氢是元素周期表中第一个元素，它的质量最小。在常温下，氢是一种无色、无味的气体，由于地球上氢的储量非常丰富，燃烧时热值高，且不产生任何污染，十分有利于环境保护，故被看作未来21世纪理想的洁净新能源，并越来越受到人们的高度重视。
1氢储量丰富，资源价廉
地球上的氢主要以化合物形式存在，除空气、化石燃料等矿物质中含有大量的氢外，水是含氢最多的一种化合物。氢科学家估算，仅在茫茫大海中13．7亿km3的海水中，含氢就高达1.4×1017吨，这些氢燃烧所产生的热量相当于地球上所有矿物燃料的9000倍。即使人们大量使用水中的氢作燃料，那也不会影响地球上水和氢的储量，因为氢燃烧是一个还原成水的过程，所以说，氢是一种取之尽，用之不竭的新能源。
在地球之外，科学家也发现有丰富的氢。且不说太阳内部主要是由氢及其同位素氘、氚所构成，就是太阳在宇宙运行过程中，其前部就存在一个由大量氢聚集的高温气团，人们称它为“氢墙”。位于太阳附近的两颗恒星也有类似的氢墙，且温度更高，是太阳氢墙的2～3倍。科学家还用“伽利略”号木星探测器发现木星上有大量的氢存在。木星大气层下有一个浩瀚的由液态氢构成的海洋，虽然温度高达5 000℃，但不蒸发，在液氢下面还有一层奇特的金属氢（在数百万个大气压下，液氢可变为金属氢），可以导电。在宇宙其他星球周围，人们也发现有氢分子“云”。
2氢性能优越，用途广泛
氢有许多优越性。首先是原料来源广泛，也不象化石燃料那样需要庞大的采矿炼油设施，大量使用氢不影响地球物质循环，燃烧时只生成水和少量的氮化氢，不会对环境造成任何污染，氢能转化方式可多样化。
氢的用途除化学工业中用作制造化肥（如氨等）、高辛烷值汽油、油脂固化等，以及各种能源的转换介质或中间载体外，最主要的就是作能源。由于氢燃烧速度快，热值高，1 kg氢燃烧所放出的热量为1．2×108 J，相当于1 kg汽油的3倍，因此，可广泛地用作各种发动机、内燃机、锅炉和加热装置的燃料，也可以替代城市煤气用于炊事和取暖等，还可用于发电、气焊和作燃料电池的燃料。特别是液态氢燃烧时所产生1 700℃高温，尤其适用于作火箭发动机的燃料。实际上，氢是一种完全可以与电力相媲美的新能源。
3制备氢的主要方法
怎样低成本地制备氢是实现氢能商业化应用的首要问题。目前，人们主要采用五种方法，即：①应用电解法将水电解成氢和氧，但是，在电解过程中，85％的电能被白白地浪费掉了，只有15％的电能体现在氢能上，目前这种方法还不合算。②应用热化学法高温热解制氢，即在3 000℃左右的高温下让水发生热化学反应，生成氢气和氧气。热化学法耗能较大，最近，科技人员通过技术改进，将热解温度降至1 000℃左右。③用光电化学法将半导体（如单晶硅等）材料和电解质溶液组成光电化学电池，在阳光照射下制氢。④采用等离子化学法将石油、天然气、煤与水蒸气反应生成水煤气，然后将水煤气和水蒸气一道通过灼热的氧化铁（催化剂）转变为二氧化碳和氢，将二者分离，即可得到氢。⑤生物制氢法，即仿生法，是通过光合法来生产氢。生物制氢思路是1966年提出的，90年代受到空前重视，德、日、美等一些发达国家都成立专门机构，制定生物制氢计划。美国1973年研制一个含铁氧化还原和氢化酶的装置，每MG叶绿素可以产生15 L氢气，可惜不稳定，工作时间太短。苏联和英国也研制过类似装置，每g叶绿素每小时可产生氢气1 L，整个装置只工作了6个小时。
