氫經濟 by 孫元一

氫經濟若燃料電池要成為現代蒸汽機，基礎研究必須在相關知識、材料和設計上有重大突破，使一以氫為基礎之能源系統能成為具有活力和競爭力之趨勢。

George W. Crabtree, Mildred S. Dresselhaus, and Michelle V. Buchanan George Crabtree is a physicist in the materials science division at Argonne National Laboratory in Illinois. Mildred Dresselhaus is a professor in the department of physics and the department of electrical engineering and computer science at the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Michelle Buchanan is a chemist in the chemical sciences division at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

自從工業革命始於18世紀以來，化石能源（煤、石油和天然氣）已成為建構現今社會所需之各類科技和運輸網路的動力來源，而持續不斷地使用化石能源正威脅著世界未來能源的供給和對環境加諸了巨大的負擔和影響。隨著地球人口的成長和開發中國家的工業化，世界能源需求量預計在2050年會達現在的兩倍1。可是，化石能源的供應是有限的，專家預計在我們有生之年會出現石油與天然氣限制性的短缺情形（見Paul Weisz在Physics Today之文章，2004年7月刊，第24 頁）。世界石油與天然氣僅蘊藏集中在地球某些地區，若所有地區需求量均成長時，將導致能源安全供給會越來越難以保證。此外，使用化石能源會危害到我們的健康，因為它會產生化學和微粒污染，並且二氧化碳和其他溫室氣體的排放物與全球暖化有關，正威脅著地球氣候的穩定性。化石燃料的替代能源不可能一夕出現，在替代能源的產量和價格能與化石能源相互競爭前，以及因商業化而所必需發展之適當的經濟基礎建設建構完畢前，大量的研發工作是必需的。由於每個研發階段都需要花費很多時間，若能以較大的全球投資於相關的研發工作，則可能會加速經濟變遷的腳步。雖然不可能預測到底何時化石燃料會供不應求，或何時全球暖化問題會更嚴重，但是化石能源用量逐年增加的趨勢，正縮減了我們過渡到替代能源的機會之窗。

氫－能源的攜帶者氫是一有希望取代化石能源的選項2,3（見Joan Ogden在Physics Today之文章，2002年4月刊，第69頁），經由與氧的化學反應，氫可以在熱機中爆炸性地釋放能量，或是在燃料電池中平靜地產生反應並生成僅有的副產物－水。氫的蘊藏量非常豐富，且不分地域國界廣布於世界，因此用它來開創氫經濟－以氫和電為基礎之未來能源系統－僅需考量技術，不需以政治為手段。儘管在許多方面，氫是一吸引人的化石替代能源，但它並非以燃料H2的形式存在於自然界，而是存在於化合物，像水或碳氫化合物，必須經由化學轉換才能獲得H2。氫像電一樣，是能源的攜帶者，必須從天然資源中被產生。目前世界上大部分的氫是用天然氣蒸汽重組法（steam reforming）所製造生產。然而，若是

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Figure 1. The hydrogen economy as a network of primary energy sources linked to multiple end uses through hydrogen as an energy carrier. Hydrogen adds flexibility to energy production and use by linking naturally with fossil, nuclear, renewable, and electrical energy forms: Any of those energy sources can be used to make hydrogen.

從化石能源中產氫就喪失了氫經濟最大的存在理由，因為蒸汽重組法並沒有減少化石能源的使用量，僅是將化石燃料的最終用途轉換到早期生產階段而已，而且它仍會以CO2形式釋放碳到環境中。因此，若要實現氫經濟的好處，我們必須從非化石能源發展製氫的方法，就像是「水」這種可再利用能源。圖一敘述氫經濟網路應包括三個功能步驟：生產、儲存和使用。目前已有初步的技術可達成這三個步驟，但均尚未在價格、性能和可靠度方面優於化石燃料。即使用最廉價的氫製程－甲烷蒸汽重組法，氫之成本仍為汽油成本之四倍，在等同量之能源比較下，並且使用甲烷並沒有降低化石能源之使用量，或減少二氧化碳之排放量。而氫氣可儲存於高壓氣瓶或製成液態氫儲存於低溫容器中，雖然能量密度仍然無法提供實際之應用－如ㄧ個汽車油箱就可讓汽車行駛約500公里的里程。氫可以藉由燃料電池轉換成電力使用，但是目前原型燃料電池模組的生產費用仍然太高，每千瓦3000美元（大量生產可將此成本降約1/10或更多些），而同樣每千瓦對汽油引擎而言，成本僅需30美元。以目前氫之生產、儲存和應用之最佳技術，離達到具競爭力之氫經濟所需之條件，仍有極大的差距，大到無法以逐步的提昇技術來跨越此一差距，這必須仰賴基礎研究所帶來的重大突破，才能解決問題。

