从科学角度分析“南阳水氢发动机”的匪夷所思之处，既不在造车有工程的难度，也不是水催化制氢有技术难题，而是如何开发、利用氢燃料面临的能源问题。本文基于能源工业的规律，从能源的化学属性、商品属性、国别权力属性和环境道德属性，指出了一些“水氢发动机”存在的疑问和矛盾。疑问是指也许可以通过技术解决，矛盾则是指逻辑不能自洽。
综合现有报道，“南阳水氢发动机”的所谓创新，主要体现在以下化学式（1）（2）（3）代表的“水＋铝粉”的制氢过程和装置（添加了成分依然保密的催化剂），所得氢气作为燃料，输入电堆（MEA）产生电流，驱动电机做功。
化学式（1）（2）（3），来源：美国国家能源署《铝水反应制氢报告》Https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/aluminium_water_hydrogen.pdf
除了水氢装置取代了储氢罐，“水氢发动机”与普通氢燃料电池车没什么两样。1801年汉弗莱（Humphry Davy）首次从理论上证明燃料电池的可行性，自1839年格罗夫（William Grove）第一次真正发明燃料电池（gas battery），经过近200年的发展，燃料电池已经有了较强技术储备。目前，固定电站的燃料电池已经可以给商业和工业社区提供电力[]，燃料电池也已经小型化到可以给手机，笔记本等移动设备提供电力[]，并在某些方面相比内燃机和锂离子电池占有技术优势。与内燃机相比，他们的工作原理截然不同，氢燃料电池是通过氢气和氧气的电化学反应产生电能，然后由电能产生动能等其他能量形式，而内燃机则是通过燃料和空气的燃烧来驱动活塞产生动能。因为内燃机的工作原理由热力学的定理决定，无论内燃机通过何种热力学过程对外做功，内燃机效率都有一个理论上限，物理上称之为卡诺循环效率（Carnot cycle）。由于不受此限制，大规模商用的氢燃料电池的效率一般可以达到内燃机的两倍左右[]。与锂离子电池相比，它们的作用原理一致，都是通过电化学反应把化学能转换成电能，两者都有阴极和阳极，以及电解液（隔膜）。二者区别是，氢燃料电池的化学能是外部的氢气和氧气提供的，而锂离子电池的化学能则是存储在阴阳极的材料里。
一、从能源化学属性判断水氢发动机
直接将水作为燃料，加水上路，则是另一个故事。从水的化学属性上看，根本不可以称其为能源，在热稳定性上，水是自然界中最稳定的物质之一，堪比难于处置的温室气体——二氧化碳。但水又是氢氧化合物，理论上有足够的能量作用，跨过氢氧间势垒并打开氢氧化学键，可以令水分解成氢和氧。氢循环与碳循环一般，可以为生物体直接提供能量；地球孕育生命的初期，星球表面和大气中存在有较多的氢气，但氢气密度最小的这一事实，使大量的氢气逃离了地球引力的束缚漫溢到外太空里。剩下的氢气则在高压环境下自燃生成水，所以即使成分复杂的常压空气中也几乎不存在单一的氢气成分（常温常压空气中低于两百万分之一），可资利用的氢能源主要以氢氧化合物的形式（如H2O）、碳氢化合物的形式（如甲烷）或有机体内的糖、脂肪和醇类等形式存在于自然资源中，需要依赖其他能源提炼、制备纯氢，所以纯氢与电能一样都属于二次能源产品。在整个事件中，水作为制氢的介质，却被当做一种能源进行重点宣传，其实是一个化学能转换释放的过程，也就是金属铝氧化的过程，最终得到的除了氢气还有大量的氧化铝和热能。
