氢 能
在化学元素周期表中，氢是“天字第一号”元素。人们对它的了解可以追溯到古代的炼金术士。16世纪的瑞士化学家帕拉塞尔苏斯(1493—1541年)、17世纪的海尔蒙特(1579—1644年)和迈耶恩都得到过氢气。像帕拉塞尔苏斯是将铁片放入硫酸中，在激烈反应的同时，有许多气泡从酸液中冒出来。不过现象只是现象，这些气体是什么?没有人去理会，更谈不上将它们分离出来。氢的发现是英国科学家卡文迪许(1731—1810年)作出的。1766年，卡文迪许将氢的制备、氢的性质和质量都发表在一篇论文中，他为这种气体起的名字是“可燃性空气”。
1777年，法国化学家拉瓦锡(1743—1794年)从实验上证誓明水是由氧和氢构成，所以他把氢命名为Hydrogen，意思是“水素”。
在当今的宇宙中，氢的“天字第一号”地位是不可动摇的，是当之无愧的。就整个宇宙来讲，各种元素中氢是最多的，约占75%左右，重金属元素约占1%，其余为氦。以太阳为例，这个大“气球”中，氢也占有75%以上。在我们的地球上，地壳(包括海洋与大气层)中化合态氢占1%，其化合物主要为水和有机物(如石油、天然气和生命体等);单质氢较少，大气中约占千万分之一。
由于火山爆发和打深井时常常伴有大量氢气喷出，所以有人认为，地核可能由金属氢化物组成。这些氢气的膨胀使得地壳隆起，并将地球缓慢地吹大，所以这是造成地球自转正在减慢的原因之一，当然，这还只是理论研究的结论。
氢有3种同位素，除了普通氢(写作H，也称“氕”，念piě;原子核只含有1个质子)，还有氢－2(写作D，也称“重氢，或“氘”，念dāo;原子核含有1个质子和1个中子)、氢－3(写作T，也称“超重氢”，或“氚”，念作chūan;原子核含有1个质子和2个中子，具有放射性)。这3种氢中，普通氢占99．98%，重氢占0．02%。
从常规氢能的角度上说，我们这里只讨论氢单质H2。这是一种无色、无嗅、无毒、无味的气体。氢气在空气中的燃烧温度极高，可达2000℃，而且火焰是无色的，传播速度非常快。
在常规气体中，氢气是比较难于液化的气体，无论气态、液态或固态，氢都是不导电的。但依最新的研究推断，氢位于元素周期表中的第1周期，它是否可以像其他碱金属那样形成金属态呢?甚至认为，在高压下是可以得到金属氢的。金属氢的密度很高，是固体氢密度的几倍，因此大大提高了贮氢的效率。这还可为推力更大的火箭提供质量更好的燃料，甚至可以作为热核武器氢弹的核原料。
飞行器中的氢能应用
金属氢作火箭燃料的技术还很遥远，但是用氢作火箭燃料已不新鲜。液氢还是火箭引擎最好的燃料。
作为燃烧过程是燃烧剂与氧化剂的合成过程。液氢只是燃烧剂，作为推动火箭的燃料，主要有两种组合。
一个是氢与单质氟的组合。这是火箭推动系统能量最高的高能燃料——高能氧化剂组合。氢与氟在火箭推力室燃烧可以产生很高的推力。但是，单质氟的化学性质极其活泼，难以控制，并且毒性极大，价格奇贵。这大大限制了氢氟组合的用途。
另一种性能很好的组合是液氢和液氧的组合。与氢氟组合相比，氢氧组合略差。液氧价格低廉，无毒且使用方便。美国实施登月计划使用的火箭发动机“土星5号”的前两级就采用了氢氧组合。这种技术为登月计划的成功提供了保证。此外，在未来的航天计划中，氢氧组合仍是火箭燃料的最佳组合。现在的航天飞机有两个固体燃料推动的火箭，这是为了加大升空时的大功率之需的技术措施，主机仍以液氧为氧化剂、液氢为燃烧剂。在轨道飞行器下还有一个很大的可卸下的燃料箱，其中有中间隔开的液氢箱和液氧箱，再利用导管，将它们分别输送到飞行器的引擎。
