(第一节 )概述
一、氢气燃料
氢能是指氢气作为燃料释放的化学能。回顾人类所用燃料的演变过程可知，燃料的演变与社会文明的进步密切相关。18世纪前的漫长岁月中，人们使用木材、茅草等生物质燃料，人均能耗水平很低，生产力发展水平也很低。煤的使用引发一场工业革命，将人类带入近代文明。没有石油燃料的采用就没有汽车文明，也就没有人类社会今日的繁荣。虽然是环境问题刺激了人们对氢燃料的兴趣，但是纵观如下的燃料演变过程，可知从固体燃料经由液体燃料到气体燃料的必然趋势，而且是向着富含氢的方向演变的：
C(煤)CH2(石油)CH4(天然气)H2(氢气)
因此，以氢气为燃料并不仅仅是因为石油短缺或者保护环境的需要，而是历史发展的必然。氢燃料的使用将带动一场新的技术革命，并将人类社会带人新的文明阶段。
使用氢燃料也许是解决人类今日面I临的迫切问题的必经途径。1860年世界全年的能耗仅为5×1012kw·h，当前世界全年的能耗为1．4×1014kW·h，相差28倍，其中80％的能耗源自化石燃料，使人类不能不考虑能源的后继问题。另一方面，由于化石燃料的燃烧产物是二氧化碳，巨大的能量消耗造成每年3×1012kg的二氧化碳排放量。大气中CO2浓度升高导致地球温度升高。地球上98％的CO2溶解在海水里，海水温度每升高1℃，CO2的溶解度便下降3％，所以地球温度升高又导致海水向大气释放更多的CO2，从而造成温室效应的恶性循环。如果以氢为燃料，氢释放化学能的产物是水，不会引起任何环境问题。水又是氢最丰富的资源，永不枯竭。以上两个问题能全部得以解决。
氢气作为燃料的主要性质与天然气和汽油的比较见表5—1。在各种燃料中，氢气的热值是最高的。燃料释放的化学能是原子外层电子能量状态改变的结果。氢的主要同位素只有一个外层电子和一个质子，因此在周期表所有元素中，价电子对质子(和中子)的比率最大，所以每个价电子的能量收益最高。单位质量氢的化学能(39．4kW·h／kg)是液体烃类(13．1kW·h／kg)的3倍，换言之，0．33kg氢气与1kg石油燃料的能量含量相等。视燃烧产物水的状态不同，上下限热值之差为水的蒸发焓。氢的下限热值是33．3kW·h／kg，上限热值是39．4kW·h／kg。氢燃料与化石燃料的重要区别还在于化石燃料是天然的，没有制造成本，而氢燃料不是天然的，必须消耗物理功才能得到。由于卡诺循环的限制，只有大约1／3的热能够转变为功，这就是为什么储存于氢的能比储存于石油的能大约贵3倍。因此，氢燃料的普及仍面临经济性的挑战，具体地说，只有将相当于高度工业化国家人均年收入的20％投资于氢燃料的生产才能启动所谓氢经济。
氢气、天然气和汽油燃料的性质
性质氢(H2)甲烷(CH4)汽油CH2下限热值／(kW·h／kg)33.3313．912．4自燃温度／℃585540228～501火焰温度／℃204518752200空气中自燃限(体积分数)／％4～755．3～151.0～7.6最小点火能量／mW·s0．020.290.24空气中火焰传播速度／(m／s)2.650.40．4爆炸限(体积分数)／％13～656．3～13．51．1～3.3爆炸速度／(km／s)1.48～2.151.39～1．641.4～1.7爆炸能量／(kgTNT／m3)2.027.0344．22空气中扩散系数／(cm2／s)0.610.160.05。
二、氢化学能的释放
储藏于氢气中的能量通过与氧的化学反应释放出来：
H2+12O2H2O(5-1)
25℃时水的生成焓△Hf=-285kJ／mol，水的蒸发焓△Hm=50kJ／mol。燃烧所释放的能量一部分可能做膨胀之外的功(例如电能)，一部分变成热：
△Hf=△Wel+△Q=39．4kW·h／kg(5—2)
燃烧反应可能做的最大功等于吉布斯自由能：
△Gf=△Hf-T△Sf(5—3)
氢燃烧并生成液态水的熵变△Sf=-163J／(K·mol)，而焓则是温度的函数：dH／dT=Cf(比热容)。
各种把燃料的化学能转变为机械能的发动机(引擎)是基于燃料与空气燃烧造成气体膨胀做的功pdV，其理论基础是卡诺在1824年描述的理想循环。此循环包括一个等温膨胀和一个绝热膨胀，以及随后的等温压缩和绝热压缩，在热源(T1)熵降与冷源(T2)的熵增相等时，此循环做的功最大。卡诺循环描述的是一个理想的可逆过程。根据热力学第二定律，宇宙中只有可逆过程的熵变是零，一切不可逆过程的熵变均大于零。所以，所有实际机器冷源的熵增均大于热源的熵降。卡诺循环的效率，即一个循环做的功与提供给该循环的热之比，是：
η=△W△Q1=△Q1-△Q2△Q1=1-T2T1(5-4)
式中，n为最高燃烧温度，K；T2为离开汽缸的气体温度，K。所有实际机器的效率η均小于1-T2／T1。在燃料电池中，氢的电化学燃烧将氧化反应分为两部分进行：
H2+2OH-2H2O+2e(5-5)
12O2+H2O+2e2OH-(5—6)
