根据可再生能源提出发问（辩论比赛用的

（1）abc （2）SrTiO 3   （3）①1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2  或[Ar]3d 8 4s 2

② ③

可再生，把水分解为氧气和氢气即可。现在的难题就是怎样高效率的做到这一点。理想情况是利用太阳能分解。

你要是从概念上理解来说，那么确实不可再生。其实太阳能也不是可再生的，聚变反应每进行一步，就消耗了一些氢，多了一些氦。到几十亿年之后，就没得用了。

发展前景：

作为一种来源广泛、清洁低碳、应用场景丰富的二次能源，氢能有利于推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展。近年来，氢能及氢燃料电池产业逐步成为全球能源技术革命和未来能源绿色转型发展的重要方向。

【拓展资料】

特点：

氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样的二次能源。氢位于元素周期表之首，原子序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下为液态。作为一种理想的新的含能体能源，它具有以下特点：

1.重量最轻：标准状态下，密度为0.0899g/L，-252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。

3.导热性最好：比大多数气体的导热系数高出10倍。

4.储量丰富：据估计它构成了宇宙质量的75%，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9000倍。

5.回收利用：利用氢能源的汽车排出的废物只是水，所以可以再次分解氢，再次回收利用。

6.理想的发热值：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142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

7.燃烧性能好：点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。

8.环保：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，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境，氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应。

9.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。

10.多种形态：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。

11.耗损少：可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损耗减小。

12.利用率高：氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。

13.运输方便：氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源。

作为重要智库成果发布平台，10月22日上午，2020浦江创新论坛联合中国科学技术发展战略研究院、 科技 部新一代人工智能发展研究中心、中国科学技术信息研究所、上海市科学学研究所、施普林格·自然集团、同济大学、上汽集团等多家机构发布了《中国新一代人工智能发展报告2020》、《全球前沿技术发展趋势报告》、《2020“理想之城”——面向2035年的全球 科技 创新城市调查报告》和《氢能源未来发展趋势及研发应用》等一系列智库研究成果。

同济大学与上汽集团合作研究形成的《氢能源未来发展趋势及研发应用》，展望了氢能在未来能源结构中的地位，详细讲解了中国氢能发展现状和未来，还为我们展示了一批中国氢能研发应用成果。一起来看

01 氢能在未来能源结构中的地位

根据报告研究，在气候变化对全球减碳提出迫切需求、可再生能源引导全球能源变革的背景下，可再生能源与氢能将助力深度脱碳，在当前政策下，如果可再生能源能够加速普及，在2050年全球或可实现90%以上的与能源相关的二氧化碳减排；而根据国际氢能委员会2050年氢能愿景，氢能在终端能源需求所占比例将达到18%，欧洲氢能路线图2050年氢能愿景中这一比例则达到了24%。

02 中国氢能发展现状和未来

我国是世界第一产氢大国，具有丰富的氢源基础，能够为燃料电池 汽车 的发展提供保障；同时由于我国正处于能源转型关键期，对减碳也作出了庄严承诺：将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右；采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

因此，目前我国出台了一系列对氢能发展的政策，地方政府也陆续发布发展规划。当下，我国燃料电池 汽车 总保有量超过7000辆，疫情和政策变动对今年产销影响较大，城市群示范开启后，产销会出现快速增长；根据研究报告，燃料电池商用 汽车 是重要发展方向，拥有潜力巨大的市场。而在加氢站建设方面，我国也已建成超过90座加氢站。同时，在在氢能和燃料电池产业链上，我们也要清醒得认识到国内与国外的一些差距。

根据中国氢能联盟对氢能产业的愿景，2019年我国氢能源比例为2.7%，近期目标是于2020年-2025年提升至4%，中期目标是在2026年-2035年升至5.9%，远期目标是在2036年-2050年将其提升至10%。

