氢能源的发展前景

氢能更重要的是作为一种清洁能源和良好的能源载体，具有清洁高效、可储能、可运输、应用场景丰富等特点。

氢是二次能源，通过多种方式制取，资源制约小，利用燃料电池，氢能通过电化学反应直接转化成电能和水，不排放污染物，相比汽柴油、天然气等化石燃料，其转化效率不受卡诺循环限制，发电效率超过 50%，是零污染的高效能源。

氢能是实现电力、热力、液体燃料等各种能源品种之间转化的媒介，是在可预见的未来实现跨能源网络协同优化的唯一途径。当前能源体系主要由电网、热网、油气管网共同构成，凭借燃料电池技术，氢能可以在不同能源网络之间进行转化，可以同时将可再生能源与化石燃料转化成电力和热力，也可通过逆反应产生氢燃料替代化石燃料或进行能源存储，从而实现不同能源网络之间的协同优化。

随着可再生能源渗透率不断提高，季节性乃至年度调峰需求也将与日俱增，储能在未来能源系统中的作用不断显现，但是电化学储能及储热难以满足长周期、大容量储能需求。氢能可以更经济地实现电能或热能的长周期、大规模存储，可成为解决弃风、弃光、弃水问题的重要途径，保障未来高比例可再生能源体系的安全稳定运行。

氢能应用模式丰富，能够帮助工业、建筑、交通等主要终端应用领域实现低碳化，包括作为燃料电池 汽车 应用于交通运输领域，作为储能介质支持大规模可再生能源的整合和发电，应用于分布式发电或热电联产为建筑提供电和热，为工业领域直接提供清洁的能源或原料等。

日本、韩国、美国、德国和法国等国都从国家层面制定了氢能产业发展战略规划与线路，如日本的《氢能基本战略》、美国的《氢能经济路线图》、欧盟的《欧洲绿色协议》中的“绿氢战略”、韩国的《氢经济发展线路图》等，持续支持氢燃料电池的研发、推进氢燃料电池试点示范以及多领域应用，已在产业链构建、氢燃料电池 汽车 研发方面取得优势。根据国际氢能联合会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》预测，至2050年，氢燃料电池 汽车 将占全球机动车的20 25%，创造2.5万亿美元的市值，承担全球约18%的能源需求。

《中国制造2025》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）》、《国家创新驱动发展战略纲要》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《“十三五”国家 科技 创新规划》等都将氢能与燃料电池列为重要任务，作为引领产业变革的颠覆性技术和战略性新兴产业，提出系统推进氢能 汽车 的研发、产业化和商业化。

今年以来，国家政策倾斜力度加大。6月22日，国家能源局发布了《2020年能源工作指导意见》，从改革创新和推动新技术产业化的角度推动氢能产业发展。文件指出，制定实施氢能产业发展规划，组织开展关键技术装备攻关，积极推动应用示范。

中国首部《能源法》再次征求意见。其中，氢能被列为能源范畴，是中国第一次从法律上确认了氢能属于能源。

目前，全国有20多个省份发布了氢能产业发展规划，在长三角、珠三角、京津冀等地区，氢能已形成一些小规模的示范应用。在一些地方形成了制备、储运、加注燃料电池和下游应用的完整产业链。

其中，山东省国内首个省级氢能中长期规划，山东3677战略打造氢经济带。省政府办公厅印发的《山东省氢能产业中长期发展规划（2020-2030年）》，以2019年为基准年，规划期限为2020-2030年，内容主要包括发展环境、总体要求、发展路径与空间布局、重点发展任务、保障措施和环境影响评价等6个部分。3月26日印发《济青烟国际招商产业园建设行动方案（2020-2025年）》，新能源 汽车 、氢能等字眼出现频率很高，也和山东省省级氢能规划相呼应。济南“中国氢谷”、青岛“东方氢岛”两大高地随着《方案》要拔地而起。潍坊市人民政府办公室印发了《潍坊市促进加氢站建设及运营扶持办法》。本办法适用于对在本市进行加氢站建设、加氢站加氢的企业给予补贴，即按日加氢能力和建成年限分别给予50~600万元补贴。

2019年，中国石油对外依存度首次突破70%的关口，而天然气对外依存度也高达45%。自2018年中美贸易战爆发以来，高度依赖海外油气进口所带来的能源安全隐患越来越让决策层与 社会 各界侧目。新冠疫情又进一步暴露了在紧急状态下产业链全球化的隐患和风险，致使原本已有抬头之势的逆全球化趋势进一步加深，将能源安全的地位上升到新的政治高度。

全球气候变化是21世纪人类面临的最复杂的挑战之一，减缓气候变化的措施之一是减少温室气体的人为排放。中国是仅次于美国的第二大碳排放国家，已承诺力争2030年前二氧化碳排放达到峰值2060年前实现碳中和。在碳中和的道路上，氢能是一个不可或缺的二次能源形式

尽管氢能发展前景广阔，但当前也面临着产业基础薄弱、装备和燃料成本偏高以及存在安全性争议等方面的问题。目前我国制氢技术相对成熟且具备一定产业化基础，全国化石能源制氢和工业副产氢已具相当规模，碱性电解水制氢技术成熟。但在氢气储运技术、燃料电池终端应用技术方面与国际先进水平相比仍有较大的差距。

譬如在储运方面，实现氢能规模化、低成本的储运仍然是我国乃至全球共同面临的难题。高压气氢作为目前国内外主流的氢能储运模式，还存在储氢密度仍然不够高、储运成本太高等问题。

氢气是二次能源，需要通过一定的方法利用其它能源制取，目前主要包括以下方法：

天然气中的烷烃在适当的压力和温度下，在转化炉中发生一系列化学反应生成包含一氧化碳和氢气的转化气，转化气再经过换热、冷凝等过程，使气体在自动化的控制下通过装有多种吸附剂的PSA装置后，一氧化碳、二氧化碳等杂质被吸附塔吸附，从而得到氢气。

以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化，二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在90-1000 制取焦碳，副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60%左右。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物，组成主要是氢及一氧化碳，经转化后可制得纯氢。

通常不直接用石油制氢，而用石油初步裂解后的产品，如石脑油、重油、石油焦以及炼厂干气制氢。石脑油制氢主要工艺过程有石脑油脱硫转化、CO变换、PSA，其工艺流程与天然气制氢极为相似；重油制氢是在一定压力下与水蒸气及氧气反应制得含氢气体产物；石油焦制氢与煤制氢非常相似，是在煤制氢的基础上发展起来的；炼厂干气制氢主要是轻烃水蒸气重整加上变压吸附分离法，与天然气制氢非常相似。

氯碱工业采用电解盐水的方式生产氯气和烧碱，在电解槽阳极生成氯气，阴极生成氢气，阴极附近生成烧碱，氢气进入脱氧塔脱除其中氧气，然后经过变压吸附脱除其中N2、H2、CO2、H2O等杂质，可获得高纯度氢气。

甲醇蒸汽重整制氢由于氢收率高，能量利用合理，过程控制简单，便于工业操作而更多地被采用。甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，重整反应生成的H2和CO2，再经过变压吸附法（PSA）将H2和CO2分离，得到高纯氢气。

电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的碱性电解槽（ALK）中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。也可使用PEM电解槽直接电解纯水产生氢气。此方式可利用光电、风电以及水电等清洁能源进行电解水制取氢气。

（1）风力发电机组的原理及特点：风力发电机组通过控制风轮转速，达成在低风速下最优能量捕捉；在高风速时，保持风轮转速和功率稳定。因此，在额定风速前（大部分工作状态），风力发电机组发岀的有功功率一直在随着风的改变而波动，表现在秒级上的发电功率波动性。另外，风力发电机组是一个电流源，也就是说风电机组每时每刻在跟随电网的50Hz交流电频率，把能量通过电流的方式输岀给电网。如果没有电网的电压维持，目前的风电机组很难独立发电。

（2）光伏发电：光伏电池将太阳能转化为电能，光伏逆变器一方面通过控制，追踪光伏电池的最佳功率点，一方面作为电流源，跟踪电网50Hz交流电频率，把能量通过电流方式输岀到电网。由于阳光在分钟级上变化不大，相对于风电，波动性较小。但是光伏发电表现出昼夜的间歇性。

光伏发电制氢主要利用光伏发电系统所发直流电直接供应制氢站制氢用电。主要有3种技术路线。

碱性电解槽制氢。 该种电解槽的结构简单，适合大规模制氢，价格较便宜，效率偏低约70%~80%，主要设备包括电源、阴阳极、横膈膜、电解液和电解槽箱体组成，电解液通常为氢氧化钠溶液，电解槽主要包括单极式和双极式。

