作为能源，氢的优(you)势(shi)十分突出。一是，氢元素分布广泛，约占宇宙物质总量的81.75%，在地球水体中储量丰(feng)富；二是，氢气的燃烧热值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；三是，氢气燃烧的产物只有(you)一种——水。来源丰(feng)富，能量密度(du)高，清洁无污染，集三重优(you)势(shi)于一身，在倡导绿色发展(zhan)的今天，氢能源的开发与利用受到前(qian)所未有(you)的重视。
近(jin)年来，我(wo)国氢能技(ji)术及(ji)产业快速发展(zhan)：首列氢能源市(shi)域列车完成达速试跑，海(hai)水直接制氢技(ji)术在福建海(hai)试成功(gong)，《氢能产业发展(zhan)中长期规划（2021—2035年）》《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》等陆续推出……氢能作为清洁能源，为经济社会发展(zhan)注入强劲动力(li)，也成为深受关注的科技(ji)话题。
既是清洁能源，也是“多彩”能源
氢元素并不等于氢能源。从人类利用氢能的广义角度(du)来看(kan)，太阳质量的72%是氢，它几十亿年来通过持续不断的热核聚变，把氢中的能量转(zhuan)换成光(guang)能，源源不断地送(song)达地球，驱动地球上的物质循环与能量循环，孕(yun)育了地球上的生命。而我(wo)们日常生产生活中用到的氢能，主要是氢和氧(yang)进行(xing)化学反应释放出的化学能。
数百年来，人类从未停止对低能耗、低成本氢能制取技(ji)术的探索。因为地球上的氢元素只占地球总质量的0.76%，其中氢单质，也就是氢分子的赋存更是极其稀少(shao)，所以人类无法像勘探开采(cai)石油和煤炭那样轻(qing)易找到“氢矿”，而要通过科技(ji)手段来制取氢气。19世纪后，氢燃料动力(li)火箭把人类带入瑰丽的太空，氢燃料电池(shi)技(ji)术的出现则(ze)让“氢—电”直接转(zhuan)换成为可能。直到今天，科学家仍在努力(li)将地球上的太阳能、风能、海(hai)洋能等可再生能源，再度(du)转(zhuan)化为氢这一清洁、高密度(du)的能源形式(shi)。
氢能是“多彩”的。根(gen)据不同制取方式(shi)，氢能可分为绿氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金(jin)氢等。其中，灰氢来自(zi)煤炭制氢、天然(ran)气制氢、工业副产氢气，属于直接制氢，成本较低，但需要消耗煤、天然(ran)气等化石能源，会产生大量二氧(yang)化碳。目前(qian)，灰氢产量约占全球氢气产量的九成以上。蓝氢则(ze)是在灰氢基(ji)础上，将制备过程中排放的二氧(yang)化碳副产品捕获、利用和封存，更加环保。紫氢是利用核能进行(xing)大规模(mo)电解水制氢。近(jin)年来，地质学家还发现了金(jin)氢，它由(you)地下水与地下橄榄石（一种呈绿色的镁(mei)铁硅酸盐）等矿物相互作用，使水被还原为氧(yang)气和氢气。在这一过程中，氧(yang)气与矿物中的铁结合，氢气则(ze)逃逸到周(zhou)围(wei)的岩石中，并利用地下矿石的石化过程不断再生氢气。金(jin)氢因其地质储藏勘测和开采(cai)难度(du)极大，目前(qian)尚未得到充分开发利用。