那么，现在就能用上氢能源么？

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03 中国氢能研发应用成果

我国可再生能源制氢将会在2030年实现平价，相信大家对于氢能还没有一个具体的了解。随着我国的发展和经济实力的不断提高，科学技术也是变得越来越高级，对于很多资源也是实现了可以再生，因为现在很多资源在使用的过程中会对我们的环境产生破坏，比如煤炭。所以说我们也是在不断的开发出新的洁净能源。氢能就是这些能源当中的一种，在未来，它具有非常好的发展前景，所以在未来的生活当中，氢能可能会作为我们最主要的使用能源出现。

首先我们要对氢能源有一定的了解，氢能源就是可再生的二次能源，它能够通过一些可再生的方式从其他反应那里制出来氢能源，这也是它之所以是清洁能源的主要原因，因为我们知道，很多能源是不可再生的，就比如说煤炭，如果说我们对于煤炭过度开采的话，那么肯定会出现匮乏的现象，因为煤炭作为自然资源，它是长期储藏在地下的并且不会再生。如果我们对它过度使用的话，肯定有一天会出现灭绝的现象，氢能并不会，它属于可再生能源，我们使用完以后可以从其他的反应当中来制取这样就能够达到一个循环的作用，也是出于这个角度亲能才会被作为是清洁能源被开发。

当氢能实现平价以后将会有非同凡响的意义，首先对于我们国家来说就会实现一更高级的能源使用形式。因为氢能是可再生的清洁能源。所以说在未来将会让我们的科学研究变得更加高效，且清洁将不会再对我们的生活环境产生破坏。在近几年因为过于注重国家的发展，而忽略了能源对于环境的破坏，导致我们现在的生态环境已经发生了质的改变，温室效应的影响也是越来越严重。所以氢能能的出现将会在很大程度上改变这样的局面，并且也会被其他国家所效仿，这就是氢能最大的用处。

其次就是在它实现平价之后，将会有更多的人能够使用的起亲能，在之前我们仅有煤炭的时候，很多人就因为经济实力的原因，没有使用煤炭的经济条件。再到现在大家都普遍使用天然气，也仍然有一些贫困地区依然无法享受到这一待遇。那么在未来，如果说氢能能够实现平价的话，我国的大部分居民都会有生活条件来使用如此清洁的可再生能源，这将会对大家的生活和各方面带来很多的便利，并且还会节省大家的金钱，对于提高我们国家的居民水平有很大的帮助。

答：在新技术基础上，系统地开发利用的可再生能源。如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。新能源新材料是在环保理念推出之后引发的对不可再生资源节约利用的一种新的科技理念，新能源新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。

编辑本段新能源新材料发展方向

一、超导材料

有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。

一般金属（例如：铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小，当温度接近于0K时，其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K（即-269℃）时，发现水银的电阻完全消失，超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度（TC）。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找高温超导材料。

以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的磁性能，能够用来产生20T以上的强磁场。 超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5~10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线上，在中国每年的电力损失达1000多亿度，若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂；超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车，如已运行的日本新干线列车，上海浦东国际机场的高速列车等；用于超导计算机，高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量，若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件，则不存在散热问题，可使计算机的速度大大提高。

　二、能源材料

能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。

太阳能电池材料是新能源材料，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。 氢是无污染、高效的理想能源，氢的利用关键是氢的储存与运输，美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆及其渗漏，在运输中也易爆炸，储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。

固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。

三、智能材料

智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。

另外，还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。

四、磁性材料

磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类。

1．软磁材料

是指那些易于磁化并可反复磁化的材料，但当磁场去除后，磁性即随之消失。这类材料的特性标志是：磁导率（μ=B/H）高，即在磁场中很容易被磁化，并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。

Fe-(3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好，典型代表材料为坡莫合金（Permalloy），其成分为79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁导率（磁导率μ为铁硅合金的10~20倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力，广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面，是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si 所组成，其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却，使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能，它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外，有的非晶金属具有优良的耐蚀性，有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。

2．永磁材料（硬磁材料）

永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性，其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁，可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。

铁氧体的用量大、应用广泛、价格低，但磁性能一般，用于一般要求的永磁体。

金属永磁材料中，最早使用的是高碳钢，但磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴（Al-Ni-Co）和铁铬钴（Fe-Cr-Co）；稀土永磁，如较早的稀土钴（Re-Co）合金（主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5和Sm2Co17），以及现在广泛采用的铌铁硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，铌铁硼磁体不仅性能优，而且不含稀缺元素钴，所以很快成为目前高性能永磁材料的代表，已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。

