“你聽著親愛的，我們必須抱有希望，這并不是因為希望真的存在，而是因為我們要做高貴的人。在前太陽時代，做一個高貴的人必須擁有金錢、權力或才能，而在今天只要擁有希望，希望是這個時代的黃金和寶石，不管活多長，我們都要擁有它！明天把這話告訴孩子?！?/span>

--劉慈欣《流浪地球》

流浪地球，顱內高潮

春節(jié)檔大劉的硬核科幻《流浪地球》電影成為現(xiàn)象級爆款，總票房已突破30億元。春節(jié)期間迫不及待二刷這部電影，對于一個純正理工男而言，觀影感受只有四個字：

顱內高潮！

為了防止太陽氦閃劇烈爆炸吞噬地球，人類的逃亡分為五步：第一步，用地球發(fā)動機使地球停止轉動，使發(fā)動機噴口固定在地球運行的反方向；第二步，全功率開動地球發(fā)動機，使地球加速到逃逸速度，飛出太陽系；第三步，在外太空繼續(xù)加速，飛向比鄰星；第四步，在中途使地球重新自轉，掉轉發(fā)動機方向，開始減速；第五步，地球泊入比鄰星軌道，成為這顆恒星的衛(wèi)星。人們把這五步分別稱為剎車時代、逃逸時代、流浪時代Ⅰ(加速)、流浪時代Ⅱ(減速)、新太陽時代。

逃逸時代里，按照預定的航線，地球會升向與木星的會合點。航行委員會的計劃是：地球第15 圈的公轉軌道是如此之扁，以至于它的遠日點到達木星軌道，地球將與木星在幾乎相撞的距離上擦身而過，在木星巨大引力的拉動下，地球將最終達到逃逸速度。

為了提升影片末日感和情節(jié)曲折性，影片在大劉原著的基礎上增加了地木相距過近，地球將在數(shù)小時被毀滅的末日套末日橋段。緊急關頭，劇中主角想到了地球大氣已被木星吸走部分，加之木星上已有的巨量氫氣，只需一根火柴點燃氫氧混合氣體，即可發(fā)生恐怖級的爆炸，爆炸能量將推動地球突破洛希極限，逃逸出太陽系。最終，百億票房先生吳京駕駛著領航員空間站引爆了木星。

戰(zhàn)狼吳京再一次做了救世主，而氫氣成為了拯救地球人類的末日英雄。

在現(xiàn)實世界里，氫能源同樣被很多人當做能源轉型的末日英雄與終極選擇。

而近段時間，由于政府新政策擬對傳統(tǒng)鋰電池電動汽車補貼降坡而對燃料電池電動汽車補貼相對較高，氫能源再次成為風口上的佩奇，國資、民企等各路資本爭相涌入，重點布局氫燃料電池的雄韜股份在18年12月僅用了20天時間股價翻番，預計氫燃料電池相關概念股今年將會繼續(xù)炒作（不作為投資建議），沒踏上行情的請自覺關燈吃面。

早在1869年，科幻大神儒勒·凡爾納（也是大劉的科幻啟蒙）長篇小說《海底兩萬里》中，氫氣便是可怕的“鸚鵡螺”號潛艇用之不竭的燃料。整整150年后，氫能源再次踏上能源變革的風口浪尖。氫能源真的能成為能源變革的末日英雄嗎？

邏輯陷阱：最清潔的二次能源

至少從儒勒·凡爾納開始，許多人都將氫能源作為最清潔最友好的終極能源選擇。

他們一般都會描繪這樣的完美場景。

請想象一下，一種新燃料幾乎可以取代我們所有的能源造火方式。他能驅動各種發(fā)動機，能以不同規(guī)模發(fā)電，還能加熱制冷，同時可以廣泛應用于運輸、工業(yè)、家庭等各種領域。另外，不管聽起來多么不真實，這種燃料燃燒時不會產生任何有害排放，沒有大氣污染物、顆粒物、輻射等等。震撼力還不夠，這種燃料來源幾乎無處不在，而且在地球任何地方都儲量豐富。借助于他，每個國家都擁有自己充足的能源供應，與能源衍生出的貪婪、地緣政治甚至戰(zhàn)爭將一去不返。