在飞行器中用氢，并不是作燃料用，而是利用它密度小，进而取得升力。20世纪初叶，人们用氢气(后改用氦气)充气球，称作“飞船”，侦察员飞到敌方阵地或后方，以观察敌方调动情况，或用于民用以运载旅客。1939年，在美国新泽西州飞船着陆时，氢气飞船着火，使62名乘客死伤了一半，此后氢气才废止充入飞船。
新设计的燃氢飞机是有优越性的，在机翼油箱内加液氢即可以改成燃氢飞机。20世纪50年代，美国的洛克希德公司和波音公司对超音速和亚音速的燃氢飞机作过研究，说明其技术并不复杂，操作和驾驶这样的飞机也并不麻烦。只是由于液氢生产的问题才使液氢飞机未能推广。
20世纪70年代，由于石油危机和环境污染的问题，人们才重视以氢作为通用能源的研究。国际上成立了“国际氢能协会”，并出版了《氢能》月刊。当然，30年代的氢气飞船事故也重新引起一些人的注意，提出了氢利用的安全问题。
20世纪80年代，洛克希德公司曾尝试亚音速液氢飞机，研究了许多技术细节的问题，并进行试验对比。试验结果表明，燃氢飞机造成大气污染很小，噪声极低。缺点是燃氢飞机较长，需要的跑道较长，此外还有大量供应液氢的问题，以及价格问题。直升机的创始人西考斯基曾设想在航空发动机上使用氢气，特别是远距离飞行的飞行器。50年代，科学家利用普通内燃机进行氢燃烧试验，认为用氢替代汽油是可能的。同时，美国也试验用氢气作燃料的军用飞机，这是在涡轮发动机中使用液氧燃料，并且取得了成功。
氢能的利用包括氢化学能和氢核能两种。这里只谈前者，后者上面已有专门的章节论述过。
氢能的制取
在自然界中，氢是十分丰富的，但游离态的氢是极少的。然而，氢能之所以可以作为未来主要能源之一，主要是依靠人工制取氢。首先，人们可以从9吨水中分离出1吨氢气和8吨氧气，而后再利用它们的化合放出反应热(化学能量)。同五碳烷(汽油的成分之一)相比，每千克氢气燃烧释放能量为121兆焦，每千克五碳烷燃烧释放能量45兆焦。同质量的物质相比，前者是后者的2．8倍。
将水分解出氢气还不十分容易，现在看来，比较有希望的方案是，利用太阳能分解水，但现在尚未达到实用的阶段。现在得到氢的办法主要是电解水。这种技术使实验室电解水的效率为100%，工业大规模电解水也可达75%～85%的效率。然而，电解水产生的氢气含有饱和的水蒸气。在输送氢气时应先去除水蒸气，因为水蒸气如果附着管道上，长久下去可能会腐蚀管道。去除的水蒸气要收集起来，水蒸气冷凝的水是一种高纯度的蒸馏水，其可利用的价值很高。
除了利用电解水的方法制取氢气，还可以从碳氢化合物中提取氢，通常可以在气化炉中燃烧以提取氢。然而，石化资源极其有限，主要用于化工生产的需要，满足燃料的需求就显得有些奢侈了。在石化原料中，我们可以看到其中一种有害的物质硫化氢。如果利用一些适宜的方法，人们可以使其分离而得到硫和氢。这是一种化害为利的好办法，若方法得当是会产生很好的效果的。
还有一种重要的方法是从广泛的生物资源提取氢，利用植物的光合作用制氢和微生物分解有机物制氢。由于光合作用利用光的效率比较低，如何提高植物的光合作用的效率是研究的重要任务。利用微生物制取氢也是一种很好的方法，但尚未做到像制取沼气那样方便地制取氢气。
氢能的贮存和输送