质子交换膜电解槽（PEM Electrolyzer）制氢。 效率较碱性电解槽效率更高，主要使用了离子交换技术。电解槽主要由聚合物薄膜、阴阳两电极组成，由于较高的质子传导性，电解槽工作电流可大大提高，从而提升电解效率。

固体氧化物电解槽（Solid Oxide Electrolyzer）制氢。 可在高温下工作，部分电能可由热能替代，效率高、成本低，固体氧化物电解槽是三种电解槽中效率最高的设备，反应后的废热可与汽轮机、制冷系统进行联合循环利用，提升效率，可达到90%。

电解水制氢技术路线成熟，目前未大规模推广关键因素为电价问题，以目前工业用电用来制氢成本过高，市场竞争力较差。

甲醇制氢投资较低，适合2500Nm3以下制氢规模，按照1Nm3氢气消耗0.72千克甲醇，甲醇价格按2319元 / 吨计算，制氢成本如下表：甲醇制氢成本表

天然气制氢单位投资成本低，在1000Nm3以上经济性较好，按照1Nm3氢气消耗0.6Nm3天然气，天然气价格按1.82元/Nm3计算，制氢成本下表：

天然气制氢成本表

以1000Nm3/h 水电解制氢为例，总投资约1400万元，按照1Nm3氢气消耗5kWh 电能计算，不同电价测算制氢成本分析如下表：

光伏发电制氢成本表

由此分析，光伏发电制氢电价控制在0.3元 / 千瓦时以下时，制氢成本才具有竞争力。按照目前市场价格进行测算，以100MW光伏发电直流系统造价如下表：

光伏发电直流系统造价

以一类资源区域为例，首年光伏利用小时数为1700小 时 计 算，其他参数为 ：装机容量100MW，建设期1年，资本金投资比例20%，流动资金10元 /kW，借款期限10年，还本付息方式为等额本息，长期贷款利率4.90%，折旧年限20年，残值率5%，维修费率0.5%，人员数量5，人工年平均工资7万元，福利费及其他70%，保险费率0.23%，材料费3元 /kW，其他费用10元 /kW。按照全部投资内部收益率满足8% 反算电价，并分别分析计算造价为2.3亿、2亿、1.8亿、1.6亿元时的电价。通过计算，在满足全部投资内部收益率为 8% 时，不同造价下的电价如下表：

不同造价反算电价

光伏发电制氢在资源一类区域已具备经济可行性，较天然气制氢、甲醇制氢成本较低，随着光伏发电成本的持续下降，光伏发电制氢竞争力将进一步增强。本文未考虑氢气运输成本，光伏发电直供电制氢应与需求方靠近，资源一类区域主要集中在西北区域，该区域氢气用户主要为炼化、化工企业，用气量较大，对制氢站规模要求较大。

光伏组件价格下降较快，随着价格进一步降低，部分二类资源区光伏发电制氢也将具有竞争力，该类区域相对靠近负荷中心，经济发达，氢气需求量较大。光伏发电制氢工艺简单、运维难度低，制氢规模可根据场地和需求进行模块化组合，随着燃料电池技术的进步，分布式可再生能源制氢供应燃料电池也将是未来重要发展趋势。

氢气的运输方式可根据氢气状态不同分为气态氢气(GH2)输送、液态氢气(LH2)输送和固态氢气(SH2)输送。选择何种运输方式，需基于以下四点综合考虑：运输过程的能量效率、氢的运输量、运输过程氢的损耗和运输里程。

在用量小、用户分散的情况下，气氢通常通过储氢容器装在车、船等运输工具上进行输送，用量大时一般采用管道输送。液氢运输多用车船等运输工具。

虽然氢气运输方式众多，但从发展趋势来看，我国主要以气氢拖车运输(tube trailer)、气氢管道运输(pipeline)和液氢罐车运输(liquid truck)三种运氢方式为主。

长管拖车是国内最普遍的运氢方式。这种方法在技术上已经相当成熟。但由于氢气密度很小，而储氢容器自重大，所运输氢气的重量只占总运输重量的1~2%。因此长管拖车运氢只适用于运输距离较近(运输半径200公里)和输送量较低的场景。

其工作流程如下：将净化后的产品氢气经过压缩机压缩至20MPa，通过装气柱装入长管拖车，运输至目的地后，装有氢气的管束与车头分离，经由卸气柱和调压站，将管束内的氢气卸入加氢站的高压、中压、低压储氢罐中分级储存。

该方法的运输效率较低。国内标准规定长管拖车气瓶公称工作压力为10-30MPa，运输氢气的气瓶多为20MPa。

以上海南亮公司生产的TT11-2140-H2-20-I型集装管束箱为例，其工作压力为20MPa，每次可充装体积为4164Nm3、质量为347kg的氢气，装载后总质量33168kg，运输效率1.05%。国内生产长管拖车的主要厂商有中集安瑞科、鲁西化工、上海南亮、浦江气体、山东滨华氢能源等。

长管拖车运氢成本测算

为测算长管拖车运氢的成本，我们的基本假设如下：

（1）加氢站规模为500kg/天，距离氢源点100km；

（2）长管拖车满载氢气质量350kg，管束中氢气残余率20%，每日工作时间15h；

（3）拖车平均时速50km/h，百公里耗油量25升，柴油价格7元/升；

（4）动力车头价格40万元/台，以10年进行折旧；管束价格120万元/台，以20年进行折旧，折旧方式均为直线法；

（5）拖车充卸氢气时长5h；

（6）氢气压缩过程耗电1kwh/kg，电价0.6元/kwh；

（7）每台拖车配备两名司机，灌装、卸气各配备一名操作人员，工资10万元/人·年；

（8）车辆保险费用1万元/年，保养费用0.3元/km，过路费0.6元/km；根据以上假设，可测算出规模为500kg/d、距离氢源点100km的加氢站，运氢成本为8.66元/kg。

测算过程如下表：

运输成本随距离增加大幅上升。当运输距离为50km时，氢气的运输成本5.43元/kg，随着运输距离的增加，长管拖车运输成本逐渐上升。

距离500km时运输成本达到20.18元/kg。

考虑到经济性问题，长管拖车运氢一般适用于200km内的短距离运输。

提高管束工作压力可降低运氢成本

由于国内标准约束，长管拖车的最高工作压力限制在20MPa，而国际上已经推出50MPa的氢气长管拖车。

若国内放宽对储运压力的标准，相同容积的管束可以容纳更多氢气，从而降低运输成本。

当运输距离为100km时，工作压力分别为20MPa、50MPa的长管拖车运输成本为8.66元/kg、5.60元/kg，后者约为前者的64.67%。

具有发展潜力的低成本运氢方式，但我国氢气管网发展不足，建设需提速。

低压管道运氢适合大规模、长距离的运氢方式。由于氢气需在低压状态（工作压力1~4MPa）下运输，因此相比高压运氢能耗更低，但管道建设的初始投资较大。

我国布局氢气管网布局有较大提升空间。美国和欧洲是世界上最早发展氢气管网的地区，已有70年 历史 。

根据PNNL在2016年的统计数据，全球共有4542公里的氢气管道，其中美国有2608公里的输氢管道，欧洲有1598公里的输氢管道，而中国仅有100公里。

随着氢能产业的快速发展，日益增加的氢气需求量将推动我国氢气管网建设。

氢气管道造价高、投资大，天然气管道运氢可降低成本

天然气管道是世界上规模最大的管道，占世界管道总长度的一半以上，相比之下氢气管道数量很少。据IEA报告，目前世界上有300万公里的天然气管道，氢气管道仅有5000公里，现有的氢气管道均由制氢企业运营，用于向化工和炼油设备运送成品氢气。

由于管材易发生氢脆现象（即金属与氢气反应而引起韧性下降），从而造成氢气逃逸，因此需选用含炭量低的材料作为运氢管道。美国氢气管道的造价为31~94万美元/km，而天然气管道的造价仅为12.5~50万美元/km，氢气管道的造价是天然气管道造价的两倍以上。

虽然氢气在管道中的流速是天然气的2.8倍，但由于氢气的体积能量密度小，同体积氢气的能量密度仅为天然气的三分之一，因此用同一管道输送相同能量的氢气和天然气，用于押送氢气的泵站压缩机功率高于压送天然气的压缩机功率，导致氢气的输送成本偏高。