這樣的夢想能夠實現(xiàn)嗎？回答這個問題前，先需要研究下氫能源的本質。

氫是一種化學元素，元素符號H，在元素周期表中位于第一位，只有一個質子和電子，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大約占據(jù)宇宙質量的75%。主星序上恒星（包括前面提到的木星）的主要成分都是等離子態(tài)的氫。

氫氣無色無味無毒，燃燒時溫度高于噴氣發(fā)動機燃料，并且只產生熱量和水蒸氣。

2H₂+O₂=2H₂O，這個化學方程式仿佛巴赫的二部創(chuàng)意曲一樣簡潔，但卻蘊含巨大的能量。當氫以游離氣體形式存在時，按重量計算的能量密度讓任何化石燃料都自慚形穢。

由于化學性質極其活躍，氫在地球上很少以游離狀態(tài)存在，基本上都存在于化合物中，最常見的是水或者碳氫化合物。

換句話說，我們所謂的氫能源也即是純度較高的氫氣，是無法像石油天然氣一樣直接從地球上開采獲取，必須從氫的化合物中進行分離，也即氫氣不是一次能源，而僅是二次能源，或者說氫僅僅是一種能量載體。從化合物中生產提取氫氣必須消耗其他物質及能量。

第一個邏輯陷阱：所謂氫能源取之不盡、用之不竭。這在字面上沒有問題，但氫能源的制備需要依賴其他能源燃料，他的可持續(xù)性根本取決于其他燃料。

目前，生產提取氫氣已有多種成熟的工藝。

不管是天然氣重整還是煤炭氣化等，上面的每一個工藝在制氫的過程中都伴隨著碳排放，電解制氫中的電基本也是化石燃料發(fā)電，當然一直都有提法用可再生能源發(fā)電（風電、光伏等）制氫，但理想很豐滿現(xiàn)實很骨感，目前全球大部分氫都是化石燃料重整而來。

第二個邏輯陷阱：氫能源是最清潔、最友好的能源選擇。這在字面上也沒有問題，但氫能源的制備過程中會產生很多碳排放，全產業(yè)鏈來看氫能源就不是所謂“零排放”。

這就像新能源汽車，包括政府在內的很多人一直提新能源汽車清潔無污染零排放，但新能源汽車沖的電從何而來？絕大部分還是化石燃料發(fā)電而來，全產業(yè)鏈來看新能源汽車的排放并不比汽油車少，所謂清潔無污染同樣是邏輯陷阱。

上述的邏輯陷阱并不影響氫能源應用的不斷推進，至少到目前為止，氫能源仍是人類理想中的能量載體之一，氫能源在燃料電池和分布式電堆等領域已經(jīng)初露鋒芒。

上帝不會輕易制造完美

上帝可以拿完美來誘惑我們，但他不會輕易制造完美。

氫氣的制備目前來說已不成問題，只是如何采用最低的成本和最清潔的方式來制備還需要進一步的科技進步。

氫能源利用最大的挑戰(zhàn)其實源自氫氣極低的分子量和密度。

他基本可以從任何普通容器中逸出，也可以擴散到任何封裝材料中并與之相互作用。因此，氫氣的儲存和運輸成為關鍵問題。

氫氣會讓某些金屬（包括鋼鐵）發(fā)生所謂“脆化”現(xiàn)象，這使得他不能簡單的用管道來運輸。

低密度使得氫氣按重量算是高能，但按體積計算則不然，室溫下，氫氣能力密度僅為天然氣的三分之一。

故而氫能源高效利用最顯而易見的辦法便是將氫氣壓縮甚至液化。不過，常壓下氫氣需降溫到-217℃才變成液體，而氫氣液化能耗占其本身能力的三分之一，這直接導致液氫根本不具備經(jīng)濟性，所以液氫目前應用最廣泛的是燒錢不計代價的航天領域火箭燃料。

