1.      氫氣的性質(zhì)

氫氣，化學(xué)式為H?，分子量為2.01588，常溫常壓下，是一種極易燃燒的氣體。無(wú)色透明、無(wú)臭無(wú)味且難溶于水的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體，氫氣的密度只有空氣的1/14，0.089g/L。氫氣沸點(diǎn)-252.77℃（20.28K)，熔點(diǎn)-259.2℃(14.01K)，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度-252.87 ℃時(shí)，氫氣可轉(zhuǎn)變成無(wú)色的液體；-259.1 ℃時(shí)，變成雪狀固體。常溫下，氫氣的性質(zhì)很穩(wěn)定，不容易跟其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)條件改變時(shí)（如點(diǎn)燃、加熱、使用催化劑等），情況就不同了。如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強(qiáng)的活性（特別是被鈀吸附）。金屬鈀對(duì)氫氣的吸附作用最強(qiáng)。氫氣是一種極易燃的氣體，燃點(diǎn)只有574℃，在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%至75%時(shí)都能燃燒，氫氣占4.1%至74.8%的濃度時(shí)與空氣混合，或占18.3%至59%易引爆。

2.      氫氣的應(yīng)用

2.1.     醫(yī)學(xué)用途

目前已有大量關(guān)于研究使用氫氣治療一些病癥的報(bào)道，至2014年已經(jīng)有63個(gè)疾病類型被證明可以被氫氣有效治療。每年氫氣生物學(xué)文章數(shù)量，如2007年3篇、2008年15篇、2009年26篇、2010年50篇、2011年63篇、2012年95篇，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。氫氣的分子效應(yīng)可在多種組織和疾病存在，例如大腦、脊髓、眼、耳、肺、心、肝、腎、胰腺、小腸、血管、肌肉、軟骨、代謝系統(tǒng)、圍產(chǎn)期疾病和炎癥等。在上述這些器官、組織和疾病狀態(tài)中，氫氣對(duì)器官缺血再灌注損傷和炎癥相關(guān)疾病的治療效果最顯著，有4篇文章涉及到惡性腫瘤。氫氣生物學(xué)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，氫氣對(duì)以腦血管疾病為代表和以老年性癡呆為代表的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾功能紊亂都具有明顯的保護(hù)作用。在實(shí)驗(yàn)室研究中，發(fā)現(xiàn)氫氣對(duì)腦血管病有一定治療作用，對(duì)神經(jīng)退行性疾病有一定治療作用，氫氣作為一種選擇性抗氧化物質(zhì)，氫對(duì)肝臟缺血、藥物性肝炎、膽管阻塞引起的肝硬化、脂肪肝等多種類型的肝臟疾病具有有效和明顯的治療作用。在臨床研究中，到2013年四月為至，先后有7個(gè)疾病臨床研究報(bào)道，分別是二型糖尿病、代謝綜合癥、血液透析、炎癥/線粒體肌肉病、腦干缺血和放射治療副作用和系統(tǒng)性紅斑狼瘡。從世界衛(wèi)生組織注冊(cè)的信息中可以發(fā)現(xiàn)，也有一些沒(méi)有發(fā)表論文的臨床研究。這些研究報(bào)告顯示氫氣在人體脂代謝和糖代謝中的關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。

2.2.     燃料用途

隨著化石燃料逐漸減少，人們?cè)诓粩鄬ふ覂?chǔ)量豐富的新的“含能體能源”。氫氣具優(yōu)良的性能，是一種理想的新“含能體能源”，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

氫氣燃燒性能良好，且安全無(wú)毒。氫氣空氣混合時(shí)可燃范圍大，具有良好的燃燒性能，而且燃燒速度快。同時(shí)氫氣燃燒時(shí)主要生成水和少量氨氣，不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、碳?xì)浠衔锏?，與其他燃料相比更清潔。

氫氣導(dǎo)熱性能、發(fā)熱值高。氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)高出一般氣體導(dǎo)熱系數(shù)的10倍左右，是良好的傳熱載體。氫的發(fā)熱值為142，351kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍，比化石燃料、化工燃料和生物燃料的發(fā)熱值都高。利用氫能高發(fā)熱值的特點(diǎn)，已有較長(zhǎng)的歷史，比如在切割、焊接以及有機(jī)玻璃制品火焰拋光等方面均有此應(yīng)用。