五、纳米材料

纳米本是一个尺度，纳米科学技术是一个融科学前沿的高技术于一体的完整体系，它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创新物质。纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个方面。

纳米材料是纳米科技领域中最富活力、研究内涵十分丰富的科学分支。用纳米来命名材料是20世纪80年代，纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米。纳米材料的制备与合成技术是当前主要的研究方向，虽然在样品的合成上取得了一些进展，但至今仍不能制备出大量的块状样品，因此研究纳米材料的制备对其应用起着至关重要的作用。

1．纳米材料的性能

物化性能 纳米颗粒的熔点和晶化温度比常规粉末低得多，这是由于纳米颗粒的表面能高、活性大，熔化时消耗的能量少，如一般铅的熔点为600K，而20nm的铅微粒熔点低于288K；纳米金属微粒在低温下呈现电绝缘性；钠米微粒具有极强的吸光性，因此各种纳米微粒粉末几乎都呈黑色；纳米材料具有奇异的磁性，主要表现在不同粒径的纳米微粒具有不同的磁性能，当微粒的尺寸高于某一临界尺寸时，呈现出高的矫顽力，而低于某一尺寸时，矫顽力很小，例如，粒径为85nm的镍粒，矫顽力很高，而粒径小于15nm的镍微粒矫顽力接近于零；纳米颗粒具有大的比表面积，其表面化学活性远大于正常粉末，因此原来化学惰性的金属铂制成纳米微粒（铂黑）后却变为活性极好的催化剂。

扩散及烧结性能 纳米结构材料的扩散率是普通状态下晶格扩散率的1014~1020倍，是晶界扩散率的102~104倍，因此纳米结构材料可以在较低的温度下进行有效的掺杂，可以在较低的温度下使不混溶金属形成新的合金相。扩散能力提高的另一个结果是可以使纳米结构材料的烧结温度大大降低，因此在较低温度下烧结就能达到致密化的目的。

力学性能 纳米材料与普通材料相比，力学性能有显著的变化，一些材料的强度和硬度成倍地提高；纳米材料还表现出超塑性状态，即断裂前产生很大的伸长量。

2．纳米材料的应用

纳米金属：如纳米铁材料，是由6纳米的铁晶体压制而成的，较之普通铁强度提高12倍，硬度提高2~3个数量级，利用纳米铁材料，可以制造出高强度和高韧性的特殊钢材。对于高熔点难成形的金属，只要将其加工成纳米粉末，即可在较低的温度下将其熔化，制成耐高温的元件，用于研制新一代高速发动机中承受超高温的材料。

纳米陶瓷：首先利用纳米粉末可使陶瓷的烧结温度下降，简化生产工艺，同时，纳米陶瓷具有良好的塑性甚至能够具有超塑性，解决了普通陶瓷韧性不足的弱点，大大拓展了陶瓷的应用领域。

纳米碳管 纳米碳管的直径只有1.4nm，仅为计算机微处理器芯片上最细电路线宽的1%，其质量是同体积钢的1/6，强度却是钢的100倍，纳米碳管将成为未来高能纤维的首选材料，并广泛用于制造超微导线、开关及纳米级电子线路。

纳米催化剂 由于纳米材料的表面积大大增加，而且表面结构也发生很大变化，使表面活性增强，所以可以将纳米材料用作催化剂，如超细的硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂；超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂；超细的银粉可以为乙烯氧化的催化剂；用超细的Fe3O4微粒做催化剂可以在低温下将CO2分解为碳和水；在火箭燃料中添加少量的镍粉便能成倍地提高燃烧的效率。

量子元件 制造量子元件，首先要开发量子箱。量子箱是直径约10纳米的微小构造，当把电子关在这样的箱子里，就会因量子效应使电子有异乎寻常的表现，利用这一现象便可制成量子元件，量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作的，从而它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外，量子元件还可以使元件的体积大大缩小，使电路大为简化，因此，量子元件的兴起将导致一场电子技术革命。人们期待着利用量子元件在21世纪制造出16GB（吉字节）的DRAM，这样的存储器芯片足以存放10亿个汉字的信息。

