
10000C
再把混合气体加压、水洗使二氧化碳溶于水，即分离出氢气
③从天然气、炼厂气（石油炼制厂的副产气体）、油田气等气体燃料中制取氢气。 把碳氢化合物，如甲烷（存在于天然气、炼厂气中）高温裂解，可制得炭黑和氢气，
CH4 ========== C + 2H2
高温裂解
在镍催化剂存在下，把一些碳氢化合物，如甲烷跟水蒸气在800~ 9000C时起反应，制得氢气和一氧化碳的混合气体，
800~ 9000C
太阳能跟踪控制器CH4＋H2O ========= CO+3H2
[Ni]
再把一氧化碳转成二氧化碳（应用水煤气转化法），并使之加压溶解于水，遂获得氢气。 还可采用碳氢化合物部分氧化法来制氢，原理同上面差不多，也是用碳氢化合物和水蒸气通过催化剂生成氢、一氧化碳、二氧化碳的混合气体，然后在混合气体中加进更多的水蒸气，依靠另一些催化剂的作用，生成更多的氢和二氧化碳。
这些方法大都需要催化剂和高温，催化剂多数是镍的化合物。特别是它们都以碳氢化合物为原料，仍旧离不开煤炭、天然气、石油等矿物燃料，所以算不上是一种有前途的制氢技术。
（2）电解水法。水中放进一点儿氢氧化钠、硫酸钾、硫酸之类的电解质，通电之后，极上就能放出氢气。电解水法制得氢气的纯度可达99.5～99.8%。 其原理为: 2H2O ======2H2↑+O2↑
电解法制氢不消耗矿物燃料，但是用电量很大，每生产1kg氢需要消耗五、六十度电，成
本太高。只有在电力供应充裕、电价低廉（如有大量低价的水力发电或核动力发电）的情况下，电解水制氢才有可能焕发青春，为大规模生产氢燃料作出新贡献。
（3）各种化工过程副产品氢气的回收，如氯碱工业、冶金工业等。 2NaCl+2H2O=====Cl2↑+2NaOH+H2↑
（4）热化学循环分解水制氢。该方法是在水反应系统中加人中间物，经历不同的反应阶段，最终将水分解为氢和氧，且中间物不消耗。这其实也是一种加热直接分解水的方法，不过不是单纯依靠加热硬把氢、氧一步分开，而是通过某些化学药品（如二氧化硫、硫酸和硫酸铋）与水反应，分几步把水分解制得氢气，形成一个热化学循环，所以又叫做分步反应分解水制氢法。
在热化学法制氢中，不同的化学反应有不同的化合物──如硫、铋、钙、溴、汞、铁、碘、镁、铜、氯、镍、钾、锂等的化合物──作为中间反应物参加，反应温度大多为八、九百度，高的也仅有上千度。反应结束后，化学药品的数量不减少，可以回收循环使用，消耗的只是水，水被分解成氢和氧了。
电解
电解
现在，科学家们已提出了多种热化学分解水制氢的方案，并且正在寻最佳的制氢方案而努力。热化学法制氢仍旧需要热。如果把这种方法同核反应堆联系到一起，利用核反应堆的余热来提供所需要的能量，同时解决高温、腐蚀性、投资大等不足之处，那就可以大大降低氢的生产成本。
（5）光化学制氢。它是在有光照催化剂作用下，促使水解制得氢气的一种方法。 现在世界上已经有了强大的太阳能高温炉，聚焦温度高达4 000 ℃，这样高的温度，用于直接热分解水或分步的热化学法制氢都是可能的。
早在1972年，日本科学家本多等人在研究半导体电极在光照下的电化学行为时，发现把氧化钛晶体电极和铂黑电极连接起来浸到水里，当太阳光照射氧化钛表面时，就会产生电流，分解水制得氢气。不过，由于氧化钛半导体的禁带宽度大于3.0 eV，只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光部分，所以光能利用效率很低，不过1%。现在的问题是要探索的性能优良的光电极半导体材料，以便进一步提高光解水的效率。
专家们认为，应该采用禁带宽度为1.0～1.6 eV的半导体，它们可以吸收差不多整个波长范围内的太阳光。这样的半导体材料有好多种，目前研究得比较多的是砷化镓、磷化铟等等。不久前美国科学家海勒等人用磷化铟半导体作电极的光电化学电池制氢，效率达到12%。还有人用硅作电极，在太阳光的照射下，可以从水中制取12～13%的氢气，甚至有可能达到25%。这就使氢燃料的商品化生产有了可能。
光络合催化分解水制氢是最近几年发展起来的一个新领域。11年前，有人发现三联毗啶钌络合物的激发态具有电子转移能力，这使人想起可以利用它来光解水制氢。后来就发明了一种复合催化体系，其中包括光敏剂、中继物、电子给体和铂催化剂。光敏剂捕获太阳能而呈激发态；起桥梁作用的中继物从光敏剂的激发态得到电子，然后迅速同水进行电子交换，还原水而得氢气。光敏剂失去的电子应该得到补充，这就要往溶液中加进电子给体。这样的复合催化体系的太阳光的照射下，每升溶液每小时可以生产1L氢气。
目前，科学有正在研究一种办法，把放氢、放氧两个分解水的半过程耦合起来，这样可以不消耗电子给体，使生产成本大大降低。
据报道，最近日本制成了一种高效催化剂，是把氧化钛、氧化钌和铂粘着在一起，做成颗
粒直径只有1Mr的灰粉末。把这种粉末加到水和纤维素的混合液里，放在太阳光下，就能产生氢气和二氧化碳。水被分解了，最后剩下来的仅仅是催化剂。
关于光解水制氢所取得的突破性成果，曾被我国27位著名科学家推荐、评选为1982年的世界十项重大科技进展之一。
（6）生物质制氢。它是将生物体中的氢元素通过裂解或者气化的方法提取出来的方法。
①终端准入系统生物质催化气化制氢技术
生物质催化气化制氢的主要流程如图1所示。三个过程决定最终氢气的产量和质量，即生物质气化过程、合成气催化变换过程和氢气分离、净化过程。 生物质气化。 生物质热化学气化是指将预处理过的生物质在气化介质中如：空气、纯氧、水蒸气或这三者的混合物中加热至700度以上，将生物质分解为合成气。生物质气化的主要产物为H2、CO2、CO、CH4，混合气的成分组成比因气化温度、压力、气化停留时间以及催化剂的不同而不同，气化反应器的选择也是决定混合气组成的一个主要因素。
氢气分离、净化。日前主要采用的分离方法有：金属氢化物分离法；变压吸附法；低温分
离法；钯合金薄膜扩散法；聚合物薄膜扩散法等。利用各种氢气纯化法使氢气纯化，所得的氢气回收率有很大差别。金属氢化物分离法、变压吸附法和聚合物薄膜扩散法的回收率一般在70％－85％；低温分离法回收率达到95％；钯合金薄膜扩散法采用富氢原料气时，回收率可达99％。
我国的生物质气化技术已达到工业示范和应用阶段。中国科学院广州能源所多年来进行了生物质气化技术的研究，其气化产物中氢气约占10%,热值达11MJ/m3。在国外，由于转化技术水平较高，生物质气化已能大规模生产水煤气，且氢气含量也较高。
②等离子体热解、气化制氢。
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