超越重組美國能源部門估計在 2040 年時，由燃料電池所驅動的汽車與輕型卡車每年將需要約 1.5 億公噸的氫燃料 3。目前美國每年可生產約 9 百萬公噸的氫，幾乎都是藉由重組天然氣而得。挑戰是如何找到不昂貴且有效率的方法，從非化石燃料的自然資源中來大量轉化產出氫燃料。最有希望的技術就是水分裂（splitting waters），因為水就是氫之天然來源。此法需用能量以分裂水分子來釋出氫，而此耗能將於其後氫之氧化反應中復還並產生水。為了避免化石燃料介入此循環，分裂水的能量來源必須從非碳資源中取得，例如由太陽光輻射激發半導體材料之電洞對所產生的能量、核反應爐或太陽集電器之熱能，或由諸如水力與風力等再生能源所產生的電能。水分解法中最奇妙的方法是直接將太陽光能分裂水產出氫 4，已建立的分解

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水技術包括兩個步驟：光電伏打電池將太陽輻射光轉換成電能，接著在另一電池中進行水的電解。普遍都已知道，當使用昂貴的單晶半導體於多重接點之太陽電池堆時，光電伏打轉換的效率可高達 32%，或使用便宜很多的有機半導體太陽電池時，其轉換效率僅約 3%；值得特別注意的是，以上兩種發電成本是大約相同的。另先進的水電解裝置可達 80%的水分解效率。上述兩個步驟過程可被結合成一奈米尺度過程：光子吸收產生局部的電子洞對，它會透過電化學反應裂解相鄰的水分子。理論上，此一整合的光化學反應過程比起前述兩個相續的過程明顯有較佳的效率，目前實驗室已達到的最高效率為 8~12%4 ，並且隨著研發人員學習如何更佳地控制奈米尺度之激發和光化學技術，預期效率仍有甚大的增長空間。此技術之挑戰，在於必須找出相當耐用的半導體材料，以滿足自然界的競爭要求。太陽的光子主要在可見光波段，此波段需能隙低於 1.7eV 的半導體材料，才能有作有效的吸收。氧化物半導體，像二氧化鈦在液態環境中相當活躍，但其能隙高達 3.0eV，因此需要有較高能的光子才能激發（無法吸收可見光）。應用染料敏化光電池來積聚多重低能光子的能量，使之累積而可注入高能電子於半導體材料中，是一個可配合太陽光譜的有希望方向。另外，在氧化物半導體中摻入雜質以降低其能隙能量，藉以改善其與太陽能譜的重疊性，增加吸收效率，也是可行的方向之ㄧ。以上兩種方法，均需在奈米結構複合材料的研發上有新的策略，才能更有效率地使用太陽能來裂解水。水也可在高溫促進反應動力的熱化學循環中被裂解 5。其熱源包括太陽能集熱器，操作溫度幾達 3000℃，或操作溫度被設計在 500℃~900℃之核能反應器（見 Gail Marcus 和 Alan Levin 在 Physics Today 之文章，2002 年 4 月刊，第 54 頁）。有超過一百種的化學循環已被提出，包括之系統含以鋅－氧為基礎而操作溫度在 1500℃之反應系統、操作在 850℃之硫－碘系統、操作在 750℃之鈣－溴系統和操作在 550℃銅－氯系統等。在高溫之下，熱化學循環必須在適合的反應動力機制和容器之化學嚴重腐蝕之間作取捨。第二個挑戰是如何將反應產物分離：若允許冷卻，則未分離的氣體混合物會再結合。但是，在高溫之下，能有效鑑別以讓氫、氧、水、硫酸氫鹽或碘化氫選擇性穿透的薄膜材料，仍然是一大問題。經由觸媒的突破性改善，或可降低熱化學循環的操作溫度，使在不損及效率的情況下，可降低對高溫材料的需求。在分子層級的挑戰工作中，研究人員在奈米級的設計上有很快速的進展，包含藉由觸媒加速反應的化學動力、高溫狀態下分離產物和引導產物進入下一個反應步驟。由生物給予靈感的過程可提供一個很好的機會重新審視產氫的問題6。大自然已在三十億年前便開始型塑其自身的氫經濟，它應用光合作用轉換二氧化碳、水和陽光成氫和氧。植物在其莖葉中利用氫製造所需的碳水化合物，並將氧氣釋放到大氣中供給動物呼吸。諸如海藻和許多微生物或細菌等單細胞生物，在常溫下藉由分子層級反應過程可有效產氫。這些自然的產氫機制，牽涉到精細複雜的蛋白質結構，而後者僅在最近才被部分地瞭解。例如數十億年以來，植物藉著以錳－氧複合物為主的催化劑，已在常溫下有效率地裂解水，一個可釋放質子與電