最(zui)为重要的绿氢，是通过风能或太阳能等可再生清洁能源发电，再利用这些清洁电能，以电解水方式(shi)制取氢气。绿氢在制取过程中基(ji)本不产生温(wen)室(shi)气体，是目前(qian)氢能发展(zhan)的主要趋势(shi)。放眼世界，绿氢成为各国清洁能源转(zhuan)型的重要一环，不少(shao)国家出台了相关政策，鼓励(li)建设大规模(mo)绿氢供应链。2023年8月，我(wo)国首个万吨级光(guang)伏(fu)发电直接制绿氢项(xiang)目——新疆库车绿氢示范项(xiang)目全面建成投产，每(mei)年可生产2万吨绿氢，减少(shao)二氧(yang)化碳排放约48.5万吨。
创新“开采(cai)”方式(shi)，向(xiang)海(hai)洋要氢
进入21世纪，氢能应用场(chang)景更加广泛。从汽车到船舶(bo)，从工厂到家庭，氢能出现在社会生产生活各个方面，不少(shao)大型城市(shi)开始兴建加氢站等基(ji)础设施，氢能源技(ji)术与产业得到大规模(mo)推广。中国作为氢能生产大国和使用大国，有(you)力(li)推动氢能发展(zhan)。在交通领域，2022年我(wo)国氢能源汽车保有(you)量首次突破万辆，预计到2025年有(you)望增至10万辆。
在旺盛的需求引导下，绿氢制取的成本大大降低。目前(qian)，绿氢主要通过电解水来制取，成本的80%来自(zi)电解过程的能耗。根(gen)据工作原理(li)、温(wen)度(du)以及(ji)所用电解池(shi)材料的不同，电解水制氢可分为碱性电解水、质子交换膜(mo)电解水、高温(wen)固(gu)体氧(yang)化物电解水3类。碱性电解水技(ji)术成熟度(du)较高，具有(you)成本优(you)势(shi)，是现有(you)大规模(mo)绿氢工程项(xiang)目的主要方案。质子交换膜(mo)电解水技(ji)术效率高于碱性电解水，系统集成简单，但需要使用贵金(jin)属铂、铱等作为催化剂，目前(qian)设备成本约为碱性电解水的3倍，未来需通过新型催化剂的开发和膜(mo)电极制备技(ji)术的发展(zhan)提升性价(jia)比(bi)。高温(wen)固(gu)体氧(yang)化物电解水技(ji)术，则(ze)是在500—800摄氏度(du)高温(wen)下，将电能和热能转(zhuan)化为化学能（氢能），氢气被高效地分离出来，被认为是理(li)论效率最(zui)高的电解水制氢技(ji)术。综合来看(kan)，发展(zhan)新型电解质材料、提高关键材料寿命、优(you)化工作温(wen)度(du)成为电解制氢技(ji)术的发展(zhan)方向(xiang)。
新的制取方式(shi)也在开发中。其中，海(hai)水直接电解制氢技(ji)术和海(hai)上风电技(ji)术备受关注。未来绿氢的大规模(mo)生产，与风能、太阳能等可再生能源相耦合是关键。特别是在海(hai)上风电发展(zhan)迅(xun)速，海(hai)水资(zi)源颇为丰(feng)富（地球水资(zi)源总量的97%）的背景下，利用海(hai)水直接电解制氢技(ji)术和海(hai)上风电技(ji)术向(xiang)海(hai)洋要氢，成为绿氢制取的重要方向(xiang)。这就像在大海(hai)上建起(qi)一座(zuo)座(zuo)“氢矿”，产出的绿氢可直接通过海(hai)上油气管道等进行(xing)远距离运输，提供了大量氢能。
实现海(hai)水直接制氢的设想，要迈过不少(shao)技(ji)术门槛。电解海(hai)水制取氢有(you)两种方式(shi)：一是淡化海(hai)水至纯水再制氢，技(ji)术复杂、成本高，难以规模(mo)化生产；二是海(hai)水直接电解制氢，难点在于海(hai)水成分复杂，对设备中的催化剂、电极、隔(ge)膜(mo)要求很高。经过长期攻关，我(wo)们尝试用物理(li)力(li)学方法，在一种透气不透水的“膜(mo)”作用下，把海(hai)水里的水汽“抽”出来，隔(ge)绝(jue)海(hai)水中的杂质离子，从而使水汽成为电解制氢用的“纯水”，向(xiang)电解液补水。2022年11月，这一成果发表在《自(zi)然(ran)》杂志，后被科技(ji)部评为2022年中国科学十大进展(zhan)之一。未来，海(hai)水直接制氢有(you)望开辟氢能源技(ji)术和产业化新赛道。