目前我国已经研制出一种用纳米技术制造的乳化剂，以一定比例加入汽油后，可使象桑塔纳一类的轿车降低10%左右的耗油量；纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力，在室温常压下，约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放，可以不用昂贵的超低温液氢储存装置。

未来的几种新能源新材料

波能：即海洋波浪能。这是一种取之不尽，用之不竭的无污染可再生能源。据推测，地球上海洋波浪蕴藏的电能高达9×104TW。近年来，在各国的新能源开发计划中，波能的利用已占有一席之地。尽管波能发电成本较高，需要进一步完善，但目前的进展已表明了这种新能源潜在的商业价值。日本的一座海洋波能发电厂已运行8年，电厂的发电成本虽高于其它发电方式，但对于边远岛屿来说，可节省电力传输等投资费用。目前，美、英、印度等国家已建成几十座波能发电站，且均运行良好。

可燃冰：这是一种甲烷与水结合在一起的固体化合物，它的外型与冰相似，故称“可燃冰”。可燃冰在低温高压下呈稳定状态，冰融化所释放的可燃气体相当于原来固体化合物体积的100倍。据测算，可燃冰的蕴藏量比地球上的煤、石油和天然气的总和还多。

煤层气：煤在形成过程中由于温度及压力增加，在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。从泥炭到褐煤，每吨煤产生68m3气；从泥炭到肥煤，每吨煤产生130m3气；从泥炭到无烟煤每吨煤产生400m3气。科学家估计，地球上煤层气可达2000Tm3。

微生物：世界上有不少国家盛产甘蔗、甜菜、木薯等，利用微生物发酵，可制成酒精，酒精具有燃烧完全、效率高、无污染等特点，用其稀释汽油可得到“乙醇汽油”，而且制作酒精的原料丰富，成本低廉。据报道，巴西已改装“乙醇汽油”或酒精为燃料的汽车达几十万辆，减轻了大气污染。此外，利用微生物可制取氢气，以开辟能源的新途径。

第四代核能源：当今，世界科学家已研制出利用正反物质的核聚变，来制造出无任何污染的新型核能源。正反物质的原子在相遇的瞬间，灰飞烟灭，此时，会产生高当量的冲击波以及光辐射能。这种强大的光辐射能可转化为热能，如果能够控制正反物质的核反应强度，来作为人类的新型能源，那将是人类能源史上的一场伟大的能源革命。

氢能利用，是指将氢能转化为电能、热能等加以利用。

氢能是一种二次能源，它是通过天然气重整、电解水、太阳能光合作用、生物制氢等其它能源制取的，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采、几乎完全依靠化石燃料。