氢气输运网络基础设施建设需要巨大的资本投入和较长的建设周期，管道的建设还涉及占地拆建问题，这些因素都阻碍了氢气管道的建设。

研究表明，含20%体积比氢气的天然气-氢气混合燃料可以直接使用目前的天然气输运管道，无需任何改造。

在天然气管网中掺混不超过20%的氢气，运输结束后对混合气体进行氢气提纯，这样既可以充分利用现有管道设施，出于经济性考虑，也能降低氢气的运送成本。

目前国外已有部分国家采用了这种方法。

为测算管道运氢的成本，我们参考济源-洛阳氢气管道的基本参数，做出如下假设：

（1）管道长度25km，总投资额1.46亿元，则单位长度投资额584万元/km；（10）年输氢能力为10.04万吨，运输过程中氢气损耗率8%；

（2）管线配气站的直接与间接维护费用以投资额的15%计算；

（3）氢气压缩过程耗电1kwh/kg，电价0.6元/kwh；

（4）管道寿命20年，以直线法进行折旧。

根据以上假设，可测算出长度25m、年输送能力10.04万吨的氢气管道，运氢价格为0.86元/kg。

当输送距离为100km时，运氢成本为1.20元/kg，仅为同等距离下气氢拖车成本的1/5，通过管道运输氢气是一种降低成本的可靠方法。

适合长距离运输，国内外应用差距明显，但液氢运输相比气氢效率更高，国内应用程度有限。

液氢罐车运输系统由动力车头、整车拖盘和液氢储罐3部分组成。

由于液氢的运输温度需保持在-253 以下，与外部环境温差较大，为保证液氢储存的密封和隔热性能，对液氢储罐的材料和工艺有很高的要求，使其初始投资成本较高。

液氢罐车运输是将将氢气深度冷冻至21K液化，再将液氢装在压力通常为0.6兆帕的圆筒形专用低温绝热槽罐内进行运输的方法。

由于液氢的体积能量密度达到8.5MJ/L，液氢槽罐车的容量大约为65m3,每次可净运输约4000kg氢气，是气氢拖车单车运量的10倍多，大大提高了运输效率，适合大批量、远距离运输。

但缺点是制取液氢的能耗较大（液化相同热值的氢气耗电量是压缩氢气的11倍以上），并且液氢储存、输送过程均有一定的蒸发损耗。

在国外尤其是欧、美、日等国家，液氢技术发展已经相对较为成熟，液氢在储运等环节已进入规模化应用阶段，某些地区液氢槽车运输超过了气氢运输规模。

而国内目前仅用于航天及军事领域，这是由于液氢生产、运输、储存装置等标准均为军用标准，无民用标准，极大地限制了液氢罐车在民用领域的应用。

国内相关企业已着手研发相应的液氢储罐、液氢槽车，如中集圣达因、富瑞氢能等公司已开发出国产液氢储运产品。

2019年6月26日，全国氢能标准化技术委员会发布关于对《氢能 汽车 用燃料液氢》、《液氢生产系统技术规范》和《液氢贮存和运输安全技术要求》三项国家标准征求意见的函。

液氢相关标准和政策规范形成后，储氢密度和传输效率都更高的低温液态储氢将是未来重要的发展方向。

为测算液氢槽车运输的成本，我们的基本假设如下：

（1）加氢站规模为500kg/天，距离氢源点100km；

（2）槽车装载量为15000加仑（约68m3，即4000kg），每日工作时间15h；

（3）槽车平均时速50km/h，百公里耗油量25升，柴油价格7元/升；

（4）液氢槽车价格约为50万美元/辆，以10年进行折旧，折旧方式为直线法；

（5）槽车充卸液氢时长6.5h；

（6）氢气压缩过程耗电11kwh/kg，电价0.6元/kwh；

（7）每台拖车配备两名司机，灌装、卸载各配备一名操作人员，工资10万元/人·年；

（8）车辆保险费用1万元/年，保养费用0.3元/km，过路费0.6元/km。根据以上假设，可测算出规模为500kg/d、距离氢源点100km的加氢站，运氢成本为13.57元/kg。

测算过程如下表：

液氢罐车成本变动对距离不敏感。当加氢站距离氢源点50~500km时，液氢槽车的运输价格在13.51~14.01元/kg范围内小幅提升。虽然运输成本随着距离增加而提高，但提高的幅度并不大。这是因为成本中占比最大的一项——液化过程中消耗的电费（约占60%左右）仅与载氢量有关，与距离无关。而与距离呈正相关的油费、路费等占比并不大，液氢罐车在长距离运输下更具成本优势。

第四章 加氢站建设

1.投资估算

加氢站投资主要包含设备投资、土建工程投资以及设计、监理、审批等费用。

项目投资估算表如下：

序号 名 称 费用（万元） 备注

1 工艺设备 222.00

1.1 增压系统 160.00

1.2 加注系统 56.00

1.3 卸车系统 6.00

2 现场管道、仪表电缆等 12.00

3 PLC柜、火焰探头、氢气泄漏探头、视频监控等 28.00

4 设备安装及调试 40.00 含辅材

5 土建工程 80.00

6 设计、监理、审批等费用 45.00

7 合计 424.00

2.运营成本估算

加氢站建成后，运营成本包括土地租金、设备折旧、运营维护成本、人员工资等。

项目总投资为424万元，固定资产采用直线法综合折旧，不计残值，按照10年折旧摊销，每年42.4万元。

每年运维成本包括设备维护费、管理费及人工成本费、电费和水费等，其中设备维护费用约55万元，管理费及人工（4名工人）成本费15万元，电费及水费30万元，每年运维成本费用为100万元。

本项目单站占地面积约2亩，参照目前服务区征地费用，土地租金暂按每年每亩10万元计取，单站每年土地租金为20万元。

3.效益测算

加氢站对外销售价格为35元/kg，进销价差一般为20元/kg。

本次加氢站项目设计日加氢能力：500kg/d，加注压力：35MPa；按照其70%加注负荷计算，日加注350kg，年可实现加注量120000kg。

按照价差收入，年毛利润额估算为252万元。

经济效益情况分析：

序号 名称 单位 金额（万元） 备注

1 价差收入（毛利润） 万元 240.00

2 土地租金 万元 20.00

3 年运行成本 万元 100.00

4 折旧及摊销 万元 42.4 按10年折旧

5 年税前利润 万元 97.6

5 税金及附加 万元 24.4

6 年利润 万元 73.2

静态投资回收期为：424万元/73.2万元 5.79年。

但是当前投运氢燃料车辆较少，但氢能源在政策利好下不断发展中，当前预测存在较大的困难和不可预见性，测算中取设计负荷的70%进行的估算。

山东省下发国内首个省级氢能中长期规划，山东3677战略打造鲁氢经济带，济南“中国氢谷”、青岛“东方氢岛”两大高地随着《方案》要拔地而起，具有广阔的发展前景和潜力，在当前国家碳达峰、碳中和战略背景下，氢能必将迎来大发展阶段。

1清华大学（Tsinghua University）：自强不息，厚德载物

（清华学堂）

清华大学是“清华大学—剑桥大学—麻省理工学院低碳能源大学联盟”成员。其核能与新能源技术研究院不仅有核能研究的硬实力，在太阳能、风能、电池、海水淡化和新材料等方面也很强。院内设有20多个实验室，包括生物质能研究室、新材料研究室等。清华材料学院的研究方向也包括新能源材料与器件。

2华北电力大学：电力行业的根正苗红

由教育部与国家电网等七家电力央企和中国电力企业联合会、华北电力大学等九家单位组成的华北电力大学理事会共建的全国重点大学。学校积极响应国家能源发展战略规划，2007年7月成立了国内首家“可再生能源学院”，整合各新能源学科力量，逐步形成并深化了“以优势学科为基础，以新兴能源学科为重点，以文理学科为支撑”的“大电力”学科特色办学体系，其中四个基地被列入教育局和国家外国专家局联合实施的“高等学校学科创新引智计划”（“111计划”）。

3西安交通大学（Xi’an Jiao Tong University）：英俊济跄，经营四方

西安交大与香港科技大学共同成立了可持续发展学院，学院里设有可再生能源系，研究涵盖可再生能源生产和转换，混合动力和系统技术。此外，学校设有陕西省重点实验室可再生能源工程技术研究中心。学校材料物理与化学系研究领域涵盖能源材料、纳米功能材料等。

4上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University，SJTU）：相聚在东海之滨，汲取知识的甘泉

（上海交通大学徐汇校区）

上海交通大学能源研究院包括7个研究所、6个研究中心，研究领域包括太阳能、建筑节能、生物质能、风电及其控制系统、氢能与燃料电池、清洁燃料生产与生物化工转换等。相关研究中心包括与挪威科大联合建立的可持续能源联合研究中心，新能源工程技术研究中心。

5天津大学（Tianjin University，TJU）：花堤蔼蔼，北运滔滔，巍巍学府北洋高

（天津大学敬业湖夜景）

天津大学建筑工程学院下设水利与风能工程研究院、道达海上风电研究院。化工学院下设有多晶硅材料制备技术国家工程实验室、绿色合成与转化教育部重点实验室，曾成功举办“太阳能电池材料国际研讨会”。此外，学校还设有可持续能源研究中心。