这一过程的主要疑问是：1、制氢过程中生成的大量氧化铝如何不断清理，不仅新生成的氧化铝外壳会包裹住铝粉，且其体积反应后是反应前的20倍，催化剂的补充难度重重。2、产生的氢气纯度不高是常态，氢气和空气中的杂质比如氧化铝、一氧化碳等很容易使电极催化剂涂层中毒，严重影响燃料电池的输出电压；氢气纯化——变压吸附（PSA）装置既无法小型化又很耗能。
这一过程的矛盾之处：氢能相对于锂电池等新能源的优势在于比能（国际标准协会，SI unit：J/kg ，能量/重量，specific energy）。比能是刻画单位质量里能量的单位，比能较高的有氢气142MJ/Kg,天然气（甲烷）55.2Mj/Kg,柴油48Mj/Kg,汽油46.4Mj/Kg，如表1.1。
表 1.1 部分能源的比能和能量密度表 来源：https://en.m.wikipedia.org/wiki/Specific_energy
能源的运输效率理论上只与比能有关系，比能越大的燃料，其运输效率越高，反之亦然。理论上如果只考虑运输效率，那么每一种燃料都存在着最优的燃料携带值。被诟病能量密度低的锂电池，实际上是锂电池车运输效率较低的一种通俗说法，比如我国规定可以享受新能源车补贴的电池只有160Wh/Kg，仅相当于0.6Mj/Kg。“南阳水氢发动机”实际上是将一座小型化工厂和化工原料搬到了车上，带来的是车体质量与耗能的不对称增加。按照项目负责人介绍的每百公里100Kg水，与锂电池车每增程100Km需要100Kg电池组差不多，也就是说失去了氢能源“增程多增重少”的优势。
假设“水氢发动机”能够正常运行，那么用一形象的比喻，水氢电动车就如同一列缓慢前行的驼队，为了能够到达更远的目的地，就需要多加骆驼（水）进团，利用骆驼携带更多的补给（水催化制氢），但新增的骆驼给驼队带来了额外的消耗（车身增重），所以新增骆驼携带的补给（水催化制氢）不仅为增程也要为增重提供能量。随着距离的增加新增骆驼（水的重量）的速度越来越快，而每头骆驼可携带的补给保持不变（水催化制氢效率不变），驼队（水氢电动车）的距离瓶颈将很快出现。“南阳水氢发动机”的能源运输效率极低，所以所谓100Kg水跑100Km的水氢汽车，无论如何做不到加200Kg水跑200Km，甚至有可能由于增重和耗能的不对称增加永远达不到续航200Km。
二、从能源商品属性判断水氢发动机
能源作为一种商品，开发、应用、排放的处置成本永远是其大规模应用的基础，从经济上制约着任何一种能源产品的能源主体地位，决定了某些能源经济意义的枯竭和丰饶。“南阳水氢发动机”之所以抓人眼球，即在于它能一定程度上降低储存、运输氢气的成本。但是水＋铝氧化制氢所增加的制氢成本却是算不过账的。能源的成本是市场充分条件下，技术和资源稀缺程度的集中体现，是一种时点上的均衡。
“南阳水氢发动机”的使用成本主要集中于铝金属成本和氧化铝等催化剂成本，网上有以铝价为基础计算的制氢成本，相对于电解制氢、煤气化制氢等主流路线成本要高几个数量级。实践上为了得到纯氢，同时提高反应的速度和稳定性，必须使用高纯铝粉和氧化铝催化剂，达到四个九即99.99%的纯度，这一纯度的特种铝制品价格远远高于普通铝价。铝的成本曲线，来自于铝土矿的稀缺性和电解铝的高能耗，在可见的将来，作为工业原材料铝的价格也很难成量级地递减。制氢的成本一直是制约氢能大规模应用的瓶颈之一，2009年诺贝尔奖获得者，前美国能源部长朱棣文现在虽然是氢能源的支持者，但在其任期初则并不看好氢燃料电池，甚至打趣认为主（lord）需要三个奇迹（miracles），而燃料电池需要四个奇迹（miracles）才够产业化：更好（便宜）的制备，运输分配，存储氢气的技术，以及氢燃料电池成本和稳定性。氢气制备这一重要的工业化技术环节：包括化石能源制氢、电解水制氢等集中和分布式制氢的成本控制，以及尚在实验室阶段的核电站废热制氢、生物制氢、光电制氢等等非主流路线如图1.1，这些制氢技术在绝大多数条件下都比“南阳水氢发动机”的铝粉制氢成本便宜很多。