基本介绍中文名 ：氢能利用 外文名 ：Hydrogen utilization 优点 ：安全、环保 套用 ：广泛 历史 ：二战开始就已利用 利用方向 ：燃料、发电等 氢能利用历史,开发现状,氢能制备方法,特点,氢能利用安全问题,氢能利用方向,展望, 氢能利用历史 在化学史上，人们把氢元素的发现，主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许（Cavendish，H.1731-1810）。但早在16世纪，瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生；17世纪时，比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特（van Helmont，J.B.1579-1644）曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收集起来；波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进行研究。他们只知道它可燃，此外就很少了解；1700年，法国药剂师勒梅里（Lemery，N.1645-1715）在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。 第一个对氢气进行收集并认真研究的卡文迪许，但卡文迪许对氢气的认识并不正确，他认为水是一种元素而氢则是含有过多燃素的水。直到1782年，拉瓦锡明确提出水并非元素而是化合物。1787年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“Hydrogen”（氢），意思是“产生水的”，并确认它是一种元素。 氢作为内燃机的燃料并是人类最近的发明。在内燃机中使用氢气已有相当长的历史。 人类历史上第一款氢气内燃机的历史可以上溯到 1807 年，瑞士人伊萨克·代·李瓦茨制成了单缸氢气内燃机。他把氢气充进气缸，氢气在气缸内燃烧最终推动活塞往复运动。该项发明在 1807 年 1 月 30 日获得法国专利，这是第一个关于汽车产品的专利。但由于受当时的技术水平所限，制造和使用氢气远比使用蒸汽和汽油等资源复杂，氢气内燃机于是被蒸汽机、柴油机以及汽油机“淹没” 在第二次世界大战期间，氢就被用做A-2火箭发动机的液体推进剂。 1960年液氢首次用作航天动力燃料，1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料，现在氢已是火箭领域的常用燃料了。 对现代太空梭而言，减轻燃料自重，增加有效载荷变得更为重要。氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着太空梭以氢作为燃料，其自重可减轻2/3，这对太空梭无疑是极为有利的。除此之外，氢还可以用于宇宙飞船。 现在科学家们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”，这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。 80年代后期多种燃料电池汽车被公开示范. 90年代后期小型燃料电池取代蓄电池的可行性得到证实。 进入21世纪，在面对环境污染等危机下，氢能燃料电池快速发展，并且更多成型的氢燃料电池汽车正开始走向市场。 开发现状 氢能作为倔强当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象，据美国能源部（DOE）新能源开发中心调查，过去5年，全世界工业化国家对氢能的开发投入年均递增20.5%。美国一直重视氢能。2003年，布希 *** 投资17亿美元，启动氢燃料开发计画，该计画提出了氢能工业化生产技术、氢能储存技术、氢能套用等重点开发项目。2004年2月，美国能源部公布了《氢能技术研究、开发与示范行动计画》，该计画详细阐述了发展氢经济的步骤和向氢经济过渡的时间表，该计画的出台是美国推动氢经济发展的又一重大举措，标准著美国发展氢经济已经从政策评估、制定阶段进入到了系统化实施阶段。2004年5月美国建立了第一座氢气站，加利福尼亚州的一个固定制氢发电装置“家庭能量站第三代”开始试用。2005年7月，世界上第一批生产氢能燃料电池的公司之一------戴姆勒----克莱斯勒（Daimler Chrysler）公司研制的“第五代新电池车”成功横跨美国，刷新了燃料电池车在公路上的行驶记录，该车以氢气为动力，全程行驶距离为5245km，最高速度145km/h。 对我国来说，能源建设战略是国民经济发展之重点战略，我国化石能源探明可采储量中，煤炭量为1145亿t、石油量为38亿t、天然气储量为1.37万亿m3，分别占世界储量的11.6%、2.6%、0.9%。我国人口多，人均资源不足，人均煤炭探明可采储量仅为世界平均值的1/2，石油仅为1 /10左右，人均能源占有量明显落后；同时，我国近年来交通运输的能还所占比重愈来愈大，与此同时，汽车尾气污染已经成为大气污染特别是城市大气污染最重要的因素，以此，寻找新的清洁能源对我国的可持续发展有着特别重要的意义。“九五”和“十五”期间，科技部都把燃料电池汽车及相关技术研究开发列入国建科技计画，2002年1月，中国科学院启动科技创新战略行动计画重大项目---------大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢能源技术，由中科院大连化学物理研究所主持的这个重大科研项目，主要以科技部国家高技术发展计画（“863”）“电动汽车重大专项”为背景，研究和开发具有自主智慧财产权的75KW和150KW燃料电池发动机及氢能源成套技术，这项世界前沿的技术将有助于我国早日进入氢能时代。