6浙江大学（Zhejiang University）：大不自多，海纳江河，惟学无际，际于天地

（浙江大学紫金港校区）

浙江大学材料科学与工程学院设有硅材料国家重点实验室，研究方向包括半导体硅材料、半导体薄膜材料、复合半导体材料、微纳结构与材料物理，注重硅材料在光伏电池上的应用。能源工程学院设有能源清洁利用国家重点实验室，除化石能源的清洁利用研究，还涵盖废弃物高效清洁能源化利用研究、新能源及先进能源系统、生物质液化研究等。

氢能和燃料电池技术，以氢气为能源、真正实现零排放的燃料电池汽车，一直被公认为是解决当今交通能源和环境问题的最佳方案之一，代表着汽车未来的发展方向。

基本介绍中文名 ：氢能和燃料电池技术 能源 ：氢气 类型 ：技术 套用 ：汽车 简介,用途,技术特点,需解决关键问题,相关技术讨论, 简介 氢能和燃料电池技术。氢燃料电池可高效清洁地把化学能直接转化为电能，是比常规热机更为先进的转化技术。燃料电池技术的快速发展，为能源动力的变革带来重大契机，而燃料电池汽车被认为是后化石能源时代主要的车用动力能源。与电能一样，氢气作为能源载体，可以通过各种一次能源的转化获取，成为化石能源向非化石能源转换、从碳的低排放向碳的零排放的桥梁。 用途 二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。当今电能就是套用最广的“过程性能源”；柴油、汽油则是套用最广的“含能体能源”。由于目前“过程性能源”尚不能大量地直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通运输工具就无法直接使用从发电厂输出来的电能，只能采用像柴油、汽油这一类“含能体能源”。可见，过程性能源和含能体能源是不能互相替代的，各有自己的套用范围。随着，人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”， 作为二次能源的电能，可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。 技术特点 氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点： （l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。 （2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 （3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。 （4）除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。 （5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。 （6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。 （7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。 （8）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种套用环境的不同要求。 需解决关键问题 由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业套用还有待解决以下关键问题： 廉价的制氢技术，因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。 安全可靠的贮氢和输氢方法由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。 许多科学家认为，氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不象煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。在自然界中，氢已和氧结合成水，必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电支分解水制氢，那显然是划不来的。现在看来，高效率的制氢的基本途径，是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决，然而世界各国都十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并且业已取得了多方面的进展。因此在以后，以太阳能制得的氢能，将成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料。 相关技术讨论 以氢气为能源、真正实现零排放的“燃料电池汽车”，一直被公认为是解决当今交通能源和环境问题的最佳方案之一，代表着汽车未来的发展方向。近年来，各国 *** 及国际汽车巨头都不断加大对燃料电池汽车的投入，大力推动这一新能源汽车尽快走向市场。 由科技部、氢经济国际合作伙伴（IPHE）联合主办，同济大学新能源汽车工程中心、美国能源部阿贡实验室共同承办，为期两天的“国际氢能燃料电池技术及汽车发展论坛”，9月21日上午在上海银河宾馆开幕。 一批国内外燃料电池汽车行业顶尖机构、企业代表出席论坛，共同探讨“如何应对燃料电池技术和基础设施建设在国际国内层面所面临的挑战”这一重要议题，并商讨今后如何进一步加强在氢燃料电池汽车领域的国际合作。这些机构、企业包括欧盟燃料电池与氢联合行动计画、美国能源部燃料电池技术项目部、美国国家再生能源实验室、日本本田公司、美国通用集团等。 会上，国内外代表分别介绍了各国为研发燃料电池汽车而开展的项目和采取的战略，交流分享了燃料电池技术研发的最新进展，以及氢能的生产技术及氢能基础设施建设经验。此外，会上还将介绍最新的氢能与燃料电池汽车的能源和环境效益评估情况，并围绕全球燃料电池汽车近期及远期发展所需的氢源及路径问题展开讨论。会议结束后，代表们还将前往上海世博会园区，参观燃料电池示范运行基地。 上海燃料电池汽车动力系统有限公司总经理、我校新能源汽车工程中心副主任章桐教授在主题报告中介绍了我国燃料电池汽车动力平台的研 *** 况，以及我国自主研制的燃料电池汽车分别在2008北京奥运会、美国加州及2010上海世博会上的示范运行情况。 据介绍，由同济大学与国内五大整车厂合作生产、正在上海世博园区进行示范运营的173辆燃料电池汽车（含70辆燃料电池轿车、3辆燃料电池客车和100辆燃料电池观光车），自上海世博会开园以来已连续运行5个月，整体运营情况良好。其中，仅在园区内高架步道及北环路运行的燃料电池观光车一种车型，截止今年8月31日止，已累计载客137万人次，总行驶里程达44万余公里。 专家认为，燃料电池汽车在产业化道路上仍面临严峻挑战，一方面需要进一步提高关键零部件的稳定性、耐久性，降低成本，另一方面要为燃料电池汽车大规模运营配套建设氢气加注站等基础设施，此外还要增强公众对燃料电池汽车的了解。 余卓平说，“从论坛上的主题发言来看，全球对燃料电池汽车普遍持积极、乐观态度，都在加快促进其早日向市场渗透。”他表示，此次论坛召开，对于增强全球氢能及燃料电池技术及实践的沟通与交流，进一步推动我国氢能燃料电池汽车技术的快速发展和产业化步伐，具有重要意义。

“百年老店”、多元化电子电气产品制造商日本东芝集团（Toshiba）正在全力布局有“未来能源”之称的氢能，并将大规模可再生能源制取“绿氢”视为低碳能源时代的完美解决方案。

近日在上海举行的第三届中国国际进口博览会期间，东芝多位高管对澎湃新闻表示，除了已提出“氢能源 社会 ”愿景的日本本土之外，东芝非常看好氢能在中国的发展前景。

放眼全球，日本是近年来最热衷于发展氢能的国家之一。日本“氢能基本战略”提出，到2030年要确立国内可再生能源制氢技术，构建国际氢能供应链，长期目标是利用碳捕获（CCS）技术实现平价化石燃料的脱碳制氢和可再生能源制氢。对于能源自给率低的日本而言，用零碳排的可再生能源来制取清洁高效、较易储运的氢能，无疑是“后福岛时代”得以兼顾能源安全和碳中和目标的理想选择。

日本能源转型历程

“东芝早在50年前就已经开始做氢能方面的技术研发，进行相关技术储备。我们在40年前推向市场的产品，已经有氢能利用的影子。”负责氢能业务的东芝（中国）有限公司营业总监张童对澎湃新闻表示，早年东芝的制氢路线是烃类醇类重整制氢。但在零碳理念下，该公司内部近十年间全面提升氢能体系，东芝燃料电池体系全部是纯氢燃料电池。

据介绍，东芝的纯氢能燃料电池系统H2Rex已累计在日本国内交付100台以上。这种100kW的模块化单元可根据需求灵活组合，启动时间不到5分钟，高效将管道或气罐中的氢气转化为电能和热能。

东芝的纯氢能燃料电池系统H2Rex累计在日本交付100台以上

典型场景如东芝的新氢能综合应用中心，利用太阳能电解水制备氢气，并直接将其应用在东芝的日本府中工厂的燃料电池物流叉车上。这样，不但燃料电池物流叉车在运转时不排放二氧化碳，而且，因为使用了通过可再生能源制取的氢气作为燃料，从制氢到氢利用的全程实现了零碳排。

当突发灾难时，这套小型分布式能源亦可大显身手，作为一条生命线为300名受灾群众提供一周的电力和热水供应。

纯氢固然样样好，但目前在全球范围内仍受居高不下的成本所困。据澎湃新闻了解，上述在日本落地的东芝纯氢燃料电池系统均为有日本政府政策支持的项目。

张童表示，全球可再生能源快速发展，但风电、光伏始终存在间歇性问题。尤其在中国，风电、光伏装机的迅猛增长对电网调峰要求巨大，弃风、弃电的问题屡见不鲜。若将这部分电力转换成氢能储存起来，在需要时再调取，就是一个最理想的结合。“可再生能源与电解质制氢技术结合起来，制出来的氢完全是绿色的。”

他认为，在该领域，东芝的所长是对电力系统、电子设备、控制系统的深入了解和对氢的长期技术积累，目前正在与多家上游制氢企业探讨合作。在氢能起步阶段，东芝呼吁政府对全行业予以政策支持，鼓励更多企业参与氢能产业链的完善，并尽早明确氢使用的法律法规。在这些前提下，氢能成本才能随着规模化效应快速下降。

