氢经济（Hydrogen Economy）一词，为美国通用汽车公司（General Motors）于1970年发生第一次能源危机时所创，主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后，整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。但随后二十年间中东形势趋缓、原油价格下跌，石油依旧成为交通运输业的首要选择，因此对于氢经济发展的相关研究渐少。直到1990年代末期气候变化（全球变暖等）问题引起重视以后，氢能与氢经济又再度成为世界各国研究的热点。中国科学技术信息研究所刘娅、徐峰

　　一、对氢能利用的基本认识

　　氢经济指以氢为能源而驱动的经济，氢能的利用将渗透到经济生活的方方面面。为此，必须构建一个以氢为基础的能源体系，在该体系中应当包括氢的生产、存储、运输、转化应用等一系列环节。

　　传统的制氢技术包括烃类水蒸气重整制氢法、重油（或渣油）部分氧化重整制氢法和电解水法。目前，以生物制氢为代表的新制备方法也日益受到各国的关注，预计到21世纪中期将会实现工业化生产，利用工农业副产品制氢的技术也在发展。此外，利用其它方式分解水制备氢的技术也受到了广泛的重视，如热化学循环制氢、太阳能、地热能、核能等。

　　氢存储问题涉及到氢生产、运输、最终应用等所有环节。目前，氢的存储主要有三种方法：高压气态存储、低温液氢存储和储氢材料存储。氢的运输与氢的存储方式密切相关，存在着多种运输方式。氢的输运可以是气态、液态和氢化物的形式，无论哪种状态都可以使用管道和车辆进行运输。

　　氢能在化工、航空航天、交通运输、供热、供电等方面有着广泛的应用空间。氢主要有两种转化应用的方式，即可以以燃烧的形式在发动机中使用，也可以以化学作用的形式在燃料电池（Fuel Cell）中使用。表一列出了一些氢的转化与应用情况。

氢的转化与利用

　　以氢为能量载体的燃料电池主要有五种类型，分别为：碱性电解质燃料电池 (AFC)、质子交换膜燃料电池 (PEM-FC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池 (SOFC)，其区别主要在于电池中的电解质和工作温度不同。碱性电解质燃料电池和固体氧化物燃料电池目前主要应用在航天、潜水艇和军事方面，如美国阿波罗飞船、空间轨道站上用的都是碱性电解质燃料电池。但由于它们需要使用大量铂和工作条件苛刻，因此应用范围比较受限；磷酸燃料电池在大电站方面应用较多，如1991年美国的IFC、EPRI和DOC合作开发的11MW级PAFC发电装置现已并网发电；熔融碳酸盐燃料电池作为民用发电装置的前景受到广泛重视，如1997年由加拿大的Ballard公司与美国能源公司（ERC）共同建设的MCFC250kW电站；由于质子交换膜燃料电池属于低温型燃料电池，保温问题比较容易解决，而且起动所需要的暖机时间较短，采用固体膜做电解质降低了结构的复杂性，同时，当以纯氢做燃料时，质子交换膜燃料电池不需要去除杂质的辅助系统，使系统结构简化，上述优点使之成为目前研究最为活跃、进展最快、车上应用最多的燃料电池。

　　二、关于发展氢能与氢经济的不同看法

　　氢能与氢经济的迅速兴起，在给全世界带来巨大希望的同时，也引发了人们不同程度的担忧，关于氢与氢能经济的争辩也由此开始进而愈演愈烈。概括起来，这些争论主要反映在以下几个方面。

　　１、氢能发展与环境的关系

　　氢能由于具有以下主要特点而成为被许多国家看好的、替代化石燃料的未来型清洁能源（l）能量高。除核燃料外，氢的发热值是目前所有燃料中最高。（2）氢燃烧性能好，点燃快。（3）氢本身无色、无臭、无毒，十分纯净，它自身燃烧后只生成水和少量的氮化氢，而不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和颗粒尘粉等对人体有害的污染物质，少量的氮化氢稍加处理后也不会污染环境，而且它燃烧后所生成的水，还可继续制氢，反复循环使用。（4）利用形式多，可以以气态、液态或固态金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