图1.1 氢能的来源，制氢技术成熟度和技术发展
三、从能源国别权力属性判断水氢发动机
能源商品还是一国的权力手段，一国的主体能源与其能源资源的禀赋有着完美的契合性，这一禀赋既归因于资源和技术的比较优势，又可大部分归因于国际政治资源的丛林分配，能源作为权力手段进可实现自己的国家意志，退可拱卫本国社会经济国防。相对于煤制氢所需的煤炭，自给率超过90%，铝土矿的自给率只有50%，特种氧化铝的某些品种还较依赖进口。
氢能源作为具有一定竞争力的能源品类，主要以二次能源的形式存在，在氢能源产业发展的初期其可被归类为不可再生二次能源，还是需要大量的化石能源作为原料和燃料以供调配。“富煤，贫油，少气”是我国能源禀赋的鲜明特点。对于中国来说在目前和未来相当长的一段时间内，煤炭仍然是最便宜、最能自给自足,拥有绝对价格话语权的能源。丰富、廉价、可靠，是我国现阶段能源结构首要考虑的因素。更重要的是，我国石油、天然气资源总量小且增产难度大，对外依存度已经过高，煤炭所具有的这些特征使其对中国能源供给的重要作用短期内很难被取代。利用煤炭作为一次能源制氢是当今世界的主流路径之一，已大量布局于我国的炼化行业。根据统计，中国现有的专用制氢产能62%是依托煤气化技术的煤制氢路线，在副产氢产能中除了较少量的氯碱副产氢外绝大多数产能也可归于炼焦工业（焦炉煤气）领域。
四、从能源环境道德属性判断水氢发动机
能源的道德溢价越来越高，环境融合度、环境成本以及废弃物的处置有可能成为能源、电源选择的主要参考因素。可以肯定的是传统燃料将在未来将受到二氧化碳税更严厉的规制。“南阳水氢发动机”铝＋水产生氢气供应燃料电池，理论上只排放水而没有碳排放，但是从铝土矿中得到铝的过程却是大量耗电的，发电过程会有大量的二氧化碳排放到空中。按照燃料电池车每100Km耗氢1kg，根据化学反应式，用铝粉还原制取氢气1Kg，需要消耗金属铝10.1Kg，从氧化铝获取原铝大量耗电，10.1Kg电解铝耗能为10.1Kg×13×0.4=52.52Kg标准煤,按照2.6标煤碳排放系数，相当于“南阳水氢发动机”的碳排放达到136.5KgCO2/100Km，这还不算开采铝土矿、提炼氧化铝过程中的碳排放。
制氢过程的碳排放、煤制氢的温室气体排放（无碳捕捉和排放处理）一般为19Kg［］CO2/ 1Kg氢气 , 天然气制氢的排放在8. 9 KgCO2/1 Kg氢气。实测不到1Kg氢气就可供燃料电池汽车行驶100Km。所以 燃料电池车的相应的碳排放在8.9-19KgCO2/100Km，如图1.2。反观电动汽车运行过程中的排放，以电池管理最佳案例特斯拉为例，普通载重下一度电可以行使8、9公里，即使电源全部来自煤电，碳排放一般也只有10KgCO2/100Km左右，如图1.3。汽油车的碳排放一般在33KgCO2/100Km，算上采油、炼油的碳排放则会达到50KgCO2/100Km以上。所以汽油车的碳排放一般是锂电池车（BEV）的3倍，氢能源汽车的2.5倍左右，水＋铝反应制氢的二氧化碳排放又是汽油车碳排放的接近3倍，排放角度上同样高出各类新能源车一个数量级，是十分失败的制氢尝试。
图 1.2 各电源的全生命周期（LCA）的碳排放图，单位：吨，来源：保罗J迈耶，威斯康辛大学，2002.