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子的過程。同樣地，長久以來細菌利用鐵和鎳複合物作為活性元素，可結合質子與電子生成H2，也可分解H2成質子與電子（見圖二）。希望研究者可以善用此自然界有效的產氫過程，藉著全盤瞭解分子的結構與功能，然後學習如何用人造原料來模擬此過程，並將之應用於諸如燃料電池的陽極和陰極上。

氫儲存高能量密度型式之儲氫如何與氫之生產和終端使用作彈性地連結，是發展氫經濟一個關鍵因素。氫不像電，必須產出率與使用率一樣，它可以儲存以供日後使用，或可用為穩定和添補因能源生產與消耗過程中所產生的不同暫態循環所需之能量。傳統儲氫選項在概念上是簡單的，即用液態鋼瓶和高壓氣瓶，工業廠房與實驗室都已經習慣以這兩種方式來處理氫。此儲氫方法對於固定消耗氫的大型廠房是可行的，因為廠房可容納大的重量和體積。液態氫的儲存方式會大大地增加能量成本，因為在液化的過程中可能會損失將近 40%的能量。而在交通運輸的應用方面，於載具上儲氫是一相當困難的挑戰，因為重量與體積都受到限制，且又需儲存足量的氫燃料，使可實際行駛的距離能和汽油動力的車子可相比較 3。圖三以各種燃料的質量能量密度和體積能量密度（考慮燃料箱和和燃料處理設備）來說明實際應用的挑戰。對氫而言，那些附加的重量是整體重量的主要部分。在車輛應用方面，氫僅需儲存汽油能量的一半，因為燃料電池的效率是內燃機引擎的兩倍以上。雖然如此，以目前最先進之電池使用液態和氣態氫，在能量密度上，均仍遠遜於汽油。如要克服車輛應用上之體積限制，則需要以比液態氫還高密度來儲氫。圖四顯示氫儲存在多種化合物或在某些液態碳氫化合物中的體積密度 7。所有那些化合物的儲氫密度都高於液態氫或在 10000 psi (~700 bar)時的壓縮氫氣，相互比較可見圖四右側垂直軸座標之點。最有效的儲氫介質是位在圖右上方區域，其中氫 Figure 2. Nature has developed remarkably simple and efficient methods to split water and transform H2 into its component protons and electrons. The basic constituent of the catalyst that splits water during photosynthesis is cubane (top)— clusters of manganese and oxygen. Researchers are only beginning to understand cubane’s oxidation states using crystallography and spectroscopy (see J.-Z. Wu et al., ref. 6). Bacteria use the iron-based cluster (bottom, circled) to catalyze the transformation of two protons and two electrons into H2. The roles of this enzyme’s complicated structural and electronic forms in the catalytic process can be imitated in the laboratory. The hope is to create synthetic versions of these natural catalysts (see F. Gloaguen et al. and J. Alper, ref. 6).