氢气会像天然气一样通入家家户户，通常是利用管道输送。输送的氢气最好是高压氢气，它可以通过膨胀脱水，又可直接送入管道而无须另设泵站。管道网输送高压氢气比起电网输送电力要更为有利。输电需要高电压或超高电压，由于线路的电阻和电晕(高压电在空气中的放电现象)限制了输电距离。因此电站越大，电力输送成本越高。这就大大限制了大型电站的发展。然而，洲际管道输送天然气的技术已经非常成熟，用于输送氢气也是适宜的。有人提出设想，先用电能把水分解，得到氢气，再将氢气输送到远方。这就突破了建立大型电站的限制。此外，白天电能消耗大，夜间电能消耗小。夜间的电能可以电解水，以氢气的形式贮存起来，以调剂电能消耗上的不平衡。
除了管道输送氢气，也可以将氢气装载运输。通常要先将氢气液化，液氢可以长期贮存，也能在可移动的系统(如汽车)上作动力燃料。除了液氢，人们还发展了一种氢冻膏技术。这是将部分固态氢打成较小的颗粒，再将它们搅拌到液氢中，使液氢形成一种液氢/固(态)氢冻膏，并提高了贮氢的密度，延长了贮氢的寿命。
最普通的贮氢方法是加压贮存。由于氢气的密度太小，贮存高压氢气需要特制的钢瓶，其压强至少要15个大气压。像焊接和切割用的氢氧焰，氢气就装载在高压钢瓶中，若压强为20个大气压，一个50升钢瓶装载的氢气质量仅为钢瓶质量的1．6%;即便使用更为坚固的钛合金的钢瓶，装载压强更高的氢气质量也只达到钢瓶质量的5%。
燃氢汽车
燃氢汽车比传统的燃烧汽油和柴油技术性能要优越得多，除了无污染之外，燃烧氢气的发动机容易发动，这在低温环境中，其优点尤为明显。但是，汽车的贮氢方法是比较复杂的。
最早的贮氢装置是德国奔驰汽车制造厂研制的贮氢器。它利用金属合金氢化物贮氢。它的缺点是，贮氢器过重，500千克的贮氢器携带的氢气只能使汽车行驶100～200千米，而且一次充氢的时间需要30分钟或半小时。所以对私人小汽车来说多有不便，普及这种汽车几乎是不可能的。
其次，贮氢装置还有高压气瓶。现在多数实验用燃氢汽车大都采用高压气瓶。同汽油箱相比，一个贮藏200千克的油箱，贮存同等能量的氢气约为20千克。但是要将20千克的氢气装入300升的容器中，则需800大气压的压强。这样的压强下，钢瓶的厚度需7厘米，而重约1550千克。这样重的钢瓶对小型汽车也是不合算的。此外，对于这样的燃料系统，它的安全问题也是很突出的。一旦钢瓶破裂(如撞车或翻车等)，高压气体迅速膨胀，就会猛烈爆炸，这使汽车的安全系统变得很不可靠。
第三，燃气汽车也可使用液态氢。比起金属氢化物和氢气钢瓶对应的燃料系统，使用液态氢时，其单位能量的价格和质量都是最低的，供应系统也较为简单，为汽车加注液氢的时间也较短，安全控制也相对容易些。由于制冷技术的发展，生产液氢是没有问题的。这就解决了小型液化机和小型液氢贮罐的问题。液氢罐放在汽车上还要求高度可靠的绝热系统，同时价格还要低廉。如果汽车不使用，普通汽车是不需要将汽油排泄出来，但是液氢则不然。汽车在不使用时，液氢罐内的液氢会慢慢蒸发。为了防止氢气为电打火而点燃，就需要一套专门的安全系统，简单的办法是提供一个小燃气灯。
最后，含氢的合成燃料。将有些燃料与氢气合成为新的燃料，以合成一种富氢的燃料。合成的载氢体主要有氨、联氨、甲醇和甲烷等。这些合成燃料的价格较高，但联氨、甲醇是液体装载运输，较为方便;氨在压缩后也是液体。只是氨和联氨有毒，要注意防护措施。对于联氨，加氢后变成一种不对称的二甲肼H2NH(CH3)2，它可以用于火箭燃料。由于联氨是致癌物，使用时要格外小心。
氨加氢加压后可以液氨形式运输。由于氨有刺激性气味，稍有泄露便可使人察觉。液氨燃烧时产生氨气和水，不会产生氮氧化物(产生氮氧化物要加催化剂)。现在液氨已部分用作实验汽车的代用燃料。