　　虽然氢能源被广泛认为是将要取代化石能源的一种清洁能源，但以英国华威大学经济学家安德鲁.奥斯沃尔德、伦敦政策研究所能源经济学家保尔.埃金斯等学者为代表的部分研究人员却认为，现在的氢不是免费的午餐，它并不是清洁、绿色的燃料。目前所提出的氢制取生产线路都面临着这种进退维谷的局面：人类不得不研发另外一种新技术来处理生产新能量所带来的后果。例如，人们主要通过甲烷来获得氢气，但这种方法在产生氢气的过程却向大气排放了二氧化碳；采用电解水的方式获得氢需要大量的电力供应，现在大量的电力仍然出自消耗化石燃料的发电厂；利用可再生能源制氢方面的前景目前也并不乐观；此外，众多国家的政治家对核能源的建设采取了十分谨慎甚至禁止的态度，因此利用核能来生产氢在短期内也不是很容易能够实现。

　　此外，美国加州理工学院的T. K. Tromp等研究人员发现，如果氢燃料完全取代煤、石油、天然气等化 石燃料，预计将有10%～20%的氢会渗漏进入大气平流层。它们随后被氧化成水，并导致平流层温度降低，扰乱形成臭氧的化学过程，进而在北极和南极地区造成更大的、持续时间更长的臭氧空洞。而地球臭氧层的损耗会直接影响它对太阳紫外线的阻挡作用。鉴于此，德国化学家协会成员于尔根.梅茨格呼吁，每项新技术都可能包含危及环境的因素，因此引入技术前，必须进行全面试验。人类应该投入最好的模型工具，以检测其效果。

　　但也有国际社会多位专家对T. K. Tromp等人的研究持怀疑态度。国际氢能协会会长、美国迈阿密大学清洁能源研究所的内扎特.韦齐尔奥卢说：“（氢的）泄漏可能比他们认为的要小得多。” 中国太阳能学会氢能专委会主任、清华大学的毛宗强教授对T. K. Tromp等人的研究也表示了自己的质疑，他认为T. K. Tromp等人研究的数学模型有缺陷，并且即便在其假设前提下，研究得出的结论也是较为片面的。

　　２、氢能的利用效率

　　目前对氢能效率普遍看法是其能量高。因为除核燃料外，氢的燃烧热值在所有的矿物燃料、生物燃料、化工燃料中名居榜首，每千克高达28,900千卡，是汽油热值的3倍。

　　但美国生命周期环境评估研究所2004年 8月的一份评估报告认为，作为一种能量载体，氢运送最终能源的效率只相当于电力的一半。报告的有关数据显示，利用氢传送能量，能源量损耗率达到54.55%，只有45.55%原始能量被保留下来；而利用电力运送能量，能量损耗率仅为8%，会保留92%的原始能量。从能量储备的角度指出，氢储备能量后再释放能量的效率，即储能回报率也不及其他能源载体。氢储能回报率为47%，而先进的电池储能回报率为75～85%。报告还认为，即使氢作为清洁的车辆燃料，与直接使用电力驱动的电动车辆相比，能源效率也并不高。充电的电动汽车要比氢燃料电池汽车多跑一倍的路程。此外，先进的电池技术将有效地提高未来电动汽车的性能。

　　但美国洛矶山研究所物理学家阿默利.罗文士认为，在竞争激烈的电力市场，将氢作为电的存储介质可能会取得很好的经济效果。用电分离水来制造和存储氢，再将它重新转化到燃料电池的电能，这个循环的整体效率的确相对比较低，大约为45%（因为有25%的电解剂损耗和40%的燃料电池损耗，再加上重新利用废热用于空调或水暖所回收的效率。但这并不意味这种方法就没有经济意义，原因在于它使用来自发电机组本身负载的电能（或者一个联合循环电机组将其燃料的50～60%转化为电能）来取代非常低效的峰值功率机组（一个单循环燃气涡轮或引擎发电机通常只有15～20%的效率）。因此，当一年最高50～150小时的峰值功率的成本为 600～900美元/兆瓦时时，一般为基本载荷功率成本（约20美元/兆瓦时）的30～40倍，储存经济性就值得进行讨论。分布式发电不仅提供能量和峰值容量，还提供辅助设施和延缓电网升级。氢能存储能够使公共事业系统更加灵活，允许间歇性地使用像风力发电这样间歇性的电力来源，从而为发电厂节省燃料。在所有分布式利益计算在内后，峰值存储氢就会变得很有价值，尤其对于传送受到限制的城市（例如，洛杉矶、旧金山、芝加哥、纽约市和长岛）。这种应用能够节约超过4,000美元/千瓦的资金成本。氢大规模存储另一个很有吸引力的优点就是，像在新西兰或巴西等国家，水利发电系统存储时间太短（新西兰为十二周）而不能预防干旱，但那些国家的雪融水或雨季却提供了廉价、过剩的水电，这时，就可以用氢存储水电，甚至将氢存储在废弃油田中。