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與輕元素，如鋰、氮和碳結合。在此區域的材料具備最高的氫質量分率和氫體積密度。碳氫化合物，如甲醇和辛烷之所以受到青睞的原因，除了本身是高體積密度的儲氫化合物之外，並是高能量密度的燃料；此外，可使化石燃料釋放和回收本身的氫之循環，已被應用於定置型化學處理工廠 7。運輸載具的儲氫和用氫面臨兩個挑戰：如何在 0~100℃和 1~10 bar 條件下，有效提升儲氫材料的容量及其被重覆使用的性能。為了達到重量輕且容量大的目的，必須要使用具有強化學鍵可容納氫和輕原子之穩定的化合物，如 LiBH 4 （L: lithium 鋰；B: Boron 硼）。但為了要達到快速的循環再用性能，則需要使用具弱化學鍵、快速反應和短擴散距離等特性（如具有表面吸附特性）之材料。因此，要同時具備高儲存量和快循環性之材料特性要求是相互矛盾的。許多大容量的儲氫化合物，如 Mg 2 NH 4 和 Na + (BH 4 ) − 可以容納大體積密度的氫，但是必須要在 300℃或高於 1 bar 的狀態下才能釋放氫。而可在較低溫儲存和釋放氫的化合物，如 LaNi 5 H 6 ，其燃料可儲存之氫質量分率低，故總重量會太重而難以攜帶。表面吸附氫是一可具快循環能力的有潛力方法，但仍幾乎未被探討，除了對碳基材外。氫可以分子或原子的形式被吸附於適當的表面上，藉由壓力、溫度或電化學電位差來控制它的表面結構和鍵結強度。目前一個主要的挑戰是如何控制多層氫的鍵結和其化學動力。第一層鍵結是藉由凡德瓦力或基材特有的化學力；第二層主要與第一層相鄰，因此具有非常不同的化學鍵結強度。吸附在碳上面的單層氫之特性可被相當準確地預測，如圖四的實線所示；但多層氫的特性則尚未被瞭解。藉由研究碳的經驗得知，必須以多層儲氫的方式才會有較為有效的儲存容量。有一個方法可以克服單層的限制，就是將氫吸附於基材的雙面，並安排不同基材之奈米尺度堆之間隙，以保有基材雙面的氫通道。奈米結構材料提供許多可行的儲氫方法，均具有大容量和快速循環利用的特性。因為它擁有較大的表面積可以塗佈觸媒以促進氫氣的解離，而且小體積的個別奈米粒子可產生短的擴散路徑到材料的內部。氫的化學鍵強度可藉加入添加物 7 而減弱，例如添加二氧化鈦於氫化鋁納（NaAlH4）。吸附和釋放的循環是一複雜的過程，其中包含了分子的解離、擴散、化學鍵結和凡得瓦吸引力。每個上述步驟都可以達最佳化於一特定的奈米尺度環境中，這包括適當的觸媒、缺陷和 Figure 3. The energy densities of hydrogen fuels stored in various phases and materials are plotted, with the mass of the container and apparatus needed for filling and dispensing the fuel factored in. Gasoline significantly outperforms lithium-ion batteries and hydrogen in gaseous, liquid, or compound forms. The proposed DOE goal refers to the energy density that the US Department of Energy envisions as needed for viable hydrogen-powered transportation in 2015.

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雜質原子。經由整合這些步驟，使其成為一相互影響之奈米尺度建築結構，在其間如氫分子或原子能夠在某一環境下解離，然後再擴散轉移至另一環境，奈米科技工程師能夠同時最佳化所有要求的性質。另一種方法是利用具有開放結構之三維固體，如有機金屬架構可將氫分子或原子吸附於其內部表面上。構成此一架構頂端之金屬原子可以是觸媒或添加物，用以促進氫之吸附和釋放的循環。妥善設計之奈米尺度之建築架構可提供尚未被探索的可能選項，使之可以有效地控制反應和鍵結來達成所希望儲存的需求。