氢能成本的下降有赖于一个足够大且高速成长的下游市场。东芝正在推动纯氢能燃料电池系统H2Rex尽早应用于中国市场，使其成本上尽早符合中国市场潜在的需求，并联合中国合作伙伴一起开拓市场。

实际上，东芝对于“终极能源解决方案”的认识，在日本福岛核事故之后出现了彻底的转变。东芝曾是全球核能领域的重要参与者，旗下拥有 历史 战绩辉煌的美国西屋电气公司。但由于2011年福岛核事故后全球核电建设放缓、建造成本陡增、西屋电气申请破产保护等原因，东芝最终选择剥离核电资产。

今年10月，日本首相菅义伟在临时国会上发表施政演说时宣布，日本将争取在2050年实现温室气体净零排放。这标志着作为全球第三大经济体和第五大碳排放国的日本在气候议题上的立场发生巨大转变。目前，日本的温室气体排放中有至少80%来自能源领域。

“二氧化碳零排放并不是最近才有的呼声，很早以前大家就在进行与此相关的探讨。”东芝中国总代表宫崎洋一对澎湃新闻说道，福岛核事故改变了全球的碳减排思路。2011年之前，日本、欧洲都将低碳发电目标寄希望于核能，但福岛事故后由于安全标准升级、核能发电成本陡增，欧洲主要国家纷纷选择弃核。

宫崎洋一称，除了重点业务氢能之外，目前东芝还有其他颇具竞争力的能源业务和碳捕捉技术，可以根据不同地区的特征进行灵活组合。具体而言，在水电领域，东芝的实际供货数量和技术实力处于全球第一梯队，已经向44个国家及地区累计供货2300多台水轮机和1800多台发电机；光伏领域，东芝的工业用光伏发电系统在日本有2700处应用，住宅用光伏发电系统在日本为10万户以上客户使用；地热领域，东芝已向全球提供累计达3.7GW的地热发电设备，以设备容量计处于全球第一。

福岛氢能研究基地（FH2R）

在日本国立的新能源产业技术综合开发机构（NEDO）牵头下，东芝与另外两家日本企业合作的福岛氢能研究基地（FH2R）已于今年2月底建成。

FH2R系统概览

该项目建有全球最大的利用可再生能源的10MW级制氢装置，正在验证清洁低成本的制氢技术。这里产生的氢气不仅用来平衡电力系统，还为固定的氢燃料电池系统、移动的氢燃料车等提供动力。

校对：刘威

氢能 【hydrogen energy】【】 通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是氢的化学能，氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%。由于氢气必须从水、化石燃料等含氢物质中制得，因此是二次能源。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。氢能具有以下主要优点：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源。目前，氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。

煤炭石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威

胁。同时矿物燃料的存量，是一个有限量，也会随着过度开采而枯竭。因此，当前在设法降低现有常

规能源（如煤、石油等）造成污染环境的同时，清洁能源的开发与应用是大势所趋。氢能是理想的清洁能源之一，已广泛引起人们的重视。氢不仅是一种清洁能源而且也是一种优良的能源载体，具有可储的特性。储能是合理利用能量的一种方式。太阳能、风能分散间歇发电装置及电网负荷的峰谷差或

有大量廉价电能能都可以转化为氢能储存，供需要时再使用，这种储能方式分散灵活。氢能也具有可

输的特性，如在一定条件下将电能转化为氢能，输氢较输电有一定的优越性。科学家认为，氢能在二

十一世纪能源舞台上将成为一种举足轻重的能源。

l、氢的产生途径

1.1电解水制氢．

水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的

逆过程，因此只要提供一定形式一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在

75-85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。利用电网峰谷差电解水制氢，作为一种贮能手段也具有特点。我国水力资源丰富，利用水电发电，电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽，其中利用光电制氢的方法即称为太阳能氢能系统，国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量效率的提高，成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。同时，太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节，贮存转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的。我国各种规模的水电解制氢装置数以百计，但均为小型电解制氢设备，其目的均为制提氢气作料而非作为能源。随着氢能应用的逐步扩大，水电解制氢方法必将得到发展。

1．2矿物燃料制氢

以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置。

（1）煤为原料制取氢气

在我国能源结构中，在今后相当长一段时间内，煤炭还将是主要能源。如何提高煤的利用效率及

减少对环境的污染是需不断研究的课题，将煤炭转化为氢是其途径之一。

以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化（或称高温干馏），二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在90－1000℃制取焦碳副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60％（体积）甲烷23-27％、一氧化碳6-8％等。每吨煤可得煤气300－350m3，可作为城市煤气，

亦是制取氢气的原料。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。气化

剂为水蒸汽或氧所（空气），气体产物中含有氢有等组份，其含量随不同气化方法而异。我国有大批中小型合成氢厂，均以煤为原料，气化后制得含氢煤气作为合成氨的原料。这是一种具有我国特点的取得氢源方法。采用OGI固定床式气化炉，可间歇操作生产制得水煤气。该装置投资小，操作容易，其气体产物组成主要是氢及一氧化碳，其中氢气可达60％以上，经转化后可制得纯氢。采用煤气化制氢方法，其设备费占投资主要部分。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视。地下气化技术具有煤

资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。中国矿业大学余力等开发并完善了"长通道、大断

面、两阶段地下煤气化"生产水煤气的新工艺，煤气中氢气含量达50％以上，在唐山刘庄已进行工业性试运转，可日产水煤气5万m3，如再经转化及变压吸附法提纯可制得廉价氢气，该法在我国具有一定开发前景．我国对煤制氢技术的掌握已有良好的基础，特别是大批中小型合成氨厂的制氢装置遍布各地，为今后提供氢源创造了条件。我国自行开发的地下煤气化制水煤气获得廉价氢气的工艺已取得

阶段成果，具有开发前景，值得重视。

（2）以天然气或轻质油为原料制取氢气

该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。主要发生下述反应：

CH4＋H2O→CO＋H2

CO＋H2O→COZ＋HZ

CnH2h＋2＋Nh2O→nCO＋（Zh＋l）HZ

反应在800-820℃下进行。从上述反应可知，也有部分氢气来自水蒸汽。用该法制得的气体组

成中，氢气含量可达74％（体积），其生产成本主要取决于原料价格，我国轻质油价格高，制气成本贵，采用受到限制。大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然气为原料，催化水蒸汽转化制氢的工艺。我国在该领域进行了大量有成效的研究工作，并建有大批工业生产装置。我国曾开发采用间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺，制取小型合成氨厂的原料，这种方法不必用采高温合金转化炉，装置投资成本低。以石油及天然气为原料制氢的工艺已十分成熟，但因受原料的限制目前主要用于制取化工原

料。

（3）以重油为原料部分氧化法制取氢气

重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油，重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢

气体产物。部分重油燃烧提供转化吸热反应所需热量及一定的反应温度。该法生产的氢气产物成本

中，原料费约占三分之一，而重油价格较低，故为人们重视。我国建有大型重油部分氧化法制氢装置，用于制取合成氢的原料。

1．3生物质制氢

生物质资源丰富，是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物制氢。

（1）生物质气化制氢

将生物质原料如薪柴、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料。我国在生物质气化技术领域的研究已取得一定成果，在国外，由于转化技术的提高，生物质气化已能大规模生产水煤气，其氢气含量大大提高。

（2）微生物制氢

微生物制氢技术亦受人们的关注。利用微生物在常温常压下进行酶催反应可制得氢气。生物质

产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。属于化能营养微生物的是各种发酵类型的

一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌）发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等。目前已有

利用碳水化合物发酵制氢的专利，并利用所产生的氢气作为发电的能源。光合微生物如微型藻类和

光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系，称光合产氢。

1．4其它合氢物质制氢

国外曾研究从硫化氢中制取氢气。我国有丰富的H25资源，如河北省赵兰庄油气田开采的天然气中H多含量高达90％以上，其储量达数千万吨，是一种宝贵资源，从硫化氢中制氢有各种方法，我国在90年代开展了多方面的研究，各种研究结果将为今后充分合理利用宝贵资源，提供清洁能源及

化工原料奠定基础。

1．5各种化工过程副产氢气的回收

多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量

副产氢气，如能采取适当的措施进行氢气的分离回收，每年可得到数亿立方米的氢气。这是一项不容

忽视的资源，应设法加以回收利用。目前化工厂副产氢气的回收，可提供一种较为廉价的氢源，应予

以重视。

2、氢的解和运输

氢在一般条件下是以气态形式存在的，这就为贮存和运输带来了很大的困难。氢的贮存有三种

方法：高压气态贮存；低温液氢贮存；金属氢化物贮存。

2．l气态贮存

气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中，为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为 20mp的高压钢瓶贮氢重量占只1.6％；供太空用的钛瓶储氢重量