目前我国已成功研制除燃料电池轿车和客车，累计实验运行超过2000km，这标志着我国具备开发氢动力燃料电池发动机的能力，2008年奥运会和2010年世博会召开时，燃料电池轿车已经小批量示范性的行驶在街头。 氢能制备方法 1、矿物燃料制氢 在传统的制氢工业中，矿物燃料制氢是采用最多的方法，并已有成熟的技术及工业装置。其方法主要有重油部分氧化重整制氢，天然气水蒸气重整和煤气化制氢。用蒸汽和天然气作原料的制氢化学反应为：CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2 .用蒸汽和煤作原料来制取氢气的基本反应过程为：C+2H 2 O=CO 2 +2H 2 。虽然目前90%以上的制氢都是以天然气和煤为原料。但天然气和煤储量有限，且制氢过程回对环境造成污染，按照科学发展观的要求，显然在未来的制氢技术中该方法不是最佳的选择。 2、电解水制氢 电解水制氢工业历史较长，这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：2H 2 O=2H 2 +O 2 目前常用的电解槽一般采用压滤式复极结构，或箱式单级结构，每对电解槽压在1.8～2.0V之间，制取1m3H2的能耗在4.0～4.5Kwh。箱式结构的优点是装备简单，易于维修，投资少，缺点是占地面积大，时空产率低；压滤式结构较为复杂，优点是紧凑、占地面积，小、时空产率高，缺点是难维修，投资大。随着科学技术的发展，出现了固体聚合物电解质（SPE）电解槽。SPE槽材料易得，适合大批量生产，而且使用相同数量的阴阳极进行H 2 、O 2 的分离，其效率比常规碱式电解槽要高，另外，SPE槽液相流量是常规碱式电解槽的1/10，使用寿命约为300天。缺点是水电解的能耗仍然非常高。目前，我国水电解工业扔停留在压滤式复极结构电解槽或单级箱式电解槽的水平上，与国外工业和研究的水平差距还很大。 3、甲烷催化热分解制氢 传统的甲烷裂解制造氢气过程都伴有大量的二氧化碳排放，但近年来，甲烷因热分解制氢能避免CO 2 的排放，而成为人们研究的热点。甲烷分解1mol氢气需要37.8KJ的能量，排放CO 2 0.05mol。该法主要优点在于制取高纯氢气的同时，制的更有经济价值、易于出场的固体碳，从而不向大气排放二氧化碳，减轻了温室效应。由于基本不产生CO 2 ，被认为是连线化石燃料和可再生能源之间的过渡工艺。但生产成本不低，如果副产物碳能具有广阔的市场前景，该法将会成为一种很有前途的制氢方法。 4、生物制氢 利用生物制氢技术，可节约不可再生能源，减少黄精污染，可能成为未来能源制备技术的主要发展方向之一。生物制氢是利用微生物在常温、常压下以含氢元素物质（包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物及水）为底物进行酶生化反应来制的氢气。迄今为止，以研究报导的产氢生物可分为两大类：光合生物（厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻）和非光合生物（严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌）。 光合生物蓝细菌和绿藻可利用体内巧妙的光合结构转化太阳能为氢能，故其产氢研究远较非光合生物深入。二者均可光裂解水产生氢气，光裂解水产氢是理想的制氢途径，但蓝细菌和绿藻在光合放氢的同时，伴随氧的释放，除产氢效率较低外，如何解决氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。厌氧光合细菌与蓝细菌和绿藻相比，其厌氧光合放氢过程不产生氧，故工艺简单。目前鉴于光合放氢过程的复杂性和精密性，研究内容仍主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、育化和控制环境条件以提高产氢量，其研究水平和规模还基本处于实验室水平。 非光合生物可降解大分子有机物而产氢，使其生物转化可再生能源物质（纤维素及其降解产物和淀粉等）生产氢能研究中显示出优越于光合生物的优势。该类微生物作为氢来源的研究始于20世纪60年代，至20世纪90年代末，我国科学家任南琪等研究开发了以厌氧活性污泥和有机质废水为原料的“有机废水发酵法生物制氢技术”，该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限，开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径，中试试验结果表明，生物制氢反应器最高持续产氢能力达到5.7m 3 /（m 3 ·d），生产成本约为目前采用的电解水法制氢成本的一半。 特点 (1)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贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质 (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 (3)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 (4)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，达142.35lkJ/kg，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍 (5)所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种套用环境的不同要求 (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，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用 氢能利用安全问题 氢是安全燃料。