2.3.      行業(yè)用途

可用作核研究、氘核加速器的轟擊粒子、示蹤劑，可以做氣相色譜氫焰化驗(yàn)原料、密度小充探空氣球、新型的高能燃料(驅(qū)動(dòng)火箭)、冶煉金屬鎢、鉬等，還有石油精煉、浮法玻璃、電子、食品、飲水、化工生產(chǎn)、航天、汽車(chē)業(yè)等行業(yè)。

2.3.1.    石油化工

氫氣是現(xiàn)代煉油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的基本原料之一，在廣泛范圍內(nèi)氫以多種形式用于化學(xué)工業(yè)。合成氨、甲醇用的氫大部分是由天然氣、石腦油或重油的蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化制取。一個(gè)1000t/d規(guī)模的氨廠，每生產(chǎn)1t氨需要?dú)錃?span>336m3,大規(guī)模生產(chǎn)合成氨的主要成本取決于氫的成。一個(gè)2500t/d規(guī)模的甲醇廠，每生產(chǎn)1t甲醇約需要?dú)錃?span>560m3。石油煉制工業(yè)用氫量?jī)H次于合成氨。在石油煉制過(guò)程中，氫氣主要用于石腦油加氫脫硫、粗柴油加氫脫硫、燃料油加氫脫硫、改善飛機(jī)燃料的無(wú)火焰高度和加氫裂化等方面；在石油化工領(lǐng)域，氫氣主要用于C3餾分加氫、汽油加氫、C6－C8餾分加氫脫烷基以及生產(chǎn)環(huán)己烷等方面。

在石油化工領(lǐng)域，還可以用氫和一氧化碳反應(yīng)合成多種有機(jī)化合物，如乙二醇的合成、合成聚甲烯(poly+methylen）、,醇的同系化反應(yīng)、與不飽和烴反應(yīng)制醛等。用費(fèi)托法可以合成各種烴，包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和一系列有價(jià)值的單一有機(jī)化合物，如固體石蠟、含氧化合物等。

2.3.2.    電子工業(yè)

在晶體的生長(zhǎng)與襯底的制備、氧化工藝、外延工藝中以及化學(xué)氣相淀積（CVD）技術(shù)中，均要用到氫氣。半導(dǎo)體工業(yè)對(duì)氣體純度要求極高，微量雜質(zhì)的“摻人”，將會(huì)改變半導(dǎo)體的表面特性。

電子工業(yè)中多晶硅的制備需要用到氫。當(dāng)硅用氯化氫生成三氯氫硅SiHCl3后經(jīng)過(guò)分餾工藝分離出來(lái)，在高溫下用氫還原，達(dá)到半導(dǎo)體需求的純度：

SiHCl3+H2+→Si+3HCl

當(dāng)用于氫氧合成氧化，常壓下將高純氫與高純氧通人石英管內(nèi)，使之在一定的溫度下燃燒，生成純度很高的水，水汽與硅反應(yīng)生成高質(zhì)量的SiO2膜。

在外延工藝中，用于硅氣相外延:四氯化硅或三氯氫硅在加熱的硅襯底表面與氫發(fā)生反應(yīng)，還原出硅沉積到硅襯底上。上述過(guò)程對(duì)氫的純度要求很高。氫氣中含有的微量一氧化碳和二氧化碳雜質(zhì)會(huì)使襯底氧化，生成多晶硅。如果含有甲烷，則會(huì)生成碳化硅進(jìn)人外延層，引起缺陷。過(guò)去硅外延時(shí)，要求含氧量小于1×10-6，露點(diǎn)低于-70℃，現(xiàn)在要求更苛刻，在砷化鎵液相外延時(shí)，當(dāng)氫氣中含氧量降到0.03+×10-6，露點(diǎn)低于-90℃時(shí)，器件壽命可達(dá)104小時(shí)以上。

在電真空材料和器件如鎢和鉬的生產(chǎn)過(guò)程中，用氫氣還原氧化物粉末，再加工制成線材和帶材，若其中所用的氫氣的純度越高，水含量越低，還原溫度越低，所得鎢、鉬粉末就越細(xì)。對(duì)氫閘管、離子管、激光管等各種充氣電子管的填充氣體純度要求更高，顯像管制造中所使用的氫氣純度大于99.99%。