作者认为，汽油、氢能源、锂电池温室气体排放的差距如此之大，主要源于利用一次能源的效率不同，锂电池的转化效率更高主要原因是：从一次能源到电能再到机械能的转换步骤少，除了线损和充电损失（均可控制在10%），总体效率损失较少（主要损失是在发电阶段）； 氢能源转化效率高的原因主要在于利用的方式，即氢能发电不受卡洛循环束缚，其电化学能效是内燃机的1.5倍，理论效率是汽车发动机的2.5倍达到60%；汽油的转化效率低既源于从开采到运输到石油炼化——内燃机的用能方式，更因为内燃机较低的热效率限制，徘徊在35%。不同于其他清洁能源比如天然气，氢的散佚也不会产生更强的温室效应。然而氢能并不是一种零排放的能源，虽然在使用阶段燃料电池没有任何碳排放，但是除了很少量制氢来自太阳能，大量制氢能源还是来自于化石能源。综合了炼化、使用、废弃物处置，氢能相较其他直接利用化石能源的方式都更清洁。
五、利用能源思维思考氢能发展
无论是为变革中的世界提供更优能源方案还是源于能源产业史的必然，人类对能源的利用都存在着明晰的主辅两条轨迹。主线是以能量密度作为逻辑，从远古时代的植物、柴火、动物脂肪、木炭等到煤炭、石油、天然气等化石能源再到被憧憬的核聚变反应，意味着人类能源需求的机动性、高效性、时间空间的平衡性得以满足，能够降低使用成本令不可能的物理世界极限变得触手可及。另一条辅逻辑却渐成近二十年来[]能源行业发展和变革的主旋律，即高碳化的能源向低碳和无碳转型（理论上包括可再生能源以及核能）；纵观能源利用的历史，将其视为辅线实在因为这样的转型并非人类意识到温室气体的存在和危害而被迫接受的准则，而是为了更好利用能源而主动为之——选择和开发能量密度更高的燃料作为利用能源的主线，其结果之一是人类走出了一条低碳的高氢能源路径。通过加氢脱碳形成饱和碳氢化合物是汽油、柴油、煤制油等大多数二次能源的化工制备化学基础和产能实现形式[]饱和碳氢化合物更易充分燃烧，以提高石化能源的燃烧效率，如果将饱和碳氢化合物推向氢、碳分子的终极即是纯氢，所以未来理想的清洁能源可以来自化石能源并摆脱碳键。
随着世界经济不断发展，为了满足世界人民对美好生活的需求，交通运输业持续发展，并成为碳排放增长的主力（如图1.4）。
图1.4 2016年交通行业碳排放量超过电力行业 来源：EIA 年度能源回顾2017
为了提供更理想的交通工具燃料，人类对高比能低排放的燃料追求从未止步，一段时间以来为氢折服的不仅是南阳地方政府。氢燃料电池全世界公认的翘楚——加拿大的巴拉德公司（Ballard）从建立到现在已经40年，这是加拿大政府在国家层面上长期扶持才有的局面[]，从1970年代阿波罗登月计划第一次用在航天行业，再到小布什（George W.Bush）总统执政作为美国能源独立战略的一项内容，到2018年丰田公司的未来（Mirai）燃料电池车的接近量产，这个时间跨度，我们的国家在制度，资金和风险上是否能接受，我们的企业是否能坚持底层研发持续投入和底层技术的渐次提升。科技创新不是商业模式的创新，真正的科技创新带来的生产力的变革是颠覆性的。中国科技发展到现阶段靠模仿和跟踪发达国家得技术已经不能提升中国的科技水平和大国形象。未来爬科技树，往产业链高度提升不能靠小道超车，还是要靠我们得己得科学家和工程师大胆尝试，在失败中前进。 在高科技发展过程中，我们要有迭代进化的技术思想。新的科技都是和生物体系一样，都是新概念提出后慢慢进化出来得。害怕失败，求稳是科技创新最大得敌人。纵观历史，因所谓的新能源而搞事情，搞的比较离谱，不只是现时的中国，也存在各历史阶段的许多国家。国家推进供给侧结构性改革以来，新能源行业发展较快。但政策制定者只有本着还原能源商品属性的初衷，才能使各类新能源创新和商业化各归其位。凡是任期政府，应该在“南阳水氢发动机”这样一种“创新”中起什么作用确是很难言说，但只要不把乌纱帽和情怀压宝在短时间锦标赛式的政绩上，总不会对 “科学地搞事情”推波助澜。
Fuel Cell Technologies Market Report 2016, Staionary Power, pp 26
https://myfcpower.com/about
https://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel-cell3.htm
《麻省理工科技评论，https://www.technologyreview.com/s/413475/q-a-steven-chu/
原话是“If you need four miracles, that’s unlikely: saints only need three miracles”如果你需要四个奇迹那就算了，因为主也只需要三个奇迹
《Carbon footprint of the hydrogen production process utilizing subbituminous coal and lignite gasification》，Journal of Cleaner Production，139 (2016) 858e865，journal homepage: www.elsevier.com/locate/jclepro。
京都议定书时间1997
《IEA Energy Technology Essentials》,pp 4,Hydrogen Production & Distribution 2007,“Current H2 Annual Production: 65 million tonnes per year, equivalent to 8EJ (less than 2% of world total primary energy supply)”Hydrogen Production & Distribution 2007，Current H2 Annual Production: 65 million tonnes per year, equivalent to 8EJ (less than 2% of world totalprimary energy supply)
Fuel Cell Technologies Market Report 2016, Staionary Power, pp 26
本文作者系国家能源集团金融中心主任助理 袁锐