　　３、氢安全性

　　氢在使用和储运中是否安全可靠，是人们普遍关注的安全问题。一部分观点认为，氢的独特物理性质决定了其不同于其它燃料的安全性问题，如更宽的着火范围、更低的着火能、更容易泄漏、更高的火焰传播速度、更容易爆炸等。

　　20世纪80年代末，德国、英国和日本三国的三个大汽车公司，对氢能汽车对于氢燃料的使用作过试验，并进行了评估。三家公司一致认为，氢能燃料和汽油一样安全。即使撞车起火燃烧，至多也不过发出一阵冲天大火，很快就烧完火灭。但也存在三个问题：一是由于氢气太轻，单位能量体积太大，达390升/千卡，是石油的4,000倍，即使用液态氢，体积仍然很大，占车内空间太多。二是氢燃料“逃逸”率高，即使是用真空密封燃料箱，也以每24小时2%的速率“逃逸”；而汽油的一般是每个月才1%。三是加氢燃料比较危险，也很费时，一般需要1个小时，而且液氢温度太低，只要一滴掉在手上就会发生严重冻伤。

　　对氢的安全性问题，物理学家阿默利.罗文士认为，氢能产业经历了半个多世纪，有令人羡慕的安全记录。任何燃料都有危害，并需要正确处理。但氢的危害不同，通常，它比那些碳氢化合物燃料更易处置。它非常轻，空气的重量是它的14.4倍，（天然气仅比空气轻1.7倍）。氢的扩散性比天然气高四倍，比汽油蒸汽的挥发性高十二倍，因此，氢泄漏发生后会很快从现场散发。如果点燃，氢会很快产生不发光的火焰，在一定距离外不易对人造成伤害，散发的辐射热仅及碳氢化合物的十分之一，燃烧时比汽油温度低7%。虽然氢爆炸的可能性比上限高出四倍，但引爆需要至少两倍于天然气的氢混合物。氢易燃，着火所需能量是天然气的十四分之一，但是这也视情况而定，因为天然气可能由静电产生的火花点燃。但是和天然气不同，即使在建筑物中，氢泄漏遇到火源更可能是燃烧而不是爆炸。因为氢燃烧的浓度大大低于爆炸底限，而着火所需要的最小浓度比汽油蒸汽高四倍。简言之，极大多数情况下，如果点燃的话，氢气泄漏只会造成燃烧，而不会爆炸。

　　４、成本费用

　　对于氢经济发展所需要付出的经济成本，各方也看法不一。一部分观点认为，发展氢能与氢经济需要大规模建设氢能源的生产、销售和运输等基础设施，这是不现实的，而且成本太高——可能要花数千亿元。目前氢能的生产成本是汽油的4～6倍，其运输、存储、转化过程的成本也都较化石能源高。仅以汽车为例，消费者希望氢能体系要提供至少与目前化石体系相当水平的服务，要求燃料补充站点密布，每补充一次燃料汽车可行驶300～400英里，一次燃料补充可在3～5分钟内完成，价格也与汽油相当，而现在的氢能体系还远远不能满足上述要求。因此，目前从价格到服务，氢能都无法与化石能源竞争。另外，使用氢能的设备价格昂贵。日本丰田公司开发的氢能燃料电池小轿车每月的租金是9,000～10,000美元。美国能源部燃料电池研究小组的前负责人帕特里克.戴维斯认为：“以今天的燃料电池技术，即使我们把氢燃料电池车的产量提高到每年50万辆的规模，每辆车的成本还是要比烧汽油的车高出6倍还多。”质子交换膜燃料电池是最具发展前景的燃料电池。它具有可室温快速启动、无电解液流失、易排水、寿命长、比功率与比能量高等优点，特别适合作可移动动力源，也可以建成分布式电站和家庭动力源。但是，要实现质子交换膜燃料电池的商业化，必须大幅度降低其成本。例如，德国的戴姆勒一克莱斯勒公司拟于2004年投放市场的 Mercedes—Benz A级燃料电池汽车的售价仍高达 18,100美元/辆。再者，众多环境保护论者担心氢能经济需建造许多新的燃煤发电厂和核电厂（或核聚变站），从而引发更多环境问题。

