这么好用的氢能，我们还要等多久（院士讲科普·未来产业）

来源：人民日报

氢能是“十五五”规划纲要提出的未来发展重点领域之一。氢既是重要的工业原料，也是具备大规模、长周期、跨季节储能能力重要介质，还可以在电能、热能和化学能之间灵活转换，是连接可再生能源与工业、交通、建筑等终端用能领域的重要载体。本期“院士讲科普”，邀请中国科学院院士马丁、中国工程院院士丁文江、中国工程院院士谢和平，深入解读氢气制备、储运和应用的全过程，解读氢能在能源绿色低碳转型和未来产业培育中的重要意义。

——编 者

绿色制氢，夯实氢能产业地基

马 丁

制氢处于氢能产业链源头。加快绿色制氢科技创新，是培育氢能产业的基础性工作。发展绿氢，可以为可再生能源跨区域、跨周期利用开辟新的路径，使氢能在能源体系中发挥“缓冲器”作用，也有助于把国内资源优势转化为更加稳定、便于调配的能源和工业原料，增强能源供应体系韧性。

要实现这一目标，首先要解决氢气的绿色来源问题。我国是氢气生产和消费大国，已经形成较完整的产业基础。但现有氢源仍以煤炭、天然气等化石资源制氢为主，碳排放压力较大。近年来，可再生能源制氢项目加快布局，电解水制氢装备制造能力不断提升，但绿氢在整体供给中的比重仍然有限，部分项目还面临资源地与消费地相距较远、利用水平不高、下游需求不足等难点。

制氢技术路线多元，需要根据资源条件和应用场景科学选择。煤制氢、天然气制氢技术成熟，现阶段仍承担主要供给任务，应持续提高能源利用效率、降低过程排放，具备条件的可探索与碳捕集利用和封存技术协同。可再生能源电解水制氢是绿色制氢的重点方向。我国碱性电解装备已具备较好的产业基础，下一步需要提高在风光电力波动工况下的运行效率和稳定性。质子交换膜电解水制氢动态响应较快，在与风光电力耦合方面具有优势，但对贵金属和关键材料的依赖性较强。太阳能直接制氢、热化学循环和生物制氢等前沿路线，仍面临转化效率、材料稳定性和规模制造等方面的问题，需要保持稳定投入和战略耐心。沿海地区还可依托海上风电，稳妥探索海上制氢、制氨、制醇等一体化利用。

绿色制氢走向规模应用，离不开基础研究突破。近年来，我们从金属—载体催化界面调控入手，探索解决制氢催化剂活性与稳定性难以兼顾的问题。在甲醇—水重整制氢中，通过纳米覆盖层保护关键界面，实现低贵金属用量下的长期稳定运行；在生物乙醇制氢中，通过调控催化界面改变反应路径，在制取氢气的同时联产乙酸，使原料中的碳更多转化为有用化学品。这些研究说明，绿色制氢不能只关注单项性能，还要统筹长期稳定性、资源利用效率和全过程减排，从反应源头探索更加高效、低碳的技术路径。

未来5至10年，是绿色制氢由示范验证向规模应用迈进的关键时期。首先要提高制氢系统在波动工况下的效率、寿命和安全性，加强基础研究、中试验证和工程示范的衔接，使新技术经受真实工况和长期运行检验。还应以炼化、合成氨、甲醇等现有需求为牵引，稳步拓展氢冶金等应用，推动绿电、绿氢与下游产业协同布局。

绿色制氢是一项需要长期积累的系统工程，只有坚持科学论证、因地制宜、稳妥推进，才能把科技创新优势转化为产业发展优势。绿色制氢的中国方案，应立足我国资源禀赋和产业基础，贯通原始创新、装备制造与应用需求。要发挥可再生能源和制造体系优势，补齐关键材料、核心部件和系统集成短板，推动成熟技术持续降本增效，同时为基础研究和前沿探索保持稳定投入。

（作者为中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授，本报记者吴丹整理）

固态储氢，把氢气“锁”进镁合金

丁文江

氢气烧完只“留下”水，从环保角度讲是绝佳的清洁能源。但它有致命弱点——氢气在常温下密度很低，同等能量体积是汽油的2700多倍；遇明火容易发生爆炸，防爆要求格外严格。

如何储运氢气、用好氢气？目前有两条主流路径：用200—300个标准大气压把氢气“压进”钢瓶里，一辆49吨长管拖车满载才能运输250—300公斤氢气，效率低且有泄漏、燃爆风险；低温液态储氢须降至零下253摄氏度，能耗高、绝热密封难。储运环节往往吃掉氢能产业链总成本的30%—50%，是氢气大规模应用的瓶颈。

近年来，我们从镁合金上找到了固态储氢这条路。镁基固态储氢材料储氢，像海绵吸水。把氢气“吃”进镁合金内部的晶格间隙，变成稳定的氢化镁，把氢气“锁”在里面，常温常压就能安安稳稳待着，不用高压和低温。需要时稍微加热，镁合金再把氢气慢慢“吐”出来，这个过程可以反复循环。我们研发的镁基储氢材料，实测吸氢量超过6.8%，循环寿命突破3000次；更重要的是，这种固态储氢方式安全有保证，罐体即便磕碰破损，氢气只会缓慢逸出，不会像高压气瓶那样瞬间喷射爆炸。

