为什么是氢燃料电池？

既然氢燃料电池能解决我们这一整年最关心的问题，那我们得先回顾下2021年的大事儿：“碳排放”。

所谓碳排放，泛指二氧化碳、甲烷等各种温室气体的排放。因为这些温室气体，其中又数二氧化碳排放量最大，所以就统称碳排放。

你千万别再觉得，这事儿还离咱们很遥远。不信我带你回顾几个真实的，就发生在咱们身边的现象：

2021年夏天，全国多个地区，从东北到江南，再到华南，都出现了多年不见的高温天气。就连你可能想不到的黑龙江省，温度都达到了1961年以来的同期最高温。

差不多同时，就在2021年7月份，河南省内发生了一场几十年难遇的水灾，让全国人民都为此揪心。

再到2021年下半年，全国多个地区的工厂，甚至居民区，拉闸限电。

......

所有这些就发生在我们身边的异常现象，都躲不开碳排放这个话题。

我们国家在最新的十四五规划上，专门就减少碳排放，定了两个指标：争取在2030年以前，碳排放达到峰值。这样我们争取在2060年，能实现零碳排放。这两个指标，就是你常听到的“双碳目标”。

你可能想问了，减少碳排放量，确实蛮重要的。可它跟材料学又有什么关系呢？

重点来了，材料学要干的，就是帮助各行各业，研究各种减碳材料。

这一来，就说到了咱们的主角，年度材料“氢燃料电池”。

材料学家们在研究各种减碳材料的同时，思考了问题的本质：

既然咱们总目标是减少二氧化碳排放，那如果现在有一种燃料，压根就不含碳，是不是就能把碳排放降到零呢？

而这种不含碳的燃料，现成就有啊。比如把氢作为燃料，跟氧气反应，最终产物是水，没有毒又清洁，还跟二氧化碳完全没关系，也就能从根本上实现零碳排放。

而我们这次选出来的年度材料“氢燃料电池”，就属于这个研究思路。它不仅被成功研发了出来，而且在2021年，还正式走到了产业化的关键阶段，真正成为了一种可商业化的氢能源。

所以，“氢燃料电池”入选我们2021年的年度材料，可以说是实至名归。

氢能源研发，难在哪儿？

值得骄傲的是，这个年度材料的关键人物，是咱们中国的科学家陈忠伟院士。

我在发刊词里介绍过陈院士，他是浙江金华人，早年研究主要在国外。2016年，陈院士如愿回到家乡金华，专门攻克新能源问题。他还在金华创办了一家专门从事新能源研究和材料生产的公司。

为了准备这次年度报告，我在2021年夏天的时候，就去拜访了陈院士，还实地参观了他在家乡一手操办的工厂。陈院士本人有些腼腆，但一提到自己的研究领域，就充满热情，非常有信心。

陈院士跟我讲，研究氢能源这个事，不是新的发明创造，早在二十多年前，科学家们就在干了。但具体到应用上，把氢气开发成商用的氢能源，难题真不少。

首先要解决的，就是氢气从哪儿来。

一个可行的思路是，用金属铝和水的化学反应来制取氢气。

但这样做又会带来一个新问题，就是操作成本太高了，会浪费大量的电能。

还有一个方法是，充分利用自然界的能量，比如太阳能。这个方法虽然好，但是在没有人为干预时，直接让太阳光从水里分解出氢气，效率非常低。

而陈院士团队的解决思路是，将工业废气转化为氢气，这样既可以减少废气排放，同时又能对废气再利用，是一种比较高效的做法。

氢气找到了，接下来就是怎么储存它的难题。

你很容易想到的，是用储罐。比如像液化气那样，用高压，把气态的燃料液化以后，储存在罐子里的。过去很多人家里用的煤气罐子，就是这么干的。

但问题是，用罐子储存氢气，可就比这个难多了。

氢气很轻，而且很难像液化气那样转化为液体。为了让氢气的储存在罐子里，氢气罐的压力普遍要做到大气压的300到700倍，是普通液化气罐子的12到18倍那么高。

什么概念呢？就是每一块指甲盖大小的位置，都要能承受一个成年人体重的压力。

除此以外，氢气的渗透能力很强，可以沿着它接触的罐子内壁，往外扩散，加上它又是一种易燃易爆的气体，一旦泄漏，后果不堪设想，所以储存罐的材质就得用特别耐受的金属。

但问题又来了。氢气还会和一些金属发生反应，比如钛合金，虽然我们都说它性能优异，但它就是怕氢气，一旦和氢气结合之后，就会特别脆，不堪一击。很多金属，比如铝合金、不锈钢等等，也会有这个问题。

既然把氢气存在罐子里这么困难，那到底有没有解决方案呢？

有的。目前材料科学家们研发出了一种特种钢，也就是一种多金属熔合的合金，用这个特种钢做的罐子，可以储存氢气。当然，现在科学家们还研发出来了更前沿的储氢材料，但现在还没法商用，我就不展开讲了。