甲醇用作汽油的掺加剂，可在汽油中掺加3%～5%。20世纪80年代中期，加拿大政府曾计划直接用甲醇作为公共汽车和卡车的替代燃料。由于甲醇的污染程度比汽油和柴油要小，成本也不高，加氢之后作为替代燃料是很好的。
氢电池
氢电池主要有氢－空气燃料电池和镍氢电池。
利用氢的可燃性还可以开发新的发电技术，这就是有着极好应用前景的氢—空气(也可用氧气)燃料电池。所谓燃料电池是电解水的逆过程，并且有很高的效率。这种燃料电池工作时会产生极细微的声音，借此可以表明电池是在工作着。此外，这种电池的体积可小可大，小可小到供手电筒的电能之需，大可大到供一座城市的电能之需。最初，美国登月的飞船就使用氢—氧燃料电池为飞船供电。这样的设计可谓是一箭双雕。一者为飞船供电，一者氢氧生成纯水，可以直接为宇航员饮用(不用消毒)。
燃料电池的装置与电解水的电解槽极为相似，有两个分开的电极，装有氢氧化钠或氢氧化钾的碱性溶液，也可装有酸性溶液。当充入氢气和氧气时，在阳极上，氢气释放电子而变成氢离子H+。电子沿电路从外电路到达阴极与氧气或电解质作用产生氢氧根离子OH－。在电解液中，氢离子与氢氧根离子发生作用后生成水。由于电池产生热量可使水以气态脱离电池，进而凝聚回收。
燃料电池的优点在于它的效率非常高。一般来说，氢气－空气燃料电池可将80%的氢能转化为电能，而用以驱动电动机工作，其电功率转化为机械功率的效率可达95%。这样算下来，如果借助这样的做功过程来驱动机车行进，从氢能转化为机械功的效率可达75%。与同样的内燃机车相比，汽油机的效率只有20%，柴油机的效率只有25%。氢能燃料电池驱动的机车效率比汽油机高3．5倍，比柴油机高2．8倍。
氢燃料电池示意图
此外，燃料电池机车还有一个明显的优点，它几乎是无噪声的和无污染的。即便同直接燃氢的机车相比也是很经济的。这就解决了氢密度太低导致体积过大的问题。由于氢燃料电池体积可大可小，像电动自行车就可以用氢燃料电池驱动(这在一些展览会上可见到其样机)。如果能解决“加(氢)气”问题，像加汽油一样方便，氢燃料电池的应用前景会更好的。
在日常生活中，我们常用到一些低压电器，如收音机、手电筒、剃须刀、电子打火器和遥控器等，它们常用干电池作电源。干电池既方便又安全，而且使用量极大。但干电池用完就扔，浪费太大;电器长时间不用，就要取出，否则就可能流淌出腐蚀性很强的电解液腐蚀电器。现在，使用可反复充电的镍镉电池也越来越多。由于可以反复使用，较为经济。但可充电镍镉电池的缺点也是非常明显的，这种电池具有“记忆”能力，在使用不当时会使电池不能正常工作。特别是镉的毒性极大，污染问题难以解决。然而，市场上日渐多起来的可反复充电的镍氢电池克服了镍镉电池的缺点。
镍氢电池的工作原理同氢气－空气燃料电池的工作原理相似，即氢离子与氢氧根离子结合成水的同时可以产生电流，并且借助这样的工作原理开发出新型碱性贮氢电池，这是一种新型的碱性电池。它的工作原理是
2H2O+电流
2H2+O2
这是一个可逆反应。
镍氢电池需要一对合适的阴极和阳极。通常，阴极是合金贮氢材料制成，阳极是可氧化的稳定材料。这样的电极材料可加强这种可逆反应，使可逆反应的贮电和放电成为可能。
具体说来，这种新型的碱性电池主要是用氢氧化钾或氢氧化钠作电解质，用贮氢合金材料(如LaNi5或Ti-Ni)作阴极，用氧化镍(NiO)作阳极。
充电时，电池发生电解水的反应，这从上面的方程式可以看出，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。贮氢阴极可将析出的氢吸收，生成金属氢化物。由于阳极材料氧化镍会被氧化，它可迅速与析出的氧化合生成镍的水合氧化物。这实际上是，阴极以贮氢的方式将电能贮存起来，而阳极以贮氧的方式把电能贮存起来。