我国发展镁基固态储氢具有得天独厚的优势。镁主要来自镁矿冶炼，我国镁矿、盐湖镁等综合储量占全球70%以上，原镁产量占全球90%左右，在镁材料的制备上，资源完全自主可控。但是镁材料是有“性格”的，它活泼易氧化，吸放氢气时伴随着体积膨胀，曾被认为无法工程化。我们团队通过多元合金化降反应温度、设计多孔块体缓冲胀缩、建立氢—热耦合模型优化能源效率等路径，一步步将镁基储氢从实验室推向工程应用。镁基固态储运氢技术，我国已处于国际领先水平。

当然，氢气固态储运尚未达到随意铺开的程度。镁—氢键较强，理想放氢温区仍在300摄氏度上下，虽然经合金化已大幅降低操作温区，但随车快速启停场景下紧凑高效供热撤热、系统轻量化仍有待突破。现阶段更适合固定储能、远距运氢、加氢站缓存，直接装车有待进一步减重。此外，产业链上游需配套风光电解水制“绿氢”才能实现真正的零碳，加氢站、标准规范、安全认证也要同步跟上。

“双碳”目标下，绿氢制取、固态储运、多元应用是能源转型的重要抓手。我国镁资源禀赋、材料积累和装备制造三者叠加，有条件把镁基固态储氢做成有自主知识产权的优势产业。镁基储氢从想法到样机花了20多年，从样机到产业还要再走一程。把最轻的氢气“锁进”镁金属里，把清洁能源高效安全送达千家万户，是我们的梦想。

（作者为中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任，本报记者黄晓慧采访整理）

海里“挖”氢，丰富全链条应用场景

谢和平

工业领域是绿氢率先实现规模化应用的主阵地。在钢铁工业中，氢可替代焦炭作为还原剂，推动冶炼工艺低碳化。在交通领域，氢燃料电池在长续航、高载重和快速补能场景中具有独特优势，可重点用于重型货车、城市公交、物流配送，并逐步拓展到船舶和航空器。低空经济也为氢能开辟了新空间，氢动力无人机续航时间长、补能快，可广泛应用于海洋巡检、电网巡线、应急救援等任务。在能源系统中，氢能可以与风电、光伏协同运行，实现大规模、长周期乃至跨季节储能，增强新型电力系统的调节能力。在微电网中，氢燃料电池还可提供热电联供，作为数据中心、医院等重要场所的备用电源。

大规模发展绿氢，需要同时解决绿色电力和淡水资源问题。我国部分风能、太阳能资源富集地区淡水资源相对紧张，而海洋拥有地球约97%的水资源，也汇聚了丰富的海上风能、太阳能等可再生能源。可以说，海洋是全球最大的“氢矿”，海水直接制氢有望把取之不尽的海水资源转化为绿色能源。然而，海水直接制氢并不容易。海水成分非常复杂，直接电解面临析氯副反应、催化剂失活、电解槽腐蚀等难点。现有的海水制氢方法，很难从根本上“抵抗”海水复杂成分导致的毒性和腐蚀性，更无法支撑真实海洋环境下的长时间稳定运行。

我们团队另辟蹊径，将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应相结合，创新提出了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢原理技术——通过选择性相分离界面，仅允许水分子通过，盐离子和杂质被彻底阻隔，实现了无须淡化、无须额外能耗地将海水当纯净水一样直接电解制氢。这一原创技术在真实海水中实现了超过3200小时稳定运行，相关成果发表于《自然》，并在福建兴化湾成功实现了全球首个海上风电海水无淡化原位直接电解制氢海试。现在正进一步将真实海洋环境多因素耦合作用纳入海水直接电解制氢的工程技术示范体系。

随着海水原位直接电解制氢技术的发展，未来有望实现在大海“就地发电、就地取水、就地制氢”的一体化模式。在深远海，海上风电、光伏和海水直接制氢可以构成多能互补系统。制取的氢气既可通过管道或船舶输送到陆地，也可原位转化为氨、甲醇等更便于储运的产品，还可直接为海上平台、远洋船舶、邮轮与海岛供能。由此形成的“海上新能源—海水制氢—氢基燃料”全链条体系，不仅能够减少远距离输电压力，还可能催生从海上新能源开发、海水制氢到氢基燃料生产和运输的完整产业链，拓展海洋能源开发空间。

随着海洋开发不断向深远海延伸，海基氢动力无人机还可依托风电平台和海上制氢设施形成网络化作业节点，开展高频次、自动化的设备巡检、海事监管、环境监测和搜救任务。这种能源供给与低空装备协同发展的模式，有望降低传统船舶长距离往返的时间和成本，提升深远海基础设施运行维护与突发事件响应能力。

相信通过基础研究、装备制造和应用场景协同创新，我国将不断完善从海水直接制氢到氢基燃料利用的完整产业链，为保障国家能源安全、推动绿色低碳转型和构建新型能源体系提供有力战略支撑。

（作者为中国工程院院士、四川大学学术委员会主任，本报记者宋豪新采访整理）