总之，好消息就是，储氢的问题也能解决了。

虽然制氢气、储氢很困难，但是所有这些困难，都比不上把氢气的能量转化出来更难。

这个难，不是说科学家们没法把氢气转化为动力，而是科学家们想把氢气百分百转化为动力，特别难。

光这么说，你可能还体会不到这个百分百的能量转化，意味着什么。

就拿我们常见的汽车来说吧。汽车前进需要动力，动力来自于汽油燃烧以后的产生的热能。热能再带动机械装置运动，从而驱动汽车行驶。

但是你知道吗？汽油燃烧后的这个热能，很多都没有转化成动力，而是变成热量消耗掉了。真正转化成动力的，一般只有30%左右。

但是你看，我前面说了那么多制氢的不容易，氢气来之不易，不能就被这么烧掉，让能量白白浪费。

科学家们找到一个比较好的方式，就是把氢气做成氢燃料电池。简单来说，就是控制氢气跟氧气的化学反应，不让这个过程发热，而是发电。再通过电机，把电能转化为动力，这个转化效率理论上可以达到100%。

也是因为这个原因，在最近这几年，氢燃料电池受到了热捧，很被看好。

目前，氢燃料电池在国内的试验已经开展了约二十年，甚至有不少地区已经提前规划了加氢站。但是，因为技术条件的限制，始终没有进入正式的商用阶段。

氢燃料电池，如何从实验室走向商用？

2021年，氢燃料电池终于突破了卡点，在商用上迎来了爆发期。这里面的关键，就是科学家们用到了能量转化需要的膜电极材料。薄膜的“膜”，正极的“极”。

这是一个新名词，你可以简单理解为是一种膜和电极的组合体。膜电极对于燃料电池而言，就好比芯片对于手机的作用。

它是把氢气能量转化出来的大杀器。

要理解这件事，我得先给你解释一下什么是电极。

电极材料扮演的角色非常特殊，它决定了电子的流动。在电池中，电子流动形成电流，产生电能。要是电子互相之间起了冲突，那能量就白白耗散掉了。一句话就是，电极材料决定了电池是否能够具备放电的功能。

没有电极材料的电池会怎么样呢？电子之间不仅没有流动，还起了冲突。

我说一个笑话，很适合用来给你打比方。

说银行里有两个人在排队，一个要存钱，一个要取钱。两个人一合计，让想存钱的这个人，把钱给取钱的那个人，那两人不就都不用排队了吗？

——真要这么干了，那就是财务纠纷了！钱都给了取钱的人，存钱的人可是血本无归啊。

这么一看，电极材料就好比是银行柜台。柜台接到两个人的诉求，按手续处理以后，钱就流动了起来，也不会出现矛盾。

那膜电极又比一般的电极特殊在哪儿呢？

这种电极要能够让氢气变得更活跃，这样才能发生反应。

之所以还要给电极加一层膜，是为了让氢气在经过反应，转化成氢离子后，还能够通过膜，最后和氧结合，生成水。

但无论是膜，还是电极，其中所用的材料都需要经过严格的筛选。

在过去，电极几乎只能用昂贵的铂金来制造。而膜材料，虽然也找到了研发方案，但是产业化进程很慢。

而陈院士的成果，突出就在于，不仅降低了材料的商用成本，更是把氢燃料电池的电能转化效率，一下子提到了75%以上。这比传统的汽油内燃机，要高出1.5倍呢。

而且，陈院士的这个研究，不仅攻克了理论难题，还解决了产业难题。可以说是真正的研究和产业一肩挑。

在基础研究方面，他在今年开发了一种以镍为主要材料的膜电极，不再需要铂金，并且能在海水介质中应用氢燃料电池。

而在产业推进方面，陈院士开发的膜电极材料也迎来巨大突破，已有城市和他的团队达成合作，决定商业化应用氢燃料电池。在他的研究室里，我看到了成套的氢燃料电池系统，对这一技术的应用前景，也感到很有信心。

如果你是投资人，建议你可以持续关注这个方向的成果。

前景与展望

老实说，原本在氢燃料电池的研究领域，我们国家的技术起步稍微有点儿晚，跟国际上相比，也不算先进。

但幸运的是，我们有陈院士这样的学者。他们在国外学成后，以实际行动来支持碳中和（也就是零碳排放）的艰巨任务。

而且，在材料学领域中，这样的学者不是个案，是他们的集体努力，让我国的材料学在短时间里，已经在基础研究方面达到世界一流，并且在应用领域也在稳健地向着一流水平迈进。

还有一个更好的消息是，我们国家现在主力推动碳中和，也是促成氢燃料电池突破技术瓶颈的关键动力。所以，我们有理由相信，随着碳中和概念越来越具象化，氢燃料电池的落地也将成为趋势。