放电时，阴极放出氢，阳极放出氧，它们可以结合为水，并产生电流，其反应过程与充电过程正好相反。
镍氢电池充放电过程可以达到千次以上，电池的容量也较高，与传统的铅蓄电池不同，镍氢电池的质量大大减轻了。
再谈水能
1870年，法国著名科幻作家凡尔纳在他的科幻小说《神秘岛》中写道:
我相信总会有一天可以用水来做燃料，组成水的氢和氧可以单独地或合在一起来使用。这将为热和光提供无限的来源，所供给光和热的强度是煤炭所无法达到的。所以我相信，一旦煤矿枯竭了，我们将会用水来供热和取暖。水将是未来的煤炭。
从这段话，我们可以看出凡尔纳的远见。
凡尔纳的远见反映出人们对水能的认识。“水能”的含义，除了水流所具有的动能之外，水能的含义还包含:水是制取氢能的原料。在氢技术发展成熟之后，人类可以大量地从水中取得氢，进而取得能源。此外，水的比热很大，所以水可以作为贮能材料。在工业中水是一种很重要的传热介质，在能量交换中有重要的应用。
水的循环利用
水的汽化热也是很大的，而变成蒸汽之后，它就具有气体的可压缩性。在压强不断升高时，水的沸点也会不断升高。这样，水蒸气的温度也不断升高(这样的水蒸气也被称作过热水蒸气)。因此这样的水蒸气就具有较大的贮热能力。此外，高压气体还可以驱动机件运动，直接做功。这样，高压蒸汽既可以作热源，又可以作动力源。蒸汽机就是水蒸气做功的机器，它可以推动机车，可以推动涡轮机并带动发电机发电。蒸汽机的发明导致第一次工业革命，其历史功绩就是“水能”发挥的作用。因此，由于水蒸气的这些作用，我们完全有理由将水看作能源材料。
由于氢有3种同位素，即H－1、H－2、H－3，或写作H、D、T;氧也有3种同位素，即O－16、O－17、O－18。所以，氢与氧的同位素化合物H2O就有9种水。如果考虑到“交叉项”，那么就要有18种水了。
从表中可以看到H2O16的分子量只有18，而T2O18的分子量可达24。T2O18比H2O16高出了33%。但是，H的丰度达99．985%，O－16的丰度达99．759%。所以，自然界的水几乎都是H2O16，余者极少。为了区别这些不同的水，H2O16被称作轻水，D2O被称作重水。其他的组合很少，故此忽略不计。天然水中的轻水与重水之比为700∶1。
重水在核裂变中有很重要的作用，为此需要将天然水中的重水分离出来。分离重水的技术并不复杂，可以利用“电解法”。注意，这种“电解法”并非电解重水。具体地讲，在电解水获得氢气时，轻水被优先电解，而重水并未被电解。这样，电解槽内会集中大量重水，重水的比例大为提高。而后将这些重水与轻水混合液进行分馏，将二者进行进一步分离。
由于重水中的氢中多了一个中子，比起轻水来说它的熔点、沸点、密度都有所变化。在核裂变反应堆中，这个氘核可以接受外来的中子的碰撞，并将中子反弹回去，从而减小中子的速度。减速后的中子被称作慢中子，这种慢中子进入U－235的核内并引起裂变。所以，在核裂变堆中，重水除了作为传热介质而传递能量外，还可以作为中子的减速剂。可见，重水是一种十分重要的能源材料。
由于核反应放出能量以及快中子的功能使重水升温(达300℃)，这些热重水进入锅炉，使高压普通轻水加热沸腾，以产生高压蒸汽;这些蒸汽推动涡轮机发电，余者可以加热普通轻水，得到热水，而冷却后的重水再次被水泵抽入反应堆中，将上面的程序再从头来。