了解有成功希望之預示以氫作為燃料的一個最主要吸引力，即是它與燃料電池的天生相容性。燃料電池有較高的轉換效率，目前約 60%，相較於目前汽油內燃機為 22%或柴油內燃機之 45%，燃料電池或將大大改善未來能源使用的效率。結合燃料電池和電動機，在不需以熱為媒介的情況下，可將氫的化學能轉換成機械功，效率可高達 90%以上。這個吸引人的能量轉換新方法將可能可以取代許多傳統的熱機。此甚高之效率優點正是發展氫燃料電池的一個強大推力。儘管是燃料電池的效率較高，也有許多好的理由在運輸熱機中燃燒氫。噴射引擎和內燃機僅需相當簡單的修改，便可用氫取代原先的碳氫燃料。內燃機以氫運轉效率可比汽油多出達 25%，而且不會產生含碳排放物。美國與俄國均已在商務飛機上作修正後噴射引擎燒氫之試飛 9。同樣的，BMW、Ford，以及 Mazda 等汽車公司，已開始氫汽車引擎的道路測試，里程數達到 300 公里，另美國、歐洲和日本正持續在某些地區建立氫補給站之網路。這些測試車與補給站可能可以提供氫燃料電池運輸初期發展和過渡之橋樑。燃料電池的多用途，使它們可用於任何需要電力的地方。定置型電廠提供鄰近地區 200 千瓦的電力，在實用上和操作上是可行的。此類電廠可連結至電力網以分攤電力，但當電力網發生故障，它們可獨立供電。對於筆記型電腦、手機、數位相機和隨身聽等消費性電子商品，燃料電池可以提供比傳統電池更長的使用 Figure 4. The storage density of hydrogen in compressed gas, liquid, adsorbed monolayer, and selected chemical compounds is plotted as a function of the hydrogen mass fraction. All compounds here except the graphite monolayer store hydrogen at greater than its liquid density at atmospheric pressure; green data points on the right-hand side indicate liquid and gaseous H2 densities. The straight lines indicate the total density of the storage medium, including hydrogen and host atoms. Of the inorganic materials (plotted as triangles), the compounds shown in boxes all form the alanate structure, composed of a tetrahedral, methanelike AlH4¯ or BH4¯ anion and a metal cation. Those compounds are among the most promising hydrogen storage fuel-cell materials. (Adapted from L. Schlapbach and A. Zuttel, ref. 7.) http://www.physicstoday.org