　　物理学家阿默利.罗文士对此问题的看法是，新的核电厂的送电成本将是新型风力发电厂的2～3倍，工业和城市中的新型燃气发电设备的5～10倍，高效发电方式的10～30倍，因此无论是否过渡到氢能，市场经济都不可能选择核能。并且，如果集中式氢能生产的确证明了其竞争力或必要性，那么现有的输送管道一般会转用于输送氢能。例如，通过增加高分子聚合物衬垫（与现在使用的过滤污水和下水的管道类似），再加上氢封闭（hydrogen-blocking）金属光泽涂层或衬垫（类似于用于合成氢存储罐）然后使用压缩转化。即使在初期，现有的管道不做修改也可以安全输送混合氢烷（“Hythane”），即把一部分氢气添加到天然气中进行输送，然后燃料电池用户再用一种特殊的隔膜来分离两种气体（荷兰天然气巨头气体联合公司（Gasunie）和欧洲62个会员团体正在研究这些项目）。一些新设的管道已经配备了为输送氢能所需的合金、阀门和密封塞。其它新建管道未来可以兼容输送氢气，例如，日本正在筹建中的西伯利亚—中国—日本天然气大型管道，而且这也不会增加额外的成本。氢的冶金学问题也可以通过使用低碳合金、保持中等、稳定压力来解决，如果需要增加强度的话，还可以在外部增加合成物包装。转换天然气管道用于输送氢气，并不存在预想的特殊安全问题；目前已经有一个超度为200英里的原油输送管道被用提供氢能服务。一些制造输氢管道的新方法，如合成物拉挤成型法，也很有应用前景。就天然气配送管道来说，许多原有的系统也已经大部分或完全兼容氢输送。全世界许多主要城市都建有这样的管道，最初它们是为传输民用燃气（合成煤气体积约50～60%为氢气）到普通家庭所建立的，现在在中国和南非的部分城市仍然有这样的管道。

　　在供燃料电池使用的纯氢气研究方面目前又有了一些新的进展。美国能源部曾在其氢能规划中要求燃料电池所需纯度为99.999%。但在2003年中期，能源部将目标改为到2010年以每公斤1.50美元的价格向用户出售氢燃料。一些权威消息也认为，99.9%的纯度已足可供标准汽车燃料电池使用；日本汽车制造商按其国家工业标准要求所设计的纯度仅为98.5%。因此，目标的降低以及研究人员目前不断报告的技术进步极有可能在不远的将来使重整技术在适量生产的条件下达到与批发汽油竞争的水平。

　　三、结束语

　　虽然氢能和氢经济为未来人类解决能源短缺问题描绘了令人振奋的前景，但要使这幅蓝图真正成为现实的确还面临着诸多问题需要科学家、研究人员和政府部门等来共同回答。地球上的氢元素虽然十分丰富，但自然界中很少有游离态的氢存在，必须从水、化石燃料等化合物中制备，制备氢需要耗费大量的能量。另外，氢是最轻的元素且易燃，如何安全使用氢也是人类必须考虑的问题。因此，要想使氢像如今“碳氢经济”时代一样，取代化石燃料成为全球经济发展的能源载体，构筑新的“氢经济”，还需要在氢能的生产、存储、运输、利用等方面取得真正的突破。