一、引言
在过去的近两个世纪中，人类社会的能源消费均建立在化石燃料的基础之上。为了避免在未来出现因为继续大规模使用化石燃料而导致人类福利下降的结果，我们应该寻找一种新的、清洁的、可持续的以及本地化的能源系统。在这种背景下，以氢作为中间媒介的能源系统——氢能系统引起了人们的广泛关注，同时，整个社会的能源需求均由氢提供的“氢能经济”的提法也逐渐为人们所熟悉。不少人坚信，在不久的将来，受燃料电池和CO2减排两大驱动力的推动，氢能系统将被大规模推广，氢能经济即将实现。然而，通过理性的分析，本文认为，氢能系统的推广还存在很多障碍，氢能经济的实现也不能一蹴而就，我们并不能盲目乐观。下面从氢的生产和利用两个方面来展开论述。
二、氢从何而来？
氢的确是一种理想的燃料，在纯氧中燃烧或通过燃料电池发电只生成水，而不排放其它污染物。但是，地球上自然条件下不存在游离态的氢，氢并非一次能源，其本质是一种传递和分配能量的工具，通常需要一种一次能源分解含氢原料、产生游离态的氢。所以，氢能系统要满足“清洁的”和 “可持续的”要求，生产氢所用的一次能源本身就必须是“清洁的”和“可持续的”，否则，与现有的能源系统相比，氢能系统将丧失其最大的优势。“清洁的”和“可持续的”一次能源包括太阳能、风能、水能和生物质能等，不包括化石燃料，所以，“清洁的”和“可持续的”氢能系统中氢的生产方式可以是：太阳能、风能和水能发电电解水，生物质气化分解（全生命周期内的碳循环是闭合的），光化学、热化学或生物化学方法分解水等。化石燃料分解和化石燃料发电电解水（实质是将污染排放从制氢环节转移到了电能的生产环节）的方案则不在此列。
但是上述人选制氢方案的推广还需要解决一系列问题：
1）电解水技术的效率和成本不够理想。如果利用当前的电解技术，只有在发电成本为零的情况下才可能使氢气达到能够与天然气竞争的水平。
2）太阳能发电电解水方案被采用最主要的障碍是光伏发电的成本太高(0.10美元/KWh)。美国能源部光伏发电计划的长期目标是0．065美元／kwh，即使这个目标得以实现，氢气的生产成本预计将降到22美元／GJ，仍然超过天然气当前市场价格的4倍。此外，太阳能发电还要受到地域的限制。不论是在本地电解水制氢、然后输氢到终端用户，还是输电至终端用户、再电解水制氢，都涉及到能量（氢或电）长距离输送的成本和损失问题。
3）风力发电比光伏发电经济，其成本为0．07－0．09美元/KWh；但风能发电受地域的限制比太阳能发电更加明显。
4）水能发电的成本可以降到很低（从每千瓦时几美分到 0．025美元/KWh不等。但水能发电同样受到地域的限制；而且，水电本身就是一种成本很低的可再生能源，将其用于氢生产是否划算涉及到未来能源系统中能量载体的选择问题，后文将详细讨论。
5）至于生物质气化分解和光化学、热化学或生物化学方法分解水的方案，目前其相关技术尚未成熟，能否推广、怎样推广仍然是一个未知数。
三、氢如何利用？
从使用设备来分，氢的终端利用方式可分为两种：固定式和移动式，前者如分布式能源发电技术，后者如燃料电池汽车。 从转化技术来分，氢的终端利用方式可分为两种：直接燃烧和燃料电池发电。其中，氢气在空气中直接燃烧生成水和氮氧化合物（空气中含有78％的氮气），只有在纯氧中燃烧才只生成水；而氢气输入燃料电池发电的产物只有水，达到了“零排放”（仅对终端利用环节而言），此外，燃料电池还具有不受卡诺循环限制、能量转化效率高的优点，所以，燃料电池技术成为了世界各国竞相研究的热点，同时，它也是氢能经济的直接推动力之一。
然而，要实现氢能经济，氢的终端利用也存在若干问题：