以上方法中，前四种都要消耗能量，要想推广应用，还必须想方设法使消耗的能量大大小于所取得的氢能，否则就得不偿失。为了降低成本，科技人员进行了大量的探索，大多数倾向于应用天赐的太阳能（包括风能等）、水力能发电，再用电来电解水制氢的方法。它的好处是除一次性投资外，以后无需增加过多的投资。这一思路包括利用太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢等方法。生物制氢前景也非常光明，例如，利用化能异养菌或光合自养菌，通过发酵可将糖类、醇类、有机酸等有机物转化为氢，其中光合自养菌本领更大，它不需要消耗有机营养物，只依靠太阳光能量就能把简单无机物合成有机物，在满足自身需要的同时放出氢。美国科学家还应用海藻来产氢，其方法是将养有海藻的池塘封闭，由于海藻需要硫作营养剂以促进生长，当去掉硫时，海藻就会消耗水的氧气，转用不同的新陈代谢方式产生氢气。据计算，目前每L海藻溶液可产生3 mL的氢气，通过系统改进，氢气产量可增加10倍，一个小池塘中生长的海藻所提供的氢气足够让12辆汽车运行一周。我国哈尔滨建筑大学任南琪、王安贞还以厌氧活性污泥为原料，用有机废水发酵法制氢，实现中试规模连续非固定化菌种长期持续生物制氢，制氢纯度大于99％，产氢能力达到5．7 M3 H2／M3？d，制氢规模达500～1000NM3／d，技术水平属世界前列。
4氢能前途光明，但仍有许多难题需要攻克
氢作为理想的洁净能源，要实现大规模商业化应用，还有许多难题需要攻克。首先要研究高效率、低成本的制氢方法，这在前面已经叙述过了。第二是要解决氢的纯化、贮存问题。氢可以气相、液相或金属氢化物形态加以储存。由于氢的密度很小，气态氢体积很大，1t氢有110万L，贮存和运输时必须将它压缩或将它冷凝至零下253℃，使之变成液态，或采用贮氢金属吸存。即使在压缩态，氢的密度也只有石油密度的1／3～1／4。因此，在等重量情况下，氢需要体积大得多的容器。由于氢溶解于金属的能力很强，几乎任何金属都可以吸附超过自身体积几百倍、甚至几千倍的氢，它们在冷却或加压状态下，将氢原子贮存于金属结晶间隙，以氢化物形态存在，当加热或减压时，金属氢化物会重新分解出氢，以供用户使用。装满氢化物的贮气箱所能容纳的氢气相当于空贮气箱容纳量的40倍。日本在1985年用金属氢化物制成贮氢容器用于汽车上，但是使用几次后，贮氢材料会因氢脆而变成粉末，从而丧失贮氢能力。对于氢的纯化技术当然也很重要，因为只有达到一定纯度的氢才能安全地供社会使用，否则会引起爆炸。前苏联科学家就用特殊“导氧”陶瓷做成“筛子”，可将氢气和氧气分离。第三是要解决氢气携带和运输问题，氢气一般可以使用管道输送或采用贮氢材料制作的贮气箱进行携带。运输费比输电便宜。第四就是要开发各行各业使用氢作燃料的技术和设备，如研制以氢作燃料的涡轮发动机、内燃机，以及研究氢的燃烧技术。20世纪，德国、苏联（包括俄罗斯）、美国等都对以氢作燃料的发动机、发电机进行过研究，美国马萨诸塞州理工学院在汽油或柴油中加入氢，采用“等离子体发生器”产生富含氢的气体，将它送入汽车引擎，可使低品位油变为高品位油，从而达到充分燃烧和减少90％的碳氢化合物排放之目的。原苏联乌克兰科学院机械制造研究所1980年还在出租汽车上使用汽油与氢的混合物作燃料，在燃料箱内装上特殊的“蓄积器”，放入特殊的金属粉末，氢气一通进来，马上就被金属粉末牢牢吸住，绝无爆炸危险。
尽管氢代替传统化石燃料还有许多难题，但世界许多国家都看重氢能的开发应用前景，纷纷加大投资力度和研究力量。1986年，加拿大魁北克省就实施一项“水力氢试验计划”，采用高性能离子交换膜电解水制氢，所产氢被吸附在一种贮氢材料内，再运往消费者。美国1993年投资6 300多万美元，用于研究和开发利用氢气代替汽油作汽车燃料，夏威夷大学运用光电制氢技术，将一片很簿的半导体悬于水中，利用太阳能产生氢气。日本从1993年度实行以氢作燃料的发电技术计划，在太平洋赤道位置上建一座“太阳光发电岛”，以太阳能电解水制氢，再用氢作燃料来发电。德国1990年还建造了一座太阳能制氢实验工厂，该国与俄罗斯正在合作研究由液氢作燃料的空中客机。在生物制氢方面，中国和美国则走在世界前列。
参考文献
1［苏］Ю？Г？契尔柯夫著．印佳翔、魏相译．能源趣话．湖南科学技术出版社，1981．
2陈中原、任平主编．能源科学．重庆出版社，1999
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