也仅为5％。为提高贮氢量，目前正在研究一种微孔结构的储氢装置，它是一微型球床。微型球系薄

壁（1—10um），充满微孔（l0－10um），氢气贮存在微孔中，微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。

2．2、低温液氢贮存

将氢气冷却到-253℃，即可呈液态，然后，将其贮存在高真空的绝热容器中，液氢贮存工艺首先

用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技术也比较复杂．高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点，现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠导热系数极小，其颗粒又非常细

可完全抑制颗粒间的对流换热，将部分镀铝微珠（一般约为3％-5％）混入不镀铝的微珠中可有效地

切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普遍高真空的绝热容器，是一

种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。

2．3、金属氢化物贮存

氢与氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并

放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储于其中，用来贮氢的氢化金属

大多为由多种元素组成的合金。目前世界上己研究成功多种贮氢合金，它们大致可以分为四类：一是

稀土锎镍等，每公斤锎镍合金可贮氢153L。二是铁一钛系，它是目前使用最多的贮氢材料，其贮氢量

大，是前者的4倍，且价格低，活性大，还可在常温常压下释放氢，给使用带来很大的方便。三是镁系，这是吸氢量最大的金属元素，但它需要在287℃下才能释放氢，且吸收氢十分缓慢，因而使用上受限制。四是钒、铌、锆等多元素系，这类金属本身属稀贵金属，因此进一步研究氢化金属本身的化学物理性质，包括平衡压力一温度曲线、生成食转化反应速度，化学及机械稳定性等，寻求更好的贮氢材料仍是氢开发利用中值得注意的问题。带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式，它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源，也可用于吸收废热，储存太阳能，还可作氢泵或氢压缩机使用。

2．4、氢气的运输

氢虽然有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液氢，它们在使用过程中都存在在着不可忽视的

特殊问题，首先，由于氢特别轻，与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大，即使液态氢也是如此。其次，氢特别容易泄漏，以氢作燃料的汽车行驶试验证明，即使是真空密封的氢燃料箱，每24h的泄漏率就达2％，而汽油一般一个月才泄漏1％，因此对贮氢容器和输氢管道、接头、阀门都要采取特殊的密封措施。第三，液氢的温度极低，只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤，因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。

3、氢能利用

早在第二次世界大战期间，氢即用作A—2火箭发动机的液体推进剂。1960年液氢首次用作航天动力燃料。1970年美国发射的"阿波罗"登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。对现代航天飞机而言，减轻燃料自重，增加有效载何变得更为重要。氢的能量密度很高，是普遍汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2/3，这对航天飞机无疑是极为有利的。今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂，以纯氧分为氧化剂，液氢就装在外部推进剂桶内，每次发射需用 1450m3，重约100t。

现在科学家们正在研究一种"固态氢"的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船

的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而"消耗掉"。这样飞船在宇宙

中就能飞行更长的时间。

氢是21世纪重要的能源载体。以氢为燃料的燃料电池，燃烧时氢与氧结合生成水，是一种洁净的发电技术，顺应了全球的环保大趋势。

当前，世界著名的汽车厂商，为发展环保型汽车，加紧更新传统的车用燃料，纷纷决定采用氢能，掀起了一场氢能汽车开发的热潮。实验证明，使用氢燃料电池的汽车排放的碳仅为常规内燃机的

30％，造成的大气污染仅为内燃机的5％，美国汽车工业协会预测，到2002年，美国将生产约50万-

100万辆氢能汽车。

除汽车外，200年开始，美国、欧洲和日本将在飞机上推广氢燃料。据欧洲空中客车飞机公司预

测，最迟将于2002年，欧洲生产的飞机可大规模采用液氢为燃料。由于液态氢的工作温度为-253℃，因此必须改进目前的飞机燃料系统。德国戴姆勒一奔驰航空公司和俄罗斯航空公司已从1996年开始进行试验，证实在配备有双发动机的喷气机中使用液氢，其安全性有足够的保证。另外，由于同等重量的氢和汽油相比，氢提供的能量是汽油的3倍，但即使液态氢也需要4倍于汽油的容积，从而飞机设计师们面临的任务是将传统的机翼设计成可以容纳更多液氢的新型构造。

氢能的开发与应用研究在我国尚处于起步阶段，但随着技术进步，环境对清洁能源的要求不断提

高，氢能利用是发展的必然趋势，对氢源供应的要求必将日益增加。在发展过程中，应结合我国情况

积极开展扩大氢源、降低价格的研究，以便取得较好的经济效益和社会效益。

4、结束语

不久的将来，"氢经济社会"节省下石油、煤炭等化石燃料资源，基本废除内燃机动力系统，实现无污染排放，缓解温室效应，让环境更洁净、空气更清新。同时，氢能的使用也会带动可再生能源设备：电解水设备、燃料电池、储氢器等一系列新兴制造产业，全面推动经济发展。而核聚变电站、太阳能电站、风力电站及潮汐电站的发展又可以与氢能技术进一步结合，把人类利用能源的水平提高到新的水平。

总之，氢能的研究与开发有广宽的前景，随着氢能应用领域的逐步成熟与扩大，必然推动制氢方

法研究与开发。适合我国国情的廉价的氢源供应又将会进一步促进氢能的应用，为改善环境造福人

民作出贡献。

行业主要上市公司：美锦能源(000723)厚普股份(300471)中国石化(600028)卫星化学(002648)嘉化能源(600273)亿华通(688339)等

本文核心数据：氢能源板块上市公司研发费用氢能源相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“hydrogen

energy”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月17日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

氢能技术概况

1、氢能源的界定及分类

(1)氢能源的界定

氢能是氢在物理与化学变化过程中释放的能量。氢能是氢的化学能，氢在是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，储量丰富。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，随着世界范围内对绿色经济发展重视程度的提升，氢能源的需求和应用领域不断扩展。

(2)氢能源的分类

按照氢气的来源，通常将氢能源分为三类，即灰氢、蓝氢和绿氢。

2、技术全景图：四大环节构成

氢能产业主要由制氢、储氢、运氢、加氢和用氢四大环节构成。为发挥氢能重要能源载体作用，需大力推动氢能产业每个环节的技术发展。其中电解水制氢、液态/固态储氢、液态有机储氢、氢燃料电池等先进技术研究对氢能产业规模化应用具有重要意义。

氢能产业技术发展历程：始于上世纪50年代

中国的氢能与燃料电池技术研究始于上世纪50年代。20世纪80年代以来，相继启动了863计划和973计划，加速以研究为基础的技术商业化项目，氢能和燃料电池均被纳入其中。“十三五”期间，氢能与燃料电池开始步入快车道。2016年以来相继发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》、《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》、《中国制造2025》等顶层规划。2019年两会期间，氢能首次写入政府工作报告。2020年4月，氢能被写入《中华人民共和国能源法》(征求意见稿)。2021年，“十四五”规划指出要在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。2022年发布第一个氢能源专项规划——《氢能产业发展中长期规划(2021-2035

年)》，为中国氢能源产业发展作为指引。

氢能产业技术政策背景：政策加持技术水平提升

近些年来，我国提出了一系列氢能产业技术发展相关政策，包括氢气制备、储运、应用和燃料电池等关键技术，使得氢能产业技术水平稳步提升。

氢能产业技术发展现状

1、氢能产业技术科研投入现状

(1)国家重点专项

为推进氢能技术发展及产业化，国家重点研发计划启动实施“氢能技术”重点专项。2018-2022年，“氢能技术”重点专项数量逐年增加。2018年仅9项技术专项，到2022年，“氢能技术”重点专项围绕氢能绿色制取与规模转存体系、氢能安全存储与快速输配体系、氢能便捷改质与高效动力系统及“氢能万家”综合示范4个技术方向，拟启动24项重点专项。

(2)A股上市企业研发费用

目前，中国氢能市场正处于发展初期，行业整体研发投入水平不算太高。从A股市场来看，2017-2021年，我国氢能源板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，氢能源板块上市公司研发总费用约158.69亿元。

2、氢能产业技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从氢能相关论文发表数量来看，2010年至今我国氢能相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见氢能科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有80825篇氢能相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解氢能产业技术领域内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中最近5000条专利中最常见的关键词，其中，催化剂、燃料电池、制氢系统、电解水、电解槽等关键词涉及的专利数量较多，说明氢能领域近期的研发和创新重点集中于燃料电池和制氢等领域。

(3)专利聚焦领域

从氢能专利聚焦的领域看，目前氢能产业专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于催化剂、燃料电池、制氢系统、电解水、电解槽等。