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時數，這是在相同體積和重量的條件下。雖然每千瓦的成本較高，相信在不久的將來，成本應可降至合理的價格。而電子商品可能可成為第一個廣泛進入消費市場的商品，從此建立社會能見度，使氫科技的學習曲線能加速進展。大量普遍化的運輸市場提供了氫燃料電池巨大的發展機會，使化石燃料使用量可顯著地減少，並降低有害物質排放量和增進能源使用效率。燃料電池不但可以運用在汽車、卡車和巴士上，也可以取代火車的柴油發電機和驅動電動船 8。在歐洲已經有 30 台燃料電池巴士的示範車隊，來回往返於十個城市間的固定路線，而日本正仔細考慮要推出商業化之燃料電池汽車。在氫燃料電池可與汽油引擎競爭前，一大堆基礎性能問題仍然尚待解決 10。燃料電池的心臟是負責在電極間傳送質子或氧離子的離子傳導膜，其中電子經過外部負載來發電，如圖五所示。每個在迴路進行中的半反應，都需要透過觸媒，來與傳遞於不同媒介間的電子、離子和氣體進行交互作用。如何為此三相滲透網路設計出一個奈米尺度的建構，使其可有效地調節反應物和奈米結構觸媒的交互作用，是一個提升燃料電池性能的主要機會，關鍵是讓共存於電池中之三相：通入的氫或氧氣相、電解液的質子傳導相和讓電子流進或流出外部迴路的金屬相（見 Physics Today 之文章，2001 年 7 月刊，第 22 頁）可緊密地接觸。限制質子交換膜燃料電池（PEMFC）性能的一個主要因素，即是過慢的陰極氧還原化學動力反應，就算是使用最好的白金觸媒，當實際輸出電流時，此一緩慢的氧還原反應會造成燃料電池的輸出電壓從理想的1.23V降至0.8V或更低，此壓降即是所知之氧之過電位（oxygen overpotential）。而化學動力反應緩慢的原因和使反應可加速的解答，就隱藏於複雜的化學反應路徑和氧還原反應的中間過程中，現在有可能可以藉由複雜的表面結構和光譜儀工具，如振動光譜儀（vibrational spectroscopy）、掃描式探針顯微鏡（scanning probe microscopy）、X 光繞射和光譜儀（ x-ray diffraction and spectroscopy ）和穿透式電子顯微鏡（transmission electron microscopy）等，來瞭解在原子等級之氧還原反應11,12。即時電化學探針可在反應中或接近反應時，展現出反應路徑之能量、化學動力和中間產物，以及反應路徑與表面結構和反應物與觸煤成份之關係。這些強有力的新實驗探針，結合同樣強而有力的計算量子化學應用密度泛函理論（density functional theory）13，正打開了瞭解催化過程之原子等級新的一章。那些關鍵特色的角色，如觸媒原子結構和其基材，以及表面重建原子的電子結構和吸附中間物的種類，已達具備基礎瞭解之範圍內。這些新興和敏銳的實驗與理論工具，使奈米級電催化領域，更加快速且全面地成熟發展。此方面研究是高度跨領域的，牽涉到化學、物理和材料科學之最重要核心知識。除了氧還原反應之外，燃料電池仍有許多其他挑戰。例如質子交換膜燃料電池中主要的薄膜材料是全氟磺酸（PFSA），它是以C-F鍵為主支且側邊包含酸性硫酸基（SO3¯）的鍵結（如Nafion）。除了價格太高，此薄膜必須吸收流動的水分子至其結構中來使質子可以傳導，這限制了操作溫度必須要低於水的沸點。在此一低溫環境約80℃左右，必須使用昂貴的觸媒，如白金，才能使電化學反應開

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Figure 5. In a proton-exchange-membrane fuel cell, hydrogen and oxygen react electrochemically. At the anode, hydrogen molecules dissociate, the atoms are ionized, and electrons are directed to an external circuit; protons are handed off to the ion-exchange membrane and pass through to the cathode. There, oxygen combines with protons from the ion-exchange membrane and electrons from the external circuit to form water or steam. The energy conversion efficiency of the process can be 60% or higher.

始充分地活動，但是在氫燃料中只要有極微量的一氧化碳即會毒化觸媒。ㄧ個較高的操作溫度將增加觸媒使用的適合範圍，並減少其被毒化的敏感性。可在 100~200℃的操作環境下，替代質子交換膜之有成功希望的研究方向，包含用磺酸基處理之C-H聚合物而不用C-F聚合物，以及使用無機聚合混合物和酸鹼聚合混合物14。固態氧化物燃料電池（SOFC）需要可傳輸氧離子O2¯之薄膜，通常由鈣鈦礦材料包含特殊設計之缺陷結構所組成，使之僅會在高於800℃時具有足夠的傳導性。此高溫限制了可應用於SOFC之建構材料，以及限制了SOFC只能應用於特殊的環境，像定置型發電站或大型冷凍卡車，因為它們必須確保有適當足夠的熱隔離和安全性。因此，尋找可在較低溫狀態傳輸O2¯的新材料，將可大為擴展SOFC 之應用範圍和降低其成本。

