出品：科普中國

作者：暖暖（中國科學院大連化學物理研究所）

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

在兩個月前的冬奧會開幕式上，以“微火”形態(tài)呈現(xiàn)的火炬成為許多人腦海中經(jīng)典瞬間，而這一瞬間的“幕后推手”，正是氫燃料。同樣，冬奧會上的接力火炬使用的也是氫燃料，實現(xiàn)了冬奧會歷史上火炬燃燒零碳排放。據(jù)北京冬奧組委會公布的數(shù)據(jù)，1000多輛氫燃料汽車和配備的30多個加氫站進行了示范運營，落實貫徹“綠色辦奧”理念。

燃燒過程不排放二氧化碳，氫燃料是如何做到的？這么好的能源，又為什么現(xiàn)在才使用？關(guān)于氫能的問題有很多，讓我們一起一探究竟吧。

氫的概念：未來可期的二次能源

氫，化學元素符號為H，在元素周期表中位于第一位，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大約占據(jù)宇宙質(zhì)量的75%。在地球上，自然條件形成的單質(zhì)相對罕見，因此，氫能作為一種二次能源，與煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)的化石能源不同，難以直接從自然界獲取。既然如此，氫能為何又成為了燃料呢？

這是因為氫的熱值很高（120.0MJ/kg），是同質(zhì)量焦炭、汽油等化石燃料熱值的2–4倍，也就是說燃燒相同質(zhì)量的燃料時，氫所產(chǎn)生的熱量是焦炭、汽油等化石燃料的2–4倍；同時氫能具有能量密度高、存儲形式多樣的特點，可以調(diào)配太陽能、風能等作為能源載體。

最重要的一點是，氫氣僅僅含有氫元素，因此燃燒的產(chǎn)物中只有水，而傳統(tǒng)的化石燃料因為含有碳元素，所以燃燒時會產(chǎn)生大量的二氧化碳。因此氫氣作為燃料可以徹底實現(xiàn)零碳排放，在“綠色環(huán)?！狈矫嬉饬x重大，被視為 21 世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色二次能源。

據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，到2050年，氫能將承擔全球18%的能源終端需求，創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價值。以上種種，足以見得氫能的重要性。

（圖片來源：Veer圖庫）

盡管氫能作為燃料有著如此豐富的優(yōu)勢，但關(guān)于它的開發(fā)和利用，卻又充滿著諸多挑戰(zhàn)。氫能的開發(fā)和利用，可以分為制取、儲運和終端使用三個環(huán)節(jié)。需要每個環(huán)節(jié)同時進步，戰(zhàn)勝各自的技術(shù)壁壘，才能實現(xiàn)氫氣的最終利用。

氫的制?。骸盎宜{綠”是指顏色嗎？

雖然氫能是綠色能源，但氫的制取過程卻并非完全零碳排。氫能按照其制取方式，可分為灰氫、藍氫、綠氫三種。

灰氫，是通過化石燃料（石油、天然氣、煤炭）燃燒產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過程中會有二氧化碳的排放?；覛涞纳a(chǎn)成本較低，制氫技術(shù)也較為簡單，目前，市面上絕大多數(shù)氫氣是灰氫，約占當今全球氫氣產(chǎn)量的95％左右。

藍氫，是天然氣制氫，在產(chǎn)生溫室氣體的同時，會使用碳捕捉、利用與封存（CCUS）等技術(shù)，對溫室氣體進行捕獲，從而實現(xiàn)低碳排放生產(chǎn)。

綠氫，是通過再生能源（太陽能、風能、核能等）制造的氫氣，比如通過可再生能源發(fā)電進行電解水制氫。在這一過程中，完全沒有碳排放，也是制氫的終極目標，但由于目前技術(shù)限制，制綠氫成本較高，距離大規(guī)模應(yīng)用仍需時間。

（圖片來源：Veer圖庫）

氫的儲運：這是個技術(shù)活兒

氫氣易燃、易爆，在空氣中的體積濃度在4.0%～75.6%之間時，遇火源就會爆炸。同時，氫氣本身活躍性較高，容易和鋼材發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象，導(dǎo)致儲運裝置材料力學性能下降、塑性下降，出現(xiàn)開裂或損傷的情況。氫能的運輸通常根據(jù)儲氫狀態(tài)的不同和運輸量的不同有所調(diào)整，主要有氣氫、液氫和固氫輸送3種方式。

那么，在確保安全的前提下，提高儲氫容量、降低成本、提高易取用性就是儲運技術(shù)的重點。儲氫技術(shù)可分為物理儲氫、化學儲氫兩大類。

（圖片來源：Veer圖庫）

（1）物理儲氫

物理儲氫主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、物理吸附儲氫以及地下儲氫等方式。

高壓氣態(tài)儲氫是將氫氣壓縮儲存在高壓瓶當中。這種方式可在常溫操作，充放氫速度快，技術(shù)相對成熟。

低溫液態(tài)儲氫是將氫氣在低溫高壓條件下液化后儲存在容器中，具有儲存容器體積小的優(yōu)點。但這一方法需要容器保持低溫絕熱真空，對于技術(shù)也是個不小的挑戰(zhàn)。

吸附儲氫是通過分子間作用力，以物理吸附將氫氣儲存在大比表面的材料中。

地下儲氫與傳統(tǒng)氣瓶儲氫相比是在地下鹽層中挖出一個“容器”來儲氫，與風光儲一體化項目結(jié)合，可以充分利用地下空間，有效儲存氫氣。

（圖片來源：Veer圖庫）

(2)化學儲氫

化學儲氫通過利用儲存介質(zhì)與氫氣結(jié)合為穩(wěn)定化合物的方式實現(xiàn)氫儲存，用氫時，再通過加熱或其他方式使化合物分解放氫，同時回收儲存介質(zhì)。

氫的終端使用：用在電池上效果杠杠

當我們足夠了解氫的制取與儲存之后，關(guān)于氫能的利用也被科學家提上了日程。目前氫燃料電池是氫能較為常見的終端應(yīng)用。早在20世紀60年代，氫燃料電池就已被應(yīng)用于航空航天，進入70年代后，隨著技術(shù)的進步和成本的不斷降低，氫燃料電池逐漸應(yīng)用于各大領(lǐng)域，包括發(fā)電、汽車、船舶和無人機等。

（圖片來源：Veer圖庫）

（圖片來源：Veer圖庫）

冬奧會上氫能成為“主角”能源的場景，不僅是面向全社會的宣傳推廣，更是我國向世界展現(xiàn)出能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，踐行碳達峰、碳中和承諾的決心與能力。氫能發(fā)展道阻且長，行則將至，讓我們共同期待“氫自由”的那一天。

參考文獻：

[1] 中國氫能聯(lián)盟. 中國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)手冊[R],2021

[2] Chen, P., et al., Interaction of hydrogen with metal nitrides and imides. Nature, 2002, 420(6913), 302-304.

[3] 付盼.氫氣地下存儲技術(shù)現(xiàn)狀及難點研究[J]. 中國井礦鹽, 2020, 51(6):5.

[4]邵志剛,衣寶廉.氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望.中國科學院院刊,2019,34(04),469.

[5] 程一步,氫燃料電池發(fā)展技術(shù)及趨勢分析.石油石化綠色低碳,2018,3(02),5.

[6] Hydrogen Storage Technology: Materials and Applications, CRC Press, 2012