氫能產業技術與發展

2.1 氫能的歷史

　　在化學元素的發現歷史上，很難確定氫是誰發現的，因為曾經有不少人從事過製取氫的實驗。16世紀末期，瑞士化學家帕拉塞爾蘇斯注意到一個現象，酸腐蝕金屬時會產生一種可以燃燒的氣體，也就是說他無意中發現了氫氣。1671年，愛爾蘭著名哲學家、化學家、物理學家和發明家羅伯特．波以耳也曾經研究過氫氣，而且他描述了氫氣的性質。科學發現屬於誰主要取決於科學發現本身的定義。在科學史上，人們最終把氫氣的發現者確定為亨利．卡文迪許，因為是他最先把氫氣收集起來，並仔細加以研究，確定了氫氣的密度等關鍵性質。

　　英國劍橋大學著名物理學家和化學家卡文迪許，1731年10月10日出生於法國尼斯，1810年2月24日卒於英國倫敦，享壽78歲，以發現氫氣和準確測定地球密度聞名。

　　1766年，卡文迪許把一篇名為《論人工空氣》的研究報告提交給英國皇家學會。在這一論文中，所論及的除碳酸氣外，主要講的就是氫氣。卡文迪許用鐵和鋅等與鹽酸及稀硫酸反應的方法製取氫氣，並將氫氣用水銀槽法收集起來。他發現，用一定量的某種金屬與足量的各種酸作用，所產生的氫氣量總是固定不變的，與酸的種類和濃度無關。他還發現，氫氣與空氣混合點燃會發生爆炸。因此，卡文迪許稱這種氣體為「可燃空氣」，並指出這種氣體比普通空氣輕11倍，不溶於水或鹼溶液。

　　1781年，英國化學家卜利士力在做有關「可燃空氣」的實驗時，發現它和空氣混合爆炸後有液體產生。卜利士力把這一發現告訴了卡文迪許，卡文迪許用多種不同比例的氫和空氣的混合物進行實驗，證實了卜利士力的發現，並斷定所生成的液體是水。卡文迪許指出，如果把氫氣和氧氣放在一個玻璃球裡，再通上電，就會生成水。當氧氣被發現後，卡文迪許用純氧代替空氣重複以前的實驗，不僅證明氫氣與氧氣化合成水，而且定量地確認大約2體積氫氣與1體積氧氣恰好化合成水，該結果發表於1784年。由於卡文迪許是燃素學說的虔誠信徒，他認為金屬中含有燃素，當金屬在酸中溶解時，金屬所含的燃素釋放出來，形成了這種「可燃空氣」。儘管卡文迪許首先發現了氫氣，並首先證明了氫氣和氧氣反應的定量關係，但由於受到傳統理論的束縛，他並沒有正確認識到氫氣發現的重要價值。

　　法國著名化學家安托萬．拉瓦節重複了卡文迪許的實驗，明確提出正確的結論——水不是一個元素，而是氫和氧的化合物。拉瓦節於1787年確認氫是一種元素，將這種氣體命名為氫，意思是「成水元素」。拉瓦節於1794年5月8日死於斷頭臺上，成為現代科學史上的重大災難。

2.2 什麼是氫能

　　位於元素週期表中第一位的元素氫（H），是宇宙間最豐富的元素。氫氣（H₂）是世界上已知的最輕的氣體，其密度僅為空氣的1/14，難以液化（沸點-252.87℃，臨界溫度-239.9℃，凝固點-259.14℃）。氫氣的化學性質活潑，能燃燒，能與許多金屬和非金屬直接化合，被譽為「21世紀的終極能源」。

　　氫能是氫的化學能，即氫元素在物理與化學變化過程中所釋放的能量。氫氣和氧氣可以通過燃燒產生熱能，也可以通過燃料電池轉化成電能。由於氫氣必須從水、化石燃料等含氫物質中製得，而不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開採，因此是二次能源。氫在地球上主要以化合態的形式出現，是宇宙中分布最廣泛的物質，它構成了宇宙質量的75%，還具有導熱良好、清潔無毒和單位質量熱量高等優點，相同質量下所含熱量約是汽油的3倍。

2.3 氫能的特性

　　氫能在全球應對氣候變化和碳減排中被寄予厚望，主要由於其具有以下幾大特性。

　　氫是地球上分布最廣的元素之一，以化合態存在於各種化合物中，如水、煤、天然氣、石油及生物質中，被譽為21世紀的終極能源。但氫氣易造成鋼設備的氫致開裂及氫腐蝕，並且每立方公尺釋放熱量較低，在氫氣壓縮和儲運技術尚未成熟前，影響了人們對氫氣的認知。實際上，氫能是一種高效環保的二次能源，其能量密度與相對安全性高於其他燃料和能源儲存形式。其能量密度高，是汽油的3倍多；使用效率高，燃料電池的能量轉換效率是傳統內燃機的2倍；反應產物是水，排放絕對乾淨，沒有汙染物及溫室氣體排放；安全性相對可控，引爆條件比汽油更為嚴苛；儲備豐富，未來氫能的製取存在更多的可能性。

2.4 氫能助推實現零碳經濟

　　縱觀能源發展史，人類社會經歷了三次工業革命，三次能源的升級換代體現了「三大經濟」形態。瓦特發明蒸汽機，促使能源從木柴向煤炭的第一次重大轉換，表現為「高碳經濟」；戴姆勒發明內燃機，完成從煤炭向油氣的第二次重大轉換，呈現出「低碳經濟」；現代科技進步與當今環保要求推動傳統化石能源向氫能等非化石新能源的第三次重大轉換，全球有望逐步邁向「零碳經濟」。