储用结合，丰(feng)富利用手段
解决了氢能的来源和制取成本问题，就要考虑如何把氢能送(song)达各类应用场(chang)景并创新氢能利用方式(shi)。储存和运输，始终是人类能源利用的技(ji)术课题。氢气密度(du)小、易燃烧，因而储运成本高，存在安全风险，长期以来影响着氢能利用。为此(ci)，科学家们正(zheng)尝试将氢转(zhuan)化为易储易运的氨(an)或甲醇，进而实现绿氢大规模(mo)应用。比(bi)如，以经典的哈伯—博施工艺(yi)借(jie)助氮气及(ji)氢气制取氨(an)气，或利用新兴的电化学常压低能耗合成氨(an)技(ji)术，实现“氢氨(an)融合”，丰(feng)富了化肥、工业等传统用氨(an)行(xing)业及(ji)绿氨(an)掺混发电、绿色船用燃料等下游新兴领域的能源供给。另外，利用绿氢和二氧(yang)化碳合成绿色甲醇，也能实现氢能整体的全周(zhou)期近(jin)零排放。目前(qian)全球市(shi)场(chang)对绿色甲醇、绿氨(an)、生物柴油等绿色清洁液体燃料需求巨大，相关产业总产能有(you)待进一步提高，绿色清洁液体燃料前(qian)景广阔，有(you)望成为更具经济性的绿氢消纳利用新路径。
除了作为化工原料（如石油炼化、合成氨(an)、合成甲醇）和工业工艺(yi)气体（如钢铁、半导体行(xing)业还原剂）等传统使用方式(shi)外，绿氢还可以作为能源、燃料来使用。氢燃料电池(shi)是目前(qian)被广泛看(kan)好的氢能利用路线。氢燃料电池(shi)汽车具备零排放、零污染、无噪(zao)声、补充燃料快、续航能力(li)强等优(you)势(shi)。2022年北京冬奥会期间(jian)，超过1000辆氢能源汽车投入使用，并配备了30多个加氢站，这是迄今为止氢燃料电池(shi)汽车在全球最(zui)大规模(mo)的集中示范运营(ying)。
在新技(ji)术加持下，氢能交通工具可以实现风、光(guang)、水到氢再到水的“无碳物质闭环”，构成绿色发展(zhan)的一次次清洁能量循环。比(bi)如氢能源市(shi)域列车，以每(mei)天500公(gong)里里程计，每(mei)年大约可减少(shao)10余吨二氧(yang)化碳排放。未来，氢能大巴、氢能重卡、氢动力(li)船舶(bo)、氢动力(li)无人机等都(dou)可能出现，氢能交通工具也有(you)望与其他新能源交通工具一道，构筑城乡发展(zhan)的运力(li)网络。
展(zhan)望未来，在实现“双碳”目标的过程中，氢能源将在交通、工业、建筑、电力(li)、国防、航空航天等领域发挥更大作用。这需要科研工作者和一线企(qi)业共同努力(li)，开发氢能制取、储存、运输、利用等一系列新技(ji)术。时不我(wo)待，元素周(zhou)期表上的第一个名字，还有(you)许多奥秘(mi)等待我(wo)们去探索发现。
（作者为中国工程院院士、深圳大学特聘教授）
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《氢能：21世纪的绿色能源》：毛宗强编(bian)著；化学工业出版社出版。
《氢的传奇：人类的伟大发现》：约翰·里格登(deng)著，傅(fu)川宁译；外语教学与研究出版社出版。
《煤炭碳中和战略与技(ji)术路径》：谢和平、任世华、吴立新著；科学出版社出版。