百年應用探索之路

除了最簡單應用氫氣球外，氫氣作為能源得到應用是走了兩種不同的路徑，一個是作為燃料，利用燃燒后產生的能量驅動機械，一個則是廣為人知的氫燃料電池。

在《海底兩萬里》的指引下，20世紀30年代，德國工程師魯?shù)婪虬l(fā)明了一種氫氣內燃機原型機，并用它實現(xiàn)了汽車驅動。不過二戰(zhàn)爆發(fā)后，這個項目也隨著希特勒隕落。

20世紀50年代，美國空軍開始在高空遠程偵察機（B-57改裝版）上試驗氫氣燃料，利用液氫來實現(xiàn)航程的倍增。

不過隨著蘇聯(lián)在1957年發(fā)射了第一課人造衛(wèi)星后，美國和蘇聯(lián)的目光都轉向了火箭推進上，液氫作為燃料在航天領域得到廣泛應用，但在航空領域也戛然而止。

氫燃料電池可以追溯到更早時期。

1839年，英國律師兼業(yè)余科學家（業(yè)余二字顯示其多么優(yōu)秀）格羅夫發(fā)明了燃料電池，使得氫氣有機會進入運輸領域的電力來源。

20世紀60年代，美國NASA開始利用氫燃料電池為宇宙飛船及航天器提供動力支持。最為著名的當然是阿波羅登月。

20世紀80年代，加拿大地球物理學家杰弗里.巴拉德認為氫燃料電池將會是未來汽車驅動的終極選擇。他于1989年創(chuàng)立了巴拉德動力系統(tǒng)公司，這家公司制造出了全球第一臺氫燃料電池巴士，最高時速72公里，一舉引爆了全球燃料電池汽車研究開發(fā)熱潮。

不過，眾多周知，氫燃料電池在過去幾十年里并未得到廣泛的推廣與應用，巴拉德公司也過得比較凄慘，到2007年，巴拉德虧損嚴重，四處找買家，準備出售整個汽車燃料電池業(yè)務。2018年11月濰柴動力斥資1.63億美元完成收購巴拉德動力系統(tǒng)公司19.9%股份。至此，濰柴動力已成為國際PEM燃料電池行業(yè)巨頭巴拉德最大的控股股東。不過，巴拉德仍將燃料電池最核心的膜電極組件（MEA）握在手中。

請記住巴拉德這哥們和他的公司，人類進步乃至毀滅需要這樣的偏執(zhí)狂。

最現(xiàn)實的商業(yè)應用：氫燃料電池汽車

2019年1月28日，有消息說，氫燃料電池汽車有望在2019年正式實施“十城千輛”推廣計劃。目前，國內氫燃料電池產業(yè)基礎較好的城市如北京、上海、張家口、成都、鄭州、如皋、佛山、濰坊、蘇州、大連等城市都有可能入選?！爸劣谧詈竽男┏鞘腥脒x還不能確定，要看各地政府之間的協(xié)調?！?/span>

在汽車低碳化、電動化的大背景下，氫燃料電池汽車成為氫能源商業(yè)應用最現(xiàn)實也是最有前景的方向。

燃料電池是把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發(fā)電裝置。按其電解質不同，常用的燃料電池包括質子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）等。

其中質子交換膜燃料電池操作溫度低、啟動速度快，是車用燃料電池的首選。質子交換膜燃料電池（PEMFC）電池通過氫氣和氧氣發(fā)生化學反應生成水，在這個過程中產生電能。其核心部件包括電催化劑（一般用貴金屬鉑金）、膜電極組件MEA、氣體擴散層和雙極板。