　　從全球能源結構看，化石能源在整個體系中占比最高。2021年全球終端能源消費中，石油、天然氣、煤炭分別占31.96%、25.21%和27.77%，化石能源消費共占比84.94%，是全球碳排放的主要來源。其中可再生能源占比從2011年的2.05%上升至5.70%，上漲幅度為178%，但核能、水電、可再生能源等清潔能源占比僅從12.16%上升至15.06%，總體成長幅度較為緩慢。

　　若想實現2050年邁入「零碳經濟」的願景，未來全球能源結構的重大調整勢在必行。能源過渡委員會（ETC）預測，2050年零碳場景下，直接電力和氫氣將成為未來全球能源結構中最為重要的兩個組成部分，分別占比68%和13%；氫基氨合成燃料占比5%，其他能源如生物質等占比14%。預計到2050年，全球每年將需要5億～8億t清潔氫，是當前氫氣消耗的5～7倍。氫氣（及其衍生品）將作為直接電力最為重要的補充，在鋼鐵、長途航運、儲能、化肥生產等領域發揮不可替代的作用。

2.1 氫能的歷史

　　在化學元素的發現歷史上，很難確定氫是誰發現的，因為曾經有不少人從事過製取氫的實驗。16世紀末期，瑞士化學家帕拉塞爾蘇斯注意到一個現象，酸腐蝕金屬時會產生一種可以燃燒的氣體，也就是說他無意中發現了氫氣。1671年，愛爾蘭著名哲學家、化學家、物理學家和發明家羅伯特．波以耳也曾經研究過氫氣，而且他描述了氫氣的性質。科學發現屬於誰主要取決於科學發現本身的定義。在科學史上，人們最終把氫氣的發現者確定為亨利．卡文迪許，因為是他最先把氫氣收集起來，並仔細加以研究，確定了氫氣的密度等關鍵性質。
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導論（節錄）

　　人類的發展史就是一部能源史。歷史上曾經歷多次重大能源變革，每一次新能源的開發利用和技術突破，都極大地促進了生產力的提高和文明的進步。人類探索利用新能源及開發新的能源利用技術的腳步從未停止過。能源的開發和利用是人類文明史的重要內容之一，能源更是關乎各國民生與可持續發展乃至國家安全的重大策略問題。原始社會裡，火作為最重要的一種「工具」，成為人類最早運用能源的一種形式。農業文明時代，通過種植作物與馴養家畜，人類更有效地把太陽能轉化為食物、熱量和動力。農業文明時代的燃料是薪柴，動力有人力、畜力、風力和水力等。距今約六千年前，烏克蘭大草原上的人們將馬馴化為馱獸，來拉運貨車和戰車，用以騎乘。西元一千年前後，在波斯出現了風車，在中國沿海及荷蘭等多風地區，也經常能看到風車。1650年的荷蘭，在需要抽水的農村，至少矗立著八千座風車。水車源自中亞和東亞，從歐亞大陸到北非，在大河溪流之畔，經常能看到水車。古人類在七十萬年前就已經開始使用柴、木作為燃燒能源，從幾十、幾百萬年前到1790年前後，人類一直都處於柴薪能源階段，亦即能源利用的第一個階段。

　　伴隨著第一次工業革命的到來，瓦特改良蒸汽機的出現，人類擷取和使用能源的效率得到極大提升，開始逐漸邁入化石能源的新階段。19世紀末，以石油為燃料的內燃機被發明出來。此後不久，效率更高的柴油機和渦輪機先後問世。19世紀末20世紀初，隨著內燃機的發明、應用和改進，汽車和飛機被製造出來並應用於生產和生活中，對於煤、石油的需求也就越來越多。一個多世紀以來，驅動了轎車、卡車與曳引機的內燃機，可以說是地球上最有影響力的發明之一。整個20世紀，人類嚴重依賴石油，使石油成為決定國際事務、影響世界歷史變遷的主要因素之一。直到21世紀的今天，我們的能源消耗結構類型仍未發生根本改變，基本上處於第二個階段，也就是化石能源階段。化石能源不僅總有一天會消耗完，而且使用化石能源還會造成巨大的環境汙染，因此，以清潔能源為代表的新能源也必然是人類能源發展的趨勢。

　　第一個階段我們走過了百萬年的歷程，第二個階段從開始到現在也不過兩百多年的歷史，第三個階段可能在不久的將來。屆時，我們將進入一個以可再生能源、清潔能源為主的新能源階段。雖然新能源全面取代目前的化石能源還稍顯困難，但種種跡象都顯示出新能源的巨大發展潛力。

導論（節錄）

　　人類的發展史就是一部能源史。歷史上曾經歷多次重大能源變革，每一次新能源的開發利用和技術突破，都極大地促進了生產力的提高和文明的進步。人類探索利用新能源及開發新的能源利用技術的腳步從未停止過。能源的開發和利用是人類文明史的重要內容之一，能源更是關乎各國民生與可持續發展乃至國家安全的重大策略問題。原始社會裡，火作為最重要的一種「工具」，成為人類最早運用能源的一種形式。農業文明時代，通過種植作物與馴養家畜，人類更有效地把太陽能轉化為食物、熱量和動力。農業文明時代的燃料是薪柴，動力有...

第1章　導論
第2章　氫能的基本屬性
第3章　氫能的製取技術
第4章　氫能的儲存技術
第5章　氫能的利用技術
第6章　氫儲能新材料
第7章　氫儲能的應用場景
第8章　氫能產業政策
參考文獻

第1章　導論
第2章　氫能的基本屬性
第3章　氫能的製取技術
第4章　氫能的儲存技術
第5章　氫能的利用技術
第6章　氫儲能新材料
第7章　氫儲能的應用場景
第8章　氫能產業政策
參考文獻