l）燃料电池技术：目前，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 18100美元/辆。质子交换膜燃料电池成本的降低，一方面要依靠技术的进步，尤其是膜的技术和膜所用铂材料的替代与回收技术；一方面还要依靠生产规模的扩大，如大公司或生产商之间的联合。而这一切都需要时间。
2）氢基础设施：离开了包括氢的储存、运输和加注等环节在内的氢基础设施，燃料电池技术的推广和氢能经济的实现都只能是空中楼阁。如何解决氢的独特物理性质给氢基础设施建设带来的一系列技术问题，如何根据燃料电池技术的发展阶段来确定适当的氢基础设施规模，以至最终以氢基础设施代替现有的整个能源输配系统而实现氢能经济，这些都需要资金和人力的巨大投入。
3）氢安全性：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。要正确地评价并解决这些问题，要让大众从心理上接受这种新的燃料，还需要进行大量的工作，并制定出相关的全套规范。
4）未来能源系统中能量载体的选择：“氢能经济”的概念最早于上个世纪七十年代被提出意在以大规模的氢气管网代替现有的电力输送管网，进而以氢气代替电成为未来能源系统中能量输送的理想载体。普林斯顿大学的Ogden等人曾提出，通过氢气管网进行长距离能量输送的成本比通过输电线的成本要低得多。除去氢气管网和输电线具体的技术选择有可能影响比较的结果不说，文认为，上述观点也是比较片面的，因为它没有考虑到氢气终端利用的附加成本。输电线把电能输送到终端后可以直接使用，而氢气管网把氢输送到终端后并不能直接使用——如果氢气以燃料电池发电的方式利用，必然要考虑到燃料电池本身的成本；如果氢气以直接燃烧的方式利用，要使其和电能一样清洁，必然要考虑到空气分离设备（得到纯氧）或催化转化器（除去在空气中燃烧得到的氮化物）的成本。综合考虑燃料电池、空气分离设备或催化转化器的附加成本后，氢气的总使用成本不一定比电的总使用成本低，那么，氢气不一定比电更适合作未来能源系统中能量输送的载体。本文认为，更现实的“氢能经济”应该是指将氢气在技术上作为“电池”使用，为独立的间歇能源（太阳能或风能）提供平稳的连续性，或者在电网设施中延长能量供应周期；至于未来能源系统中能量载体的正确选择，还有待于各方面技术的发展和评价指标的完善。
四、总结和展望
以上从氢的生产和利用两个方面分析了推广氢能系统的困难，这些都是实现氢能经济的障碍，而且不可能在短期内完全解决。所以，对于那些对氢能经济过分乐观的言论，我们应该有清醒的认识。 但是，这些困难的存在是不是意味着氢能经济的前景一片暗淡呢？答案当然是否定的。本文认为，一种技术的选择和推广是环境性、经济性、技术成熟度、政府行为、社会心理等多种因素综合作用的结果。例如，虽然目前氢气的生产成本居高不下，但我们可以把获得局部的环境效益作为推广氢能系统的动力之一。具体说来，在我国污染比较严重的大城市，近期可以采用化石燃料发电电解水制氢的方法来推广燃料电池公共汽车——该方案的环境性好于燃用化石燃料的传统汽车，经济性好于可再生能源电解水制氢，技术上公共汽车的运营特性比较适于集中统一建造加氢站等基础设施，一言以蔽之，环境性、经济性和技术成熟度在特定的时间和空间下找到了最佳的平衡点。当然，政府的决策和支持也是该方案顺利实现的必要条件之一。
同时，从另一个角度来看，本文所总结的实现氢能经济的一系列障碍，恰好指明了氢能技术研究和发展的主要方向。 由上可见，氢能系统在近期并不是无法推广，只是针对不同时间和空间下的环境性、经济性、技术成熟度、政府行为、社会心理等条件，应该客观地采取不同的氢能系统发展策略。长期来看，氢仍然是未来能源系统中能量载体的最优选择之一。本文深信，经过人类不懈的努力，实现氢能经济的各种条件一定会逐步成熟，理想中的氢能时代一定会到来。