注：图中格子数量表示每家公司的专利覆盖率，每个格子代表相同数量的专利。

主要氢能产业环节技术分析

1、前端制氢环节：可再生能源电解制氢是氢源终极方案

制氢环节技术主要包括化石能源制氢和可再生能源制氢。其中，利用化石能源制氢并未摆脱能源对石油、煤炭和天然气的依赖，仍会产生大量碳排放即使是加上CCUS捕集制备的蓝氢，一旦甲烷在制备过程中发生泄漏，对气候的影响比碳排放更大。而利用可再生能源进行电解水制氢，生产过程基本不会产生温室气体。

2、中端储运氢环节：固态储运安全性更好

储运氢气的方式主要分为气态储运、液态储运和固态储运。相比于气氢储运和液氢储运，固态储运在安全性方面优势明显。

3、后端加氢及氢燃料电池

(1)加氢：站内制氢成本优势大

加氢基础设施是氢能利用和发展的中枢环节，是氢能产业发展的核心配套设施。根据氢气来源不同，加氢站可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站。相较于外供氢而言，站内制氢能够大幅减小氢气的运输成本。

(2)氢燃料电池：质子交换膜燃料电池是主流发展方向

按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、硝酸型燃料电池、碳酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池是当前燃料电池的主流技术发展方向。

氢能产业技术发展痛点及突破

1、氢能产业技术发展痛点

(1)高成本是制约氢能大规模发展的关键

当前，经济性为氢能产业发展最大的挑战因素，即使是成本相对较低的氢气($0.5/kg)，除了转化成氨用作肥料以外，绝大多数氢能应用场景都比现有化石能源技术昂贵。解决氢能产业在绿氢制备、储运氢、加氢站建设、燃料电池电堆等关键环节的经济性问题，是未来氢能大规模发展必须要攻克的一道难题。

(2)制氢技术：先进电解技术发展不成熟

目前国内电解水制氢的成熟技术为碱性电解水制氢技术，碱性水电解槽难以响应瞬态负载，因而难以与波动大的可再生电力配合。另外，PEM电解水制氢技术也面临着匹配可再生能源电力而进行的电解槽设计、控制技术以及电源系统设计等尚不成熟的局面。

2、氢能产业技术发展突破

(1)先进电解技术：PEM电解槽设计改进突破

PEM电解槽设计改进策略方向包括更轻更稳定的端板和双极板、经济且耐腐蚀的集电器等。据Yagya N

Regmi博士的研究小组研究发现，PEM电解中发生不含铂族金属催化的析氧反应在短期内是无法实现的，因此，尽可能使铱的质量活性最大化才是目前的可行策略。

(2)氢能储运：固态储氢和潜液式液氢泵突破储运氢技术瓶颈

氢能储运技术突破在于提高储氢密度和安全性，以及降低运输成本。固态储氢是利用物理或化学吸附将氢气储存在固体材料之中。固态储氢具有体积储氢密度高、安全性更好的优势，因此是一种有前景的储氢方式。因此，固态储氢得到了越来越多的研究和关注，主要工作集中在储氢材料的研发与改性等方面。以氢枫能源的镁基固态储氢为例，镁基固态储氢具有资源、性能及技术优势。

液氢泵为液氢储运的重要部件，用于对液体氢气进行传输分配。从氢能全产业链来看，氢气输配成本和初始资本支出为降本的最主要环节。潜液式液氢泵取代了外置泵，减少了氢蒸发，去掉了气氢压缩机且用液氢的冷源省去制冷系统。此外，潜液式液氢泵大流量液氢泵直接加注，不用高压储罐，去除级联储存最终的结果是减少初始投资和运行成本，使氢气的售价与汽油、柴油比肩。

氢能产业技术发展方向及趋势：氢能各环节技术加快突破

氢能供应体系发展路径以实现绿色经济高效便捷的氢能供应体系为目标，中国将在氢的制储运加各环节上逐渐突破。从长远看，随着用氢需求的扩大，结合可再生能源的分布式制氢加氢一体站、经济高效的集中式制氢、液氢等多种储运路径并行的方案将会是主要的发展方向。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《氢能产业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。

氢能利用，是指将氢能转化为电能、热能等加以利用。

氢能是一种二次能源，它是通过天然气重整、电解水、太阳能光合作用、生物制氢等其它能源制取的，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采、几乎完全依靠化石燃料。

