互动科普

大家一定还记得，在中学的化学课上，经常进行的“制取氢气”实验的情景。当我们把一些金属碎片（如锌的颗粒）浸没在盐酸溶液里时，就会产生一些气体，用试管收集这些气体后，划着火柴靠近试管口时，就会“砰”地一声把试管内的气体点燃。这些可燃气体就是“氢气（H₂）”。它燃烧时产生的热量，就可以当作能源使用。

在上述实验中，当氢气燃烧以后，仔细观察就会发现，试管口的边缘有些湿漉漉的东西，那正是一些水滴，是氢气燃烧时，与空气中的氧气（O₂）相结合所产生的化合物—水（H₂O）。与汽油等碳氢化合物不同，由于氢气中不包含任何碳（C）成分，氢气燃烧时就不会产生任何二氧化碳，而只会产生水。正因为如此，氢气才会被称为是“终极清洁能源”。

此外，在中学时也经常进行“电解水”实验。当把两根电极插入水中，通过电流时，在两根电极处，就会分别有气泡产生。这是利用电能使水分解得到氢气和氧气的原理。

通过上面的两个实验能够证明，利用氢分子与氧分子可以合成出水分子；反之，利用水分子也可以分解出氢分子与氧分子来。同时也说明，氢气燃烧时会释放出能量，反之如果投入能量就可以制造出氢气来。如此一来，氢气就可以作为能源循环利用。

目前市场使用的主要能源是从石油、煤炭等矿物质中提炼出来的燃料，虽然它们也可以循环使用，但循环周期很长。比如，矿物质燃料燃烧后，会释放出二氧化碳，森林中植物在成长过程中，会吸收这些二氧化碳，最终植物也会变回为泥土类矿物质，例如树木埋入地下变成石油、煤炭等，只是需要经过数亿年的漫长岁月。正如日本东京都市大学氢能源研究中心的山根公高副教授所说：“地球上的水资源几乎无限，利用水大量制造出氢气，作为能源循环使用是绝好的办法。而且与矿物质燃料相比较，氢气循环利用的周期是非常短的。”

把自然能源变成氢气加以利用

氢气作为终极清洁能源，除了具有清洁和易循环的特征，还能很好地解决目前能源供应日益短缺的问题。

目前的能源危机，首先是指石油、煤炭类矿物质燃料几近枯竭，而且由于排放出大量的二氧化碳，造成温室效应，使地球变暖，危及人类的生存环境。而对于以太阳能为代表的包括风力、水力等清洁的自然能源，虽然丰富得几乎取之不尽，但却很难稳定获取，也没有一种方便储运和使用的方法。虽然可以用许多方法获得电能，但电能的储存却十分困难，目前基本上还得发电后马上使用，通过蓄电池长时间储存大量电能，恐怕不太现实。

而使用氢气则恰好能够弥补上述能源的缺陷。制氢的原料来自大量存在于自然界的水。氢气即使被燃烧以后，也只会留下水。此外氢气可以作为稳定物质大量储存，这样就可以保证稳定供给。

那么，我们的周围就有氢气吗？氢元素本身广泛存在于自然界之中。但是氢分子却很难见到，它往往都和氧原子结合成为水分子，或者与其他元素（比如，碳）结合在一起。氢气在常温下是气体，在各种气体中，质量最轻。因此，氢气不会停留于大气层中，而是漂浮到最上面，逃逸到宇宙中去。实际上，地球大气层中氢分子所占的体积，只有大约0.00005%左右。

作为燃料使用时，氢气也有体积大、能量密度低的劣势，与相同体积的汽油等矿物燃料相比，即使是密度大的液态氢所能提供的能量也只有汽油的1/4左右。

图1. 氢气能源可以实现清洁循环

采用氢燃料的环保汽车，实现资源清洁循环利用的概念图。由于一定体积氢气的能量密度比较小。实际使用时，往往采用液态氢或者高压气体储存罐的方式。无论是采用氢发动机方式还是燃料电池方式，总是通过氢气与氧气发生反应获取能量。排放物则只有水。利用大自然中的能量发电，由水再制造出氢气来，从而可以实现清洁的能源循环。

氢气的大量储存需要很大投入

如果只考虑储藏量，比较有效的储存方式包括“氢气吸藏合金”与“有机氢化合物”两种。前者是指利用某种合金把大量的氢原子暂时吸收储藏起来，后者是利用某种催化剂，使得氢气与某种有机化合物进行化学反应后，暂时储存起来。无论是哪种方式，只要通过加热等简单操作，就可以把储存的氢气取出来使用。但是，这种储存氢气的方式，所用的设备往往既笨重又庞大，不适用于机动车。

适合于机动车使用的方法，主要有两种，即压缩气体或者冷却成为液体。现在的主流是采用压缩气体的方法。目前正在研制能够耐受高达350甚至700个大气压力的高压氢气储藏罐。

由于氢分子的体积十分微小，它们甚至能够渗入到金属等固体物质的内部。这不仅会导致氢分子泄漏，而且会加速储气罐的老化和破损。因此高压储气罐都有两层结构。内层采用氢分子不能渗透的铝合金制成，外层使用重量轻、强度高的碳纤维层层包裹而成。

而将氢气液化进行储藏的方法，主要优点是能够以最小的体积和轻巧的装置储存氢燃料。但是，却需要另外的冷却设备，以便创造出液态氢必须的-253℃的超低温保存环境。

现在，使用罐藏氢燃料的汽车有“氢发动机汽车”与“氢燃料电池车”。它们对氢的利用方法是不同的。前者依靠燃烧氢气获得能量驱动汽车，后者通过电极的化学反应得到电能驱动汽车。

图2. 如何保存质量轻、分子微小的氢气？

采用各种方法储存5千克氢气所使用设备的重量与体积大小。由图可见，从重量和体积角度看，最佳保存方法是采用“液态氢储存罐”。但是，为了使氢保持液体状态，必须使其处于-253℃的超低温环境中。而如果采用“氢气吸藏合金”的方式储存氢气，所需要的设备比较重，不适合车载应用。目前的主流方式为高压氢气储存罐，与液态氢储存罐的方式相比，虽然重量较轻，但体积却比较大。本图根据德国欧宝（OPEL）汽车公司的数据制成。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）