大量使用实践表明，氢有着安全的使用记录。美国1967~1977年间发生145起氢事故，都是发生在石油精炼、氯碱工业或核电厂中，并未真正涉及能源套用。 国内外用氢经验显示，氢常见事故可归纳为:未察觉的泄漏阀门故障或泄漏安全阀失灵排空系统故障管道或容器破裂材料损坏置换不良、空气或氧气等杂质残留在系统中氢气排放速率太高管路接头或波纹管损坏输氢过程发生撞车或翻车事故。 这些事故需要补充两个条件才能发生火灾，一是火源，二是氢气与空气或氧气的混合物要处于当时、当地的着火或暴震的极限当中，没有这两个条件，不能酿成事故。实际上，严格管理和认真执行操作规程，绝大多数事故是可以避免的。 氢能利用方向 氢能的利用方式主要有三种： ①直接燃烧； ②通过燃烧电池转化为电能； ③核聚变。 其中最安全高效的使用方式是通过燃料电池将氢能转化为电能。目前，氢能的开发正在引发一场深刻的能源革命，并将可能成为21世纪的主要能源。美、欧、日等已开发国家都从国家可持续发展和安全战略的高度，制定了长期的氢能发展战略。 1、氢内燃机 氢内燃机的基本原理于汽油或者柴油内燃机原理一样。氢内燃机是传统汽油内燃机的带小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。氢内燃机不需要任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完全做功，这样就不会存在造价过高的为题。现在很多研发成功的氢内燃机都是混合动力的，也就是既可以使用液氢，也可以使用汽油等作为燃料。这样氢内燃机就成了一种很好的过渡产品。例如，在一次补充燃料后不能到达目的地，但能找到加氢站的情况下就使用氢为燃料；或者先使用液氢，然后找到普通加油站加汽油。这样就不会出现加氢站还不普及的时候人们不敢放心使用氢动力汽车的情况。氢内燃机由于其点火能量小，易实现稀薄燃烧，故可在更宽阔的工况内得到较好的燃油经济性。 2、燃料电池 氢能的套用主要通过燃料电池来实现的。氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置，它把电能储存起来，需要的时候再释放出来而氢燃料电池严格的说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。而使用氢燃料电池发电，是将燃烧的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。从本质上看，氢燃烧电池的工作方式不同于内燃机，氢燃烧电池通过化学反应产生电能来推动汽车，而内燃机则是通过燃烧热能来推动汽车。由于燃料电池汽车工作过程不涉及燃烧，因此无机械损耗及腐蚀，氢燃烧电池产生的电能可以直接被用于推动汽车的四轮上，从而省略了机械传动装置。现在，各已开发国家的研究者都已强烈意识到氢燃烧电池将结束内燃机时代这一必然趋势，已经开发研究成功氢燃烧电池汽车的汽车厂商包括通用（GM）、福特、丰田（Toyota）、宾士（Benz）、宝马（BMW）等国际大公司。 3、核聚变 核聚变，即氢原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时放出巨大的能量。 热核反应，或原子核的巨变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如氢、氘、氟、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制的产生于进行，即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又取之不尽的能源。 目前，可行性较大的可控核聚变反应堆就是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。他的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）。最初是有位苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿奇莫维奇等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部回产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子加热到很高的温度，已达到核聚变的目的。我国也由两座核聚变实验装置。 展望 能源、资源及环境问题迫切需要氢能源来化解这种危机，但目前氢能源的制备还不成熟，储氢材料的研究大多仍处于实验室的探索阶段。氢能源的制备应主要集中在生物制氢这一方面，其他制氢方法，是不可持续的，不符合科学发展的要求。生物制氢中的微生物制氢需要基因工程同化学工程的有机结合，这样才能充分利用现有科技尽快开发出符合要求的产氢生物。生物质制氢需要技术的不断改进和大力推广，这些都是一个艰难的过程。 氢气的储存主要集中在新材料的发现方面，对材料的规模化或工业制备还未及考虑，对不同储氢材料的储氢机理也有待于进一步研究。另外，因为每一种储氢材料都有其优缺点，且大部分储氢材料的性能都有加合性的特点，而单一的储氢材料的性质也较多地为人们所认识。因此认为，应该研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料是未来储氢材料发展的一个方向。