半反应在分开的电极上进行，而电解质允许OH-的交换。两极上建立起来的电势可在外电路产生电流。因此，电化学电池(碱性燃料电池)可直接以电的形式释放功，电池的开路电压△E由式(5—7)计算：
△Gf=-nF△E(5-7)
式中，n表示传输的电子数；F是法拉第常数，F=96484．56A·s／mol。于是，恒定温度下燃料电池的最大效率是：
η=△Gf△Hf=1-T△Sf△Hf(5-8)
燃料电池的理论效率比卡诺机的效率高。目前柴油机的效率已达40％，预计低温燃料电池的效率可达65％。
三、氢能的闭合循环
与化石燃料不同，氢是人造燃料。目前全世界作为化学原料每年消耗的氢约为5×1010kg，但若替代化石燃料并满足当今水平的能量需求，每年必须生产3×1012kg以上的氢，此量大约是目前氢产量的100倍。目前市场上的氢在很大程度上是从化石燃料生产的。其化学反应是：
-CH2-+2H2O3H2+CO2(T>850℃)(5-9)
此反应吸热，每千克氢消耗8．9kW·h能量。但这样制备的氢不能说是“再生”的，而且与化石燃料直接燃烧产生的CO2的量几乎是相同的。只有当氢是直接由阳光或间接地由风能或水电制备的，氢才是再生燃料。目前的水电解效率约85％，生产每千克氢耗电47kW·h。提高水电解效率是降低燃料氢成本所必需的。假如是太阳能直接发电，太阳能常数是1．362kW／m2，而且大约50％的太阳辐射到达地表，光电系统的效率约为10％，此值大约等于光合成生物质(如玉米)的效率，并假定日夜各半。在此理想条件下，需要有541000kin2(每人合90m2)的光电池板，才能产生电解水制备上述量的氢所需的电能。此面积相当于边长740km的正方形。
然而，电解并不是实现氢能循环的唯一途径。除利用生物质直接制氢外，某些金属或其化合物与水反应亦可制备氢气。正如普通化学实验所演示的，一块浮于水面的金属钠不断产生氢气，金属钠则变成氢氧化钠：
2Na+2H2OH2+2NaOH(5—10)
H2+12O2H2O(5—11)
此反应虽然不是直接可逆的，但是氢氧化钠可被移出并在太阳炉中还原为金属钠。还要补充一个水分子才能构成闭合循环，因此所产生的氢气质量为金属钠质量的3％。在同样的反应过程中，金属锂可产生自身质量6．3％的氢气。氢能的这种再生方法面临的主要挑战是可逆性和对太阳炉中制备金属的热解过程的控制。曾用金属锌对此类循环过程做了成功的演示。第一步是将ZnO(固体)分解为锌(气体)与氧，这是吸热反应，热源是聚焦太阳能，温度达2027℃。第二步，是427℃下金属锌(液体)水解为氧化锌(固体)，释出氢气。氧化锌自然分离并回到第一步。氢和氧是在不同步骤产生的，故没有高温气体分离的必要。对这一闭合过程的热力学第二定律分析指出，过程的最大有效能转化效率为29％。不可逆性主要来自太阳能反应器的辐射损失以及锌(气体)和O2的淬冷，其目的是避免锌与氧重新化合。对一大型化工装置的经济评价指出，若太阳能反应器的功率90MW，水解装置的产氢量61GW·h／年，则生成氢的成本以能量单位计大约是0．13～0．15美元／(kW·h)(以下限热值和聚光镜场地价格100～150美元／m。为准)。这就可以与其他的再生路线，例如利用太阳能发电电解水相竞争。上述太阳能过程的经济可行性强烈地依赖于Zn／O2分离技术的开发以免去对惰性气体的需求。
综上所述，氢的热值高，而且实现能量释放与氢气再生的闭合回路是可能的，因此氢很可能是未来的人造燃料。通过燃料电池将氢中的能量转化为功，理论上比通过内燃发动机更有效，因此通过燃料电池的引入可使马达能耗降低约35％，但是氢作为合成燃料的引入却并不依赖于燃料电池。一旦生产氢燃料的投资开始启动，以氢动力为基础的经济体系所营造的清洁生活环境也将逐渐成形。然而，氢燃料大规模进入市场之前还需解决几个技术与经济问题。一是上述之氢的再生问题，二是氢燃料的成本问题，但目前廉价氢的来源不成问题，因此二者目前都不是实现氢动力的瓶颈。氢气可以直接发动内燃机引擎，因此氢气能量的释放技术也不是障碍。作为气体燃料，特别是作为车辆动力，高能量密度的储存是至今没有解决的关键问题。
(第二节 )储氢原理
常温常压下，1kg氢气体积是12．2m3，而维持普通轿车大约500km的续航里程大约需要在车上储存4kg氢气，由此可见储氢问题的实质就是如何减小氢气的巨大体积。寻找储氢方法就要研究氢气的物理与化学性质。氢在元素周期表中的特殊位置，使其表现出相当特殊的物理和化学行为。物质一般可以气、液、固三态存在，取决于温度和压力条件。液态氢只存在于三相点(-251．8℃)至临界点(-240℃)连线与实线所围很窄的温度、压力区域内。在此很小的区域内，液氢显示70．8kg／m3(-253℃)的密度。低温下氢是固体，密度为70．6kg／m3(-262℃)，温度升高后是气体，0℃、101325Pa(1atm)时的密度是0．089886kg／m3。