氫燃料電池主要應用于三大領域：固定領域、運輸領域、便攜式領域，其中最被看好市場容量最大的當然是車用運輸領域。

氫燃料電池清潔無污染，排放出的只有水。與傳統(tǒng)鋰電池相比，氫燃料電池擁有無與倫比的優(yōu)勢：

1、能量密度優(yōu)勢。目前動力鋰電池在能量密度方面，特斯拉最高能量密度為300Wh/kg左右，未來提升空間相對有限，而燃料電池的能量密度已達350Wh/kg，預計幾年內能量密度將達500Wh/kg以上，且功率密度達到3.1kW/L,具備絕對壓倒性優(yōu)勢。

2、充裝時間優(yōu)勢。具備絕對壓倒性優(yōu)勢。同時，動力鋰電池雖能承受一定程度的高倍率快速充電，但充電時長，充滿80%以上一般需要30-180分鐘以上，且快速充電在一定程度上犧牲電池的循環(huán)壽命，而燃料電池汽車只需3-5分鐘左右便可完成加氫，循環(huán)壽命在4000次以上，性能優(yōu)勢不言而喻。

3、續(xù)航里程優(yōu)勢。目前鋰電池或三元電池汽車續(xù)航里程一般在200-300公里左右，特斯拉宣稱能達到500公里（？）。而2014年豐田推出的mirai氫燃料電池汽車加氫3分鐘續(xù)航500km，本田的Clarity也達到了589KM。全球燃料電池按功率出貨規(guī)模

既然氫燃料電池汽車如此完美，那為何三十年過去了，目前還是還處于商業(yè)推廣階段？

再次重溫，上帝不會輕易制造完美。

成本問題是制約氫燃料電池汽車發(fā)展的最主要因素，燃料電池的成本主要體現(xiàn)在電池系統(tǒng)的造價和氫氣的成本上。

燃料電池成本占比最高的是電堆，電堆中占比最大的是催化劑，而目前催化劑采用的是貴金屬Pt。

技術復雜、材料昂貴加之生產規(guī)模較小，導致燃料電池成本非常高達120美元/kw（目前應該比這個低不少），遠高于鋰電池和一般燃油車。

在日本市場，Mirai的售價為723.6萬日元，另可獲得200萬日元的補貼，終端售價523.6萬日元（約30.7萬人民幣），而Mirai本身不是高級別車型，應該相當于豐田雷凌或者更低級別的威馳。

不過隨著生產規(guī)模的不斷擴大，氫燃料電池成本有望持續(xù)降低。

美國能源部對燃料電池汽車的成本進行了預估，當年產量為10萬臺是，成本在60美元/kw，當年產量達到50萬臺時，成本可降低至53美元/kw。同樣，在年產量2萬臺時，整車成本在4.8萬美元，當產量達到20萬臺，整車成本可下降至3.7萬美元，預計到2020年，鄭晨成本降至3萬美元左右，不過3萬美元/臺這一推斷值得懷疑。

氫能產業(yè)鏈包含制氫、加工、儲存、運輸和加注等環(huán)節(jié)，由于氫密度極低，導致各個環(huán)節(jié)成本都比較高，其中最核心的便是制氫成本。

從制氫方式來看，各類制氫生產成本差距比較大。

再加上運輸和加注成本，加注到汽車上的氫成本已非常高，綜合測算下來，百公里氫成本比燃油車還要高。

目前，在國內處于推廣商用階段的各類氫能源汽車的氫氣最主要來源是工業(yè)副產氫，這種氫成本相對較低，但氫氣不是最重要的產物，無法大規(guī)模生產，僅僅適用于各地試點試驗。

由于中國先天的煤炭資源優(yōu)勢，隨著氫能源的火熱，各個煤炭企業(yè)也坐不住，想分得一杯羹。僅在2018年，就有國家能源集團、同煤、兗礦、晉煤等多家煤企以不同方式參與氫能源中。

