氢能如何助力北京2022年冬奥会

许洛袈

在北京2022年冬奥会开幕倒计时一周年之际，北京冬奥组委会正式对外发布了冬奥会、冬残奥会火炬外观设计，并透露了不少关于冬奥会火炬的详细信息，其中，采用氢作为燃料是本次火炬设计中的科技亮点之一。

作为一支火炬，最重要的功能毫无疑问是传递“圣火”，在此期间，需要保持“圣火”一直处于燃烧状态，同时降低下雨天和刮风对火炬火焰的影响，为此对火炬的材质和燃料都有着特殊要求。

与夏季奥运会相比，冬季奥运会火炬还要兼顾在超低温环境下，火炬是否可以正常燃烧，而氢具有质量热值高、扩散性好、可燃浓度范围广、点火能量低等特点[1]，其最小点火能量不足汽油最小点火能量的十分之一（约0.02兆焦耳），因此在低温下也能迅速点燃。

不过，单纯作为燃料燃烧对氢来说真是有些屈才了。作为宇宙中最多的元素，在宇宙大爆炸之后的大约4亿年后，宇宙温度降低，无数的氢原子开始聚集形成恒星，首次核聚变就这么诞生了。在我们生活的太阳系中，恒星太阳每秒可将数以亿吨的氢转化为氦，并将热量辐射到整个太阳系。

科学家由此得到灵感，利用氢的同位素（氦、氘、氚）获得了宇宙中最古老的能量，并制造了目前世界上威力最大的核武器——氢弹。诚然，氢弹是恐怖的，但科学家也发现，当氢不再“暴躁”且变得可控时，它或许是解决未来能源问题的关键，因为氢燃烧后的最终产物只有水，对环境没有污染。因此氢能也被誉为21世纪最具有发展潜力的二次能源[2]，成为了全球新一轮碳减排和碳中和的首选方向，被多个国家纳入能源战略部署中。

我国在2019年将氢能源首次写入政府工作报告，明确将推动氢能产业的发展。同年6月，北京冬奥组委会发布了《北京2022年冬奥会和冬残奥会低碳管理工作方案》。根据方案，冬奥会将始终贯彻“绿色办奥”理念，不仅是接力火炬，北京冬奥会开幕式赛场上的主火炬也将使用氢燃料。此外，还将示范运营1000多辆氢燃料汽车、30多个加氢站，在比赛期间，延庆赛区和张家口赛区将有700余辆氢燃料大巴车投入使用。

就目前而言，氢燃料电池是氢能较为常见的终端应用，最早的氢燃料电池主要用于航空航天，为太空飞船和卫星提供电力，随着技术的进步和成本的不断降低，氢燃料电池才逐渐应用于各大领域，包括电力（发电和备用电源）、交通（汽车、大巴车）、物流运输（叉车、卡车和物流车）、船舶和无人机等[3]。

这种燃料电池不燃烧氢，而是将其转化为电能，具体来说，氢燃料电池主要由阳极、阴极和电解液等部件构成。氢气在进入燃料电池阳极后，发生可控的催化化学反应，分离为质子（即氢原子核）和电子。其中，质子穿过质子交换膜到达阴极，在催化剂的作用下与氧气相结合形成水分子（H2O）;而电子也从阳极出发，经过外部电路，最后到达阴极，并在外部电路中形成电流。因此，氢燃料电池也是一种将化学能转化为电能的装置[3]。

与传统燃油汽车相比，氢燃料电池汽车在运行过程中没有“废物”排出，对环境友好;与其他类型的电动汽车（主要是锂电池）相比，其在充能和单位体积内能量密度上都更具有优势，说白了，就是能跑得更远，至少大大减弱了电动车主的续航焦虑。另外值得一提的是，在冬季不少锂电池可能“罢工”的情况下，氢燃料电池还能正常工作。

不过，氢能的优势虽然不少，但制约其发展的瓶颈也很明显，主要在氢的制备和储运方面。

据国际能源署（IEA）统计，目前全球每年专用氢气产量约7000万吨，其中通过化石燃料燃烧所产生的氢气（灰氢）占比约95%，而蓝氢和绿氢占比很小。

正因为如此，对于“氢能是否真的环保”的争议也从未停止，因为在灰氢的制备过程中会排放大量的二氧化碳，尽管使用的是清洁能源，但生产清洁能源的方式却并不“绿色”，这无异于“拆东墙补西墙”，并不能解决实质性问题。

而蓝氢则是在灰氢的基础上，运用碳封存和碳捕捉等技术，减少生产过程中的碳排放，从而实现低碳生产，属于生产技术的过渡期。

绿氢，是指通过可再生能源（如太阳能、风能）搭建电力系统，然后再通过电解水的方式制氢，生产的全过程都没有碳排放。但绿氢制备的装置——电解槽生产技术和制造成本都很高，目前只停留于实验研发阶段，尚未达到规模化应用。

此外，氢气的储运在短期内依然以高压气态为主，但由于氢气具有易泄露扩散且能量密度高的特性，有潜在的爆炸风险，这就对氢能设备的安全性提出了更高的要求。如何实现安全且高效的氢能储运，还有比较长的路要走。

话说回来，我们也并不幻想在几年之内转变现有的能源结构，我们应该更客观和理性地看待氢能，而本次冬奥会上的氢能应用也体现了中国在氢能产业发展上的决心，相信在“双碳”战略的实施推进下，我国的氢能产业发展也将进一步提速。

参考文献

[1]孙柏刚，包凌志，罗庆贺.缸内直喷氢燃料内燃机技术发展及趋势[J].汽车安全与节能学报，2021，12（3）：265-278.

[2]赵永志，蒙波，陈霖新，等.氢能源的利用现状分析[J].化工进展，2015，34（9）：3248-3255.

[3]徐自亮，余英，李力.氫燃料电池应用进展[J].中国基础科学，2018，20（2）：7-17.