光導(dǎo)纖維的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)是新技術(shù)革命的重要標(biāo)志之一，石英玻璃纖維是光導(dǎo)纖維的主要類型，在制造過(guò)程中，需要采用氫氧焰加熱，經(jīng)數(shù)十次沉積，對(duì)氫氣純度和潔凈度都有很高要求 。

2.3.3.    浮法玻璃生產(chǎn)

在玻璃工業(yè)中廣泛使用的氣體有氫、乙炔、氧和氮。在浮法玻璃成形設(shè)備中裝有熔融的錫液，它極易被氧化，生成氧化錫，造成玻璃沾錫，增加錫的消耗量，因此需要將錫槽密封，并連續(xù)不斷送人純凈的氫氮混合氣，維持槽內(nèi)正壓與還原氣氛，保護(hù)錫液不被氧化。浮法玻璃廠氫氣耗量取決于生產(chǎn)規(guī)模，一般在80-150m3/h之間，供氫模式多采用電解氫經(jīng)提純后送人錫槽，氫氣的純度為99.999%。

2.3.4.    冶金工業(yè)

在冶金工業(yè)中，氫氣主要用作還原氣，以便將金屬氧化物還原成金屬。氫氣除了用于還原若干種金屬氧化物以制取純金屬外，在高溫鍛壓一些金屬器材時(shí)，經(jīng)常用氫氣作為保護(hù)氣以使金屬不被氧化。

2.3.5.    食品行業(yè)

許多天然食用油具有很大程度的不飽和性，經(jīng)氫化處理后，所得產(chǎn)品可穩(wěn)定貯存，并能抵抗細(xì)菌的生長(zhǎng)，提高油的粘度。植物油加氫氫化所用的氫氣，純度要求都很高，一般需嚴(yán)格提純后方可使用。食用油加氫的產(chǎn)品可加工成人造奶油和食用蛋白質(zhì)等。非食用油加氫可得到生產(chǎn)肥皂和畜牧業(yè)飼料的原料，過(guò)程包括用氫和不飽和酸（油酸、亞油酸等）的甘油脂，將氫引人到液體脂肪或植物油的組成中。

2.3.6.    航空航天

氫作為航空燃料的優(yōu)點(diǎn)有很多，它不僅能滿足未來(lái)航空燃料的許多要求，最重要的是，氫燃燒對(duì)環(huán)境基本不產(chǎn)生污染。按單位質(zhì)量計(jì)，氫的燃燒熱值(119900-141900kJ/kg)比烴類燃料的燃燒熱值大1.8倍。由液氫和液氧組合成的推進(jìn)劑具有很高的比推力。因此，在空間技術(shù)中大量使用液氫。

2.3.7.    氫能源燃料電池

憑借零污染、可再生、加氫快、續(xù)航足等優(yōu)勢(shì)，氫燃料電池技術(shù)在理論上完爆石油與鋰電池，被譽(yù)為車(chē)用能源的“終極形式”。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)，氫燃料電池車(chē)同時(shí)具有節(jié)能減排的新能源車(chē)屬性： 減排。氫燃料電池的反應(yīng)方程式非常簡(jiǎn)單：氫氣+氧氣→水。不僅沒(méi)有氮氧化物這種有毒氣體，就連二氧化碳都沒(méi)有啊！當(dāng)然，這一點(diǎn)與電動(dòng)車(chē)碳排放的爭(zhēng)議相似，從全生命周期的角度來(lái)看，制氫是免不了有碳排放的。目前的主流觀點(diǎn)是：即便是考慮70%的火電，純電動(dòng)車(chē)的碳排放還是優(yōu)于燃油車(chē)，氫燃料電池車(chē)則與純電動(dòng)相當(dāng)或更好。

可再生能源：相對(duì)地柴油汽油，氫能源最大的優(yōu)勢(shì)就是可再生。除了工業(yè)副產(chǎn)品制氫之外，還能通過(guò)煤制氫、利用谷電電解水制氫等，全生命周期的能源效率要優(yōu)于汽油柴油。退一萬(wàn)步講，能源效率還不如汽油柴油，但氫能源作為可再生能源，對(duì)石油對(duì)外依賴很強(qiáng)的中國(guó)、日本來(lái)說(shuō)，依然是很有吸引力的選項(xiàng)。 和電動(dòng)車(chē)相比，氫燃料電池車(chē)?yán)m(xù)航足、加氫快；和傳統(tǒng)燃油車(chē)比，氫燃料電池車(chē)又具有節(jié)能減排的屬性。