可以預見的是，隨著各大公司和大額資金的進入與競爭，技術將會得到進步，規(guī)模也將同步擴大，成本劣勢有可能被抹去甚至成為成本優(yōu)勢。

燃油汽車淘汰是大勢所趨，長遠來看，氫燃料電池汽車和鋰電三元等純電動汽車有望共分天下。

中國氫燃料電池差距

從成本控制和技術指標來看，國內燃料電池與海外先進國家相比差距較大：

價格差距：由于國內還未有大規(guī)模批量生產，因此燃料電池價格預計仍高達約300-500美元/kW左右；而美國通過規(guī)?；慨a，2015年便已將燃料電池價格降到55美元/kW，并且朝DOE制定的2020年40美元/kW，遠期30美元/kW的目標快速下降。

功率密度差距：目前國內燃料電池功率密度約為1.5-2.5kW/L，而美國已達3.1kW/L，提前完成DOE的規(guī)劃目標。

電池壽命差距：目前國內燃料電池乘用車壽命在2000小時以下，而燃料電池客車壽命也僅為3000小時，主要受到膜電極、雙極板等電池核心材料性能限制；而美國兩種車型壽命已分別達到4500小時和19000小時，完全可以滿足用戶正常的使用需求。同時，根據(jù)DOE規(guī)劃，未來燃料電池汽車壽命仍將繼續(xù)顯著提升。

中國氫能之旅任重而道遠。

天然氣之于氫能源：不可或缺

作為天然氣觀察的“良心”公號狗，在文末還是得滿是求生欲的回扯一下天然氣的事。

目前全球氫氣大部分來源于化石燃料（煤、天然氣、石油等）重整制備。中國制氫來源主要是化石燃料，約占97%，其中煤占三分之二，天然氣及石油制氫約占20%。

而隨著氫能源應用尤其是氫燃料電池汽車的不斷深入，氫氣的需求將可能出現(xiàn)急劇的提升。從目前已成熟的制氫工藝而言，煤制氫、天然氣制氫和電解水制氫仍是最主要的大規(guī)模制氫工藝。

考慮到電解水制氫的高昂成本，煤制氫和天然氣制氫成為優(yōu)選。當然就國內資源稟賦以及能源價格而言，煤制氫是最優(yōu)選擇，這也是各大煤企蠢蠢欲動的原因之一。

相比而言，天然氣重整在設備規(guī)模靈活性和管道輸送的穩(wěn)定性具有得天獨厚的優(yōu)勢，如加氫站可以靈活配置一套專用的天然氣重整制氫設備，未來天然氣在氫能源領域可能無法占據(jù)霸主地位，但依然不可或缺。

從本質上來看，氫能源無法成為人類能源變革中可持續(xù)一次能源的終極選擇，無法從根本上實現(xiàn)對化石燃料的替代，僅能作為一種清潔無污染的能量載體，不過隨著能源轉型的深入尤其是汽車交通領域的不斷低碳化，氫能源勢必將在人類發(fā)展進程中發(fā)揮重要的作用。

尾聲

地球發(fā)動機將不間斷地開動500年，到時地球將加速至光速的千分之五，然后地球將以這個速度滑行1300年，之后地球就走完了三分之二的航程，它將掉轉發(fā)動機的方向，開始長達500年的減速。地球在航行2400年后到達比鄰星，再過100年時間，它將泊入這顆恒星的軌道，成為它的一顆衛(wèi)星。

我知道已被忘卻

　　　　　　流浪的航程太長太長

　　　　　　但那一時刻要叫我一聲啊

　　　　　　當東方再次出現(xiàn)霞光

　　　　　　我知道已被忘卻

　　　　　　啟航的時代太遠太遠

　　　　　　但那一時刻要叫我一聲啊

　　　　　　當人類又看到了藍天

　　　　　　我知道已被忘卻

　　　　　　太陽系的往事太久太久

　　　　　　但那一時刻要叫我一聲啊

　　　　　　當鮮花重新掛上枝頭

　　　　　　……