基本介绍中文名 ：氢能利用 外文名 ：Hydrogen utilization 优点 ：安全、环保 套用 ：广泛 历史 ：二战开始就已利用 利用方向 ：燃料、发电等 氢能利用历史,开发现状,氢能制备方法,特点,氢能利用安全问题,氢能利用方向,展望, 氢能利用历史 在化学史上，人们把氢元素的发现，主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许（Cavendish，H.1731-1810）。但早在16世纪，瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生；17世纪时，比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特（van Helmont，J.B.1579-1644）曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收集起来；波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进行研究。他们只知道它可燃，此外就很少了解；1700年，法国药剂师勒梅里（Lemery，N.1645-1715）在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。 第一个对氢气进行收集并认真研究的卡文迪许，但卡文迪许对氢气的认识并不正确，他认为水是一种元素而氢则是含有过多燃素的水。直到1782年，拉瓦锡明确提出水并非元素而是化合物。1787年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“Hydrogen”（氢），意思是“产生水的”，并确认它是一种元素。 氢作为内燃机的燃料并是人类最近的发明。在内燃机中使用氢气已有相当长的历史。 人类历史上第一款氢气内燃机的历史可以上溯到 1807 年，瑞士人伊萨克·代·李瓦茨制成了单缸氢气内燃机。他把氢气充进气缸，氢气在气缸内燃烧最终推动活塞往复运动。该项发明在 1807 年 1 月 30 日获得法国专利，这是第一个关于汽车产品的专利。但由于受当时的技术水平所限，制造和使用氢气远比使用蒸汽和汽油等资源复杂，氢气内燃机于是被蒸汽机、柴油机以及汽油机“淹没” 在第二次世界大战期间，氢就被用做A-2火箭发动机的液体推进剂。 1960年液氢首次用作航天动力燃料，1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料，现在氢已是火箭领域的常用燃料了。 对现代太空梭而言，减轻燃料自重，增加有效载荷变得更为重要。氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着太空梭以氢作为燃料，其自重可减轻2/3，这对太空梭无疑是极为有利的。除此之外，氢还可以用于宇宙飞船。 现在科学家们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”，这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。 80年代后期多种燃料电池汽车被公开示范. 90年代后期小型燃料电池取代蓄电池的可行性得到证实。 进入21世纪，在面对环境污染等危机下，氢能燃料电池快速发展，并且更多成型的氢燃料电池汽车正开始走向市场。 开发现状 氢能作为倔强当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象，据美国能源部（DOE）新能源开发中心调查，过去5年，全世界工业化国家对氢能的开发投入年均递增20.5%。美国一直重视氢能。2003年，布希 *** 投资17亿美元，启动氢燃料开发计画，该计画提出了氢能工业化生产技术、氢能储存技术、氢能套用等重点开发项目。2004年2月，美国能源部公布了《氢能技术研究、开发与示范行动计画》，该计画详细阐述了发展氢经济的步骤和向氢经济过渡的时间表，该计画的出台是美国推动氢经济发展的又一重大举措，标准著美国发展氢经济已经从政策评估、制定阶段进入到了系统化实施阶段。2004年5月美国建立了第一座氢气站，加利福尼亚州的一个固定制氢发电装置“家庭能量站第三代”开始试用。2005年7月，世界上第一批生产氢能燃料电池的公司之一------戴姆勒----克莱斯勒（Daimler Chrysler）公司研制的“第五代新电池车”成功横跨美国，刷新了燃料电池车在公路上的行驶记录，该车以氢气为动力，全程行驶距离为5245km，最高速度145km/h。 对我国来说，能源建设战略是国民经济发展之重点战略，我国化石能源探明可采储量中，煤炭量为1145亿t、石油量为38亿t、天然气储量为1.37万亿m3，分别占世界储量的11.6%、2.6%、0.9%。我国人口多，人均资源不足，人均煤炭探明可采储量仅为世界平均值的1/2，石油仅为1 /10左右，人均能源占有量明显落后；同时，我国近年来交通运输的能还所占比重愈来愈大，与此同时，汽车尾气污染已经成为大气污染特别是城市大气污染最重要的因素，以此，寻找新的清洁能源对我国的可持续发展有着特别重要的意义。“九五”和“十五”期间，科技部都把燃料电池汽车及相关技术研究开发列入国建科技计画，2002年1月，中国科学院启动科技创新战略行动计画重大项目---------大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢能源技术，由中科院大连化学物理研究所主持的这个重大科研项目，主要以科技部国家高技术发展计画（“863”）“电动汽车重大专项”为背景，研究和开发具有自主智慧财产权的75KW和150KW燃料电池发动机及氢能源成套技术，这项世界前沿的技术将有助于我国早日进入氢能时代。目前我国已成功研制除燃料电池轿车和客车，累计实验运行超过2000km，这标志着我国具备开发氢动力燃料电池发动机的能力，2008年奥运会和2010年世博会召开时，燃料电池轿车已经小批量示范性的行驶在街头。 氢能制备方法 1、矿物燃料制氢 在传统的制氢工业中，矿物燃料制氢是采用最多的方法，并已有成熟的技术及工业装置。其方法主要有重油部分氧化重整制氢，天然气水蒸气重整和煤气化制氢。用蒸汽和天然气作原料的制氢化学反应为：CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2 .用蒸汽和煤作原料来制取氢气的基本反应过程为：C+2H 2 O=CO 2 +2H 2 。虽然目前90%以上的制氢都是以天然气和煤为原料。但天然气和煤储量有限，且制氢过程回对环境造成污染，按照科学发展观的要求，显然在未来的制氢技术中该方法不是最佳的选择。 2、电解水制氢 电解水制氢工业历史较长，这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：2H 2 O=2H 2 +O 2 目前常用的电解槽一般采用压滤式复极结构，或箱式单级结构，每对电解槽压在1.8～2.0V之间，制取1m3H2的能耗在4.0～4.5Kwh。箱式结构的优点是装备简单，易于维修，投资少，缺点是占地面积大，时空产率低；压滤式结构较为复杂，优点是紧凑、占地面积，小、时空产率高，缺点是难维修，投资大。随着科学技术的发展，出现了固体聚合物电解质（SPE）电解槽。SPE槽材料易得，适合大批量生产，而且使用相同数量的阴阳极进行H 2 、O 2 的分离，其效率比常规碱式电解槽要高，另外，SPE槽液相流量是常规碱式电解槽的1/10，使用寿命约为300天。缺点是水电解的能耗仍然非常高。目前，我国水电解工业扔停留在压滤式复极结构电解槽或单级箱式电解槽的水平上，与国外工业和研究的水平差距还很大。 3、甲烷催化热分解制氢 传统的甲烷裂解制造氢气过程都伴有大量的二氧化碳排放，但近年来，甲烷因热分解制氢能避免CO 2 的排放，而成为人们研究的热点。甲烷分解1mol氢气需要37.8KJ的能量，排放CO 2 0.05mol。该法主要优点在于制取高纯氢气的同时，制的更有经济价值、易于出场的固体碳，从而不向大气排放二氧化碳，减轻了温室效应。由于基本不产生CO 2 ，被认为是连线化石燃料和可再生能源之间的过渡工艺。但生产成本不低，如果副产物碳能具有广阔的市场前景，该法将会成为一种很有前途的制氢方法。 4、生物制氢 利用生物制氢技术，可节约不可再生能源，减少黄精污染，可能成为未来能源制备技术的主要发展方向之一。生物制氢是利用微生物在常温、常压下以含氢元素物质（包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物及水）为底物进行酶生化反应来制的氢气。迄今为止，以研究报导的产氢生物可分为两大类：光合生物（厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻）和非光合生物（严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌）。 光合生物蓝细菌和绿藻可利用体内巧妙的光合结构转化太阳能为氢能，故其产氢研究远较非光合生物深入。二者均可光裂解水产生氢气，光裂解水产氢是理想的制氢途径，但蓝细菌和绿藻在光合放氢的同时，伴随氧的释放，除产氢效率较低外，如何解决氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。厌氧光合细菌与蓝细菌和绿藻相比，其厌氧光合放氢过程不产生氧，故工艺简单。目前鉴于光合放氢过程的复杂性和精密性，研究内容仍主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、育化和控制环境条件以提高产氢量，其研究水平和规模还基本处于实验室水平。 非光合生物可降解大分子有机物而产氢，使其生物转化可再生能源物质（纤维素及其降解产物和淀粉等）生产氢能研究中显示出优越于光合生物的优势。该类微生物作为氢来源的研究始于20世纪60年代，至20世纪90年代末，我国科学家任南琪等研究开发了以厌氧活性污泥和有机质废水为原料的“有机废水发酵法生物制氢技术”，该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限，开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径，中试试验结果表明，生物制氢反应器最高持续产氢能力达到5.7m 3 /（m 3 ·d），生产成本约为目前采用的电解水法制氢成本的一半。 特点 (1)氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质 (2)所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体 (3)氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，3%－97%范围内均可燃。而且燃点高，燃烧速度快 (4)除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，达142.35lkJ/kg，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍 (5)所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种套用环境的不同要求 (6)氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用 氢能利用安全问题 氢是安全燃料。大量使用实践表明，氢有着安全的使用记录。美国1967~1977年间发生145起氢事故，都是发生在石油精炼、氯碱工业或核电厂中，并未真正涉及能源套用。 国内外用氢经验显示，氢常见事故可归纳为:未察觉的泄漏阀门故障或泄漏安全阀失灵排空系统故障管道或容器破裂材料损坏置换不良、空气或氧气等杂质残留在系统中氢气排放速率太高管路接头或波纹管损坏输氢过程发生撞车或翻车事故。 这些事故需要补充两个条件才能发生火灾，一是火源，二是氢气与空气或氧气的混合物要处于当时、当地的着火或暴震的极限当中，没有这两个条件，不能酿成事故。实际上，严格管理和认真执行操作规程，绝大多数事故是可以避免的。 氢能利用方向 氢能的利用方式主要有三种： ①直接燃烧； ②通过燃烧电池转化为电能； ③核聚变。 其中最安全高效的使用方式是通过燃料电池将氢能转化为电能。目前，氢能的开发正在引发一场深刻的能源革命，并将可能成为21世纪的主要能源。美、欧、日等已开发国家都从国家可持续发展和安全战略的高度，制定了长期的氢能发展战略。 1、氢内燃机 氢内燃机的基本原理于汽油或者柴油内燃机原理一样。氢内燃机是传统汽油内燃机的带小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。氢内燃机不需要任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完全做功，这样就不会存在造价过高的为题。现在很多研发成功的氢内燃机都是混合动力的，也就是既可以使用液氢，也可以使用汽油等作为燃料。这样氢内燃机就成了一种很好的过渡产品。例如，在一次补充燃料后不能到达目的地，但能找到加氢站的情况下就使用氢为燃料；或者先使用液氢，然后找到普通加油站加汽油。这样就不会出现加氢站还不普及的时候人们不敢放心使用氢动力汽车的情况。氢内燃机由于其点火能量小，易实现稀薄燃烧，故可在更宽阔的工况内得到较好的燃油经济性。 2、燃料电池 氢能的套用主要通过燃料电池来实现的。氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置，它把电能储存起来，需要的时候再释放出来而氢燃料电池严格的说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。而使用氢燃料电池发电，是将燃烧的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。从本质上看，氢燃烧电池的工作方式不同于内燃机，氢燃烧电池通过化学反应产生电能来推动汽车，而内燃机则是通过燃烧热能来推动汽车。由于燃料电池汽车工作过程不涉及燃烧，因此无机械损耗及腐蚀，氢燃烧电池产生的电能可以直接被用于推动汽车的四轮上，从而省略了机械传动装置。现在，各已开发国家的研究者都已强烈意识到氢燃烧电池将结束内燃机时代这一必然趋势，已经开发研究成功氢燃烧电池汽车的汽车厂商包括通用（GM）、福特、丰田（Toyota）、宾士（Benz）、宝马（BMW）等国际大公司。 3、核聚变 核聚变，即氢原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时放出巨大的能量。 热核反应，或原子核的巨变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如氢、氘、氟、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制的产生于进行，即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又取之不尽的能源。 目前，可行性较大的可控核聚变反应堆就是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。他的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）。最初是有位苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿奇莫维奇等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部回产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子加热到很高的温度，已达到核聚变的目的。我国也由两座核聚变实验装置。 展望 能源、资源及环境问题迫切需要氢能源来化解这种危机，但目前氢能源的制备还不成熟，储氢材料的研究大多仍处于实验室的探索阶段。氢能源的制备应主要集中在生物制氢这一方面，其他制氢方法，是不可持续的，不符合科学发展的要求。生物制氢中的微生物制氢需要基因工程同化学工程的有机结合，这样才能充分利用现有科技尽快开发出符合要求的产氢生物。生物质制氢需要技术的不断改进和大力推广，这些都是一个艰难的过程。 氢气的储存主要集中在新材料的发现方面，对材料的规模化或工业制备还未及考虑，对不同储氢材料的储氢机理也有待于进一步研究。另外，因为每一种储氢材料都有其优缺点，且大部分储氢材料的性能都有加合性的特点，而单一的储氢材料的性质也较多地为人们所认识。因此认为，应该研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料是未来储氢材料发展的一个方向。