作为一种绿色的交通工具，纯电动新能源汽车在近几年来得到了快速普及，它相对燃油汽车来说比较环保和节能。然而，纯电动汽车存在续航、充电效率与用户需求不匹配的情况。尽管新能源汽车的续航里程在不断增长，但是官方公布的数据大多仅能在理想工况下实现，实际续航里程还要打个折扣。

若以氢能作为动力能源用于汽车中，在未来将能够实现充氢五分钟续航两千里。氢是一种具有前景的新型能源，具有燃烧热值高的特点，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物仅为水，是世界上最清洁的能源。氢的资源丰富，来源广泛，地球上的水中就有相当多的氢，宇宙中超过90%的原子均为氢[1]。综合来看，氢能（H2）可储存、可再生、热值高、清洁无污染，是同时满足资源、环境、可持续发展要求的新能源之一，有望从根本上解决能源安全问题。目前，由于制氢、储氢、用氢等各环节仍存在挑战，氢能尚未得到广泛普及，本文将从这几个方面对氢能做简要介绍和并展望其未来发展方向。

碱性水电解在低温（60-80℃）下进行，以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液（浓度约20%-40%）为电解质，通常使用解吸法去除生成气体中的碱雾。碱性电解槽的最大工作电流密度小于400mA/cm2，功耗约为4.5–5.5 kWh/Nm3，效率约为60%。此外，碱性电解槽不能快速启动，并且加载响应缓慢。因此碱性电解槽通常在稳定的功率输入下使用。

质子交换膜电解

质子交换膜电解制氢使用质子交换膜作为隔膜，质子在膜中传导。由于生成的气体中不含碱雾，PEM电解槽更加环保。此外，该电解槽还有快速响应、高产氢效率、设计紧凑合高输出气体压力的优点，所以为非常有前景的制氢技术。但是，质子交换膜电解技术采用的贵金属电催化剂提高了电解成本。如果能改进电极材料，则可实现低成本制氢。

固态氧化物电解

固体氧化物电解制氢在高温下工作。高温电解所需的电量远低于在低温下的电量。使用廉价的热能或余热可以提高系统效率。这种技术能效高，当包括热利用率时，效率在90%以上。同时，电解槽运行的持续时间也是一个问题，并且生成的氢气与水蒸气的混合物需要额外的处理才能获得高纯度的氢气。

阴离子交换膜电解

阴离子交换膜电解制氢潜力在于能够将碱性水电解的低成本与质子交换膜技术的简单、高效相结合。该技术能使用非贵金属催化剂、无钛部件，并和质子交换膜技术一样能在压差下运行，但是目前阴离子交换膜存在化学、机械稳定性的问题，同时交换膜的传导性低、催化动力学慢和电极结构较差等问题制约了制氢性能。

得到氢气后，需要将其储存起来以便运输和应用。氢气标况下单位体积质量为89.3g/Nm3。氢气分子量小、难液化。由于氢气的密度非常低（在所有相态下），氢气储存是一个相当复杂且昂贵的过程。储氢系统应承受低温或高压，或包含与水或空气相互作用的活性材料。因此，在储存氢气时，必须确保装置具有高可靠性和安全性。常见的储氢方式主要为物理方法（压缩或液化）、理化方法（形成金属氢化物）和化学方法（含氢化合物，如氨气、液态含氢有机物等）。

物理储氢中，压缩氢气是最简单的储氢方式，具有成本低、能耗低、充放速度快的特点。缺点是储氢密度低，钢瓶较重，安全性较差，只能适用于小规模、短距离的运输场景。同时，金属钢瓶在含氢介质中长期使用时，金属材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，会变脆断裂。而液态氢具有较高的体积能量密度（8.5MJ/L，常压）。但由于氢气沸点很低（20K），因此在液化过程会消耗非常多的能量（相当于30%的氢能量低位热值），且需要极好的隔热介质来储存，因此储氢成本较高。

金属氢化物储氢具有储氢密度高，能耗低，稳定安全，便于储存和运输等显著优势。冷却时，金属吸收氢气形成金属氢化物，加热时，氢气被释放并供应给消费者。这大大降低了氢气储存所需的压力。虽然目前仍存有技术上的难题（如吸附与解吸动力学低、氢释放温度高等），但长远来看利用金属氢化物储氢的潜力巨大。

还有一种方法是利用含氢化合物储氢。它的最大优势体现在储氢形式和安全性上（可常压储存和运输），其在储运、维护方面安全方便。有机液态储氢利用液态有机物与氢气进行可逆加氢和脱氢反应，能够实现常温常压下氢气储运。这种储氢方式的优势在于储氢密度比较高、安全性高。但需要配备相应的加氢脱氢装置，流程繁琐且效率较低，增加储氢成本，并且会影响氢气纯度。

在氢的使用中，我们可以通过改装传统的内燃机，使其燃烧氢气对外做功。相较于传统的内燃机，氢气不仅燃烧产物清洁，且有优良的燃烧性能，可以大大降低发动机产生的噪声。实践证明这个方案是可行的，但由于基础建设不足和加氢成本较高等问题，采用氢气做为燃料的成本还是远高于汽油。当可再生能源制氢技术和储氢技术充分发展，使加氢的成本降低后，氢燃料发动机才有可能得到广泛应用。

氢燃料电池

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。相较于氢燃料发动机，氢燃料电池可以通过等温的电化学过程将氢中的化学能直接转换为电能而不必经过热机过程，因而其能量转化率不受卡诺循环的限制，高达70%，而氢燃料发动机的能量转化率一般为30%-40%。此外，燃料电池亦具有无噪音、无污染等优势,是一种理想的能源利用方式。

我们可以将能量以氢气中化学能的形式储存下来[9]。例如，电网的稳定运行需要发电端和用电端的总功率相平衡，而风、光等可再生能源都具有随机性、波动性，使得发电与用电量很难匹配。用电需求低的时候，会产生弃光弃风现象。这时我们若将多余电力用于电解水制氢，便可以把电能变成氢气中稳定的化学能，从而提高可再生能源的利用率。

纵观燃料利用的历史，我们使用的能源从薪柴到煤炭，从石油到天然气，符合含碳量不断降低的趋势，未来能源将朝着零碳方向发展。相信随着时代的发展、技术的进步，由氢能等构建的零碳能源时代必将来临！