作为能源，氢的优势十分突出。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一种——水。来源丰富，能量密度高，清洁无污染，集三重优势于一身，在倡导绿色发展的今天，氢能源的开发与利用受到前所未有的重视。

近年来，我国氢能技术及产业快速发展：首列氢能源市域列车完成达速试跑，海水直接制氢技术在福建海试成功，《氢能产业发展中长期规划（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，为经济社会发展注入强劲动力，也成为深受关注的科技话题。

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来看，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，把氢中的能量转换成光能，源源不断地送达地球，驱动地球上的物质循环与能量循环，孕育了地球上的生命。而我们日常生产生活中用到的氢能，主要是氢和氧进行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，所以人类无法像勘探开采石油和煤炭那样轻易找到“氢矿”，而要通过科技手段来制取氢气。19世纪后，氢燃料动力火箭把人类带入瑰丽的太空，氢燃料电池技术的出现则让“氢—电”直接转换成为可能。直到今天，科学家仍在努力将地球上的太阳能、风能、海洋能等可再生能源，再度转化为氢这一清洁、高密度的能源形式。

氢能是“多彩”的。根据不同制取方式，氢能可分为绿氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金氢等。其中，灰氢来自煤炭制氢、天然气制氢、工业副产氢气，属于直接制氢，成本较低，但需要消耗煤、天然气等化石能源，会产生大量二氧化碳。目前，灰氢产量约占全球氢气产量的九成以上。蓝氢则是在灰氢基础上，将制备过程中排放的二氧化碳副产品捕获、利用和封存，更加环保。紫氢是利用核能进行大规模电解水制氢。近年来，地质学家还发现了金氢，它由地下水与地下橄榄石（一种呈绿色的镁铁硅酸盐）等矿物相互作用，使水被还原为氧气和氢气。在这一过程中，氧气与矿物中的铁结合，氢气则逃逸到周围的岩石中，并利用地下矿石的石化过程不断再生氢气。金氢因其地质储藏勘测和开采难度极大，目前尚未得到充分开发利用。

最为重要的绿氢，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，以电解水方式制取氢气。绿氢在制取过程中基本不产生温室气体，是目前氢能发展的主要趋势。放眼世界，绿氢成为各国清洁能源转型的重要一环，不少国家出台了相关政策，鼓励建设大规模绿氢供应链。2023年8月，我国首个万吨级光伏发电直接制绿氢项目——新疆库车绿氢示范项目全面建成投产，每年可生产2万吨绿氢，减少二氧化碳排放约48.5万吨。

创新“开采”方式，向海洋要氢

进入21世纪，氢能应用场景更加广泛。从汽车到船舶，从工厂到家庭，氢能出现在社会生产生活各个方面，不少大型城市开始兴建加氢站等基础设施，氢能源技术与产业得到大规模推广。中国作为氢能生产大国和使用大国，有力推动氢能发展。在交通领域，2022年我国氢能源汽车保有量首次突破万辆，预计到2025年有望增至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，绿氢主要通过电解水来制取，成本的80%来自电解过程的能耗。根据工作原理、温度以及所用电解池材料的不同，电解水制氢可分为碱性电解水、质子交换膜电解水、高温固体氧化物电解水3类。碱性电解水技术成熟度较高，具有成本优势，是现有大规模绿氢工程项目的主要方案。质子交换膜电解水技术效率高于碱性电解水，系统集成简单，但需要使用贵金属铂、铱等作为催化剂，目前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电极制备技术的发展提升性价比。高温固体氧化物电解水技术，则是在500—800摄氏度高温下，将电能和热能转化为化学能（氢能），氢气被高效地分离出来，被认为是理论效率最高的电解水制氢技术。综合来看，发展新型电解质材料、提高关键材料寿命、优化工作温度成为电解制氢技术的发展方向。

新的制取方式也在开发中。其中，海水直接电解制氢技术和海上风电技术备受关注。未来绿氢的大规模生产，与风能、太阳能等可再生能源相耦合是关键。特别是在海上风电发展迅速，海水资源颇为丰富（地球水资源总量的97%）的背景下，利用海水直接电解制氢技术和海上风电技术向海洋要氢，成为绿氢制取的重要方向。这就像在大海上建起一座座“氢矿”，产出的绿氢可直接通过海上油气管道等进行远距离运输，提供了大量氢能。

实现海水直接制氢的设想，要迈过不少技术门槛。电解海水制取氢有两种方式：一是淡化海水至纯水再制氢，技术复杂、成本高，难以规；；二是海水直接电解制氢，难点在于海水成分复杂，对设备中的催化剂、电极、隔膜要求很高。经过长期攻关，我们尝试用物理力学方法，在一种透气不透水的“膜”作用下，把海水里的水汽“抽”出来，隔绝海水中的杂质离子，从而使水汽成为电解制氢用的“纯水”，向电解液补水。2022年11月，这一成果发表在《自然》杂志，后被科技部评为2022年中国科学十大进展之一。未来，海水直接制氢有望开辟氢能源技术和产业化新赛道。

储用结合，丰富利用手段

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达各类应用场景并创新氢能利用方式。储存和运输，始终是人类能源利用的技术课题。氢气密度小、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，科学家们正尝试将氢转化为易储易运的氨或甲醇，进而实现绿氢大规模应用。比如，以经典的哈伯—博施工艺借助氮气及氢气制取氨气，或利用新兴的电化学常压低能耗合成氨技术，实现“氢氨融合”，丰富了化肥、工业等传统用氨行业及绿氨掺混发电、绿色船用燃料等下游新兴领域的能源供给。另外，利用绿氢和二氧化碳合成绿色甲醇，也能实现氢能整体的全周期近零排放。目前全球市场对绿色甲醇、绿氨、生物柴油等绿色清洁液体燃料需求巨大，相关产业总产能有待进一步提高，绿色清洁液体燃料前景广阔，有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、合成甲醇）和工业工艺气体（如钢铁、半导体行业还原剂）等传统使用方式外，绿氢还可以作为能源、燃料来使用。氢燃料电池是目前被广泛看好的氢能利用路线。氢燃料电池汽车具备零排放、零污染、无噪声、补充燃料快、续航能力强等优势。2022年北京冬奥会期间，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汽车在全球最大规模的集中示范运营。

在新技术加持下，氢能交通工具可以实现风、光、水到氢再到水的“无碳物质闭环”，构成绿色发展的一次次清洁能量循环。比如氢能源市域列车，以每天500公里里程计，每年大约可减少10余吨二氧化碳排放。未来，氢能大巴、氢能重卡、氢动力船舶、氢动力无人机等都可能出现，氢能交通工具也有望与其他新能源交通工具一道，构筑城乡发展的运力网络。

展望未来，在实现“双碳”目标的过程中，氢能源将在交通、工业、建筑、电力、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业共同努力，开发氢能制取、储存、运输、利用等一系列新技术。时不我待，元素周期表上的第一个名字，还有许多奥秘等待我们去探索发现。