未來展望氫經濟擁有巨大的社會和科技的形象魅力，被當作是可以解決充足供應和具有最小環境衝擊之根本能源問題的可能解答之一。ㄧ個最後成功的氫經濟，取決於市場是如何回應：新興的氫技術是否會比今日的化石燃料提供更多的價值嗎？雖然市場最後將會推動氫經濟，在推動從化石燃料至氫技術之過程中，需要政府來扮演關鍵的角色。這是因為研發的投資是很龐大的，而具體有希望的成果卻是不確定的，且報酬往往是在市場投資回收容忍的時間範圍之外。因此，早期之政府投資，以建立目標、提供研究補助和分擔風險，是準備推出一個有活力由市場驅動之氫經濟所必須的手段。社會大眾對氫之接受度，不僅是取決於它的實用性和商業的吸引力，同時也取決於大範圍使用之安全記錄。氫的特別易燃、輕而浮力大和易滲透的特性，使得使用氫不同於其他能源攜帶者，有許多安全上的挑戰，雖然不一定較困難。研究者正探就許多不同的議題：如氫-空氣混合物的流體力學、氫氣與其他氣體的燃燒，以及接觸氫之材料脆化等等問題。社會大眾接受氫的關鍵在於用氫之安全

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標準程序的建立，就像現在民眾普遍使用的自助加油站或插電裝置一樣。是故，與氫經濟安全相關之技術和教育，是必須要受到小心的重視。技術的進展將來自兩種形式。一種是持續增進現有的技術，以提供進入氫經濟的低風險商業入口。那些進展包括增加天然氣重組技術的產率來降低成本和提高效率；改善可儲存高壓氫氣瓶的材料強度；調整內燃機的設計以適合燃燒氫。但若要重大地提升能源供給和安全，以及減輕碳排放量和空氣污染，氫經濟必須以遠遠超出前述改善現有技術之進展來作具突破性之發展。氫若要取代化石燃料，必須藉由可利用太陽輻射、熱化學循環或由生物給予靈感所研發出來之觸媒來分解水之高效率產氫方法，另氫必須在可攜式之固態介質中能被儲存和被釋放，而且轉換氫成電和熱的燃料電池必須要能被廣泛地使用。要達到上述技術上的里程碑，同時滿足市場對成本、性能和可靠度的要求，必須有重大之突破，而這僅會來自基礎研究。氫與許多材料之交互作用，包含了許多重要的基礎問題，它們現在已可被比先前任何時期均更加完整地被探索，應用精密的原子層級掃描探針（atomic-level scanning probe）、現場原位架構與分光工具應用X光線、中子和電子散射設備（in situ structural and spectroscopic tools at x-ray, neutron, and electron scattering facilities），以及強有力的理論和模擬應用高速電腦。我們的希望是在瞭解長存於自然界中之謎，像是催化反應的分子機制和植物在室溫下用陽光所進行的水分解過程。奈米科學提供了對基本問題如氫與材料間交互作用之新的測試方法，也提供了發展具有專門訂製設計建構之合成材料的趨勢動能，這奈米尺度的分析和合成的組合將有希望創造出新的材料技術，例如若能規則性地控制電子、離子和催化過程，將可以調節控制燃料電池中之三相滲透網路，如此精妙的控制材料行為似乎已唾手可得，而這是從來未曾有的。氫經濟的國際特性，一定會影響它如何在全球的發展及演化，世界每個國家或區域均有科技和政治上之風險考量，而國與國間的合作可平衡資源和創造出新工藝和具組織性之推展氫經濟的方法，這比起單一國家的行動應會對所有國家在推展其氫經濟上有重大效果。不同國家有不同氫研究的重點目標，而交流合作以共享研究計畫和成果，是推展氫經濟的必要條件。氫經濟會成功嗎？歷史前例暗示其可能會。新能源和其介質與新能源轉換裝置相結合時，會茂盛發展。例如，當蒸汽機推動工業革命時，煤就成為燃料的王者－它使陸上交通工具從馬車轉換成火車，而海上交通從帆船進步到汽船 15。當石油成為內燃機之燃料，就可驅動汽車和卡車往來大陸間，不久噴射機就征服天空。電力與燈泡和旋轉馬達的結合，提供了我們家庭及工業所需的電能。氫有它自己的天然能源轉換夥伴，即燃料電池。兩者一起，它們緊密地一齊面對現有廣泛與電相關的科技，可以擴展至驅動汽車、火車和船舶，或提供電力給消費性之電子產品，和產生地區性的熱和光。而要帶動推展氫和燃料電池到如此程度的影響力，對基礎科學而言，涵蓋了化學、物理、生物和材料領域，是一個令人著迷的挑戰和機會。

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