氫能（Hydrogen Energy）是氫在物理與化學變化過程中釋放的能量，是一種高能量密度的能源載體，能量密度為122KJ/g。它的反應產物是水，對環境沒有任何污染，被譽為21世紀最具發展前景的二次能源。其獲取來源廣、且資源豐富，在全球能源向清潔、環保方向轉型的背景下，氫能的清潔、低碳等優點令其成為應對全球氣候變化、實現碳減排目標和可持續發展的重要能源載體。
氫的制備主要方法是電解水制氫、化石燃料制氫、生物制氫、催化熱分解碳氫化合物制氫和光解水制氫。其中電解水制氫、生物制氫和光解水制氫是綠色制氫，無污染產物，而化石燃料制氫會產生溫室氣體。
氫能儲存最常用且成熟的方法是高壓氣態儲存，主要采用密閉耐壓罐進行儲氫。它的運輸與儲存方法相對應，大致有五種運輸方式，分別為高壓氫氣運輸、低溫液氫運輸、儲氫介質運輸、管道運輸和制造原料運輸。其中管道運輸成本低、連續性強，適合長距離運氫。
氫能是應用場景廣泛的二次能源，可應用于工業、農業、發電、交通運輸等領域。如在發電領域，氫能以氫燃料電池為載體作為備用電源和分布式電源；此外，以氫能燃料的內燃機與渦輪機的航空航天領域。
歷史
氫作為能源載體的現代研究始于上世紀20年代，英國的JBS Haldane提出了風力發電水電解制氫的設想。上世紀60年代開始，液氫開始用作航空動力燃料。而到了上世紀70年代，氫能被認為是替代化石能源解決能源危機的重要途徑，提出“氫經濟”概念。但受到氫能技術尚不成熟、基礎設施尚不完善、成本高等影響，氫能發展緩慢。直到，美國、歐盟等發達國家制定氫能發展規范，氫能發展才開始加速。
1998年，歐盟成立了EIHPI，并制定了包括氫能制備、儲輸、基礎設施、安全等內容的氫能路線圖。之后實現了Framework Programme計劃，已有100多家公司和研究機構在歐盟領導下加速氫能與燃料電池技術的研發，力求2015年實現相關技術產品市場化。德國積極投入氫能領域的研究與技術，實施了《氫能與燃料電池技術國家創新計劃》，投入14億歐元用于氫能與燃料電池技術研發及推廣，積極擴大加氫站網絡。
2002年，美國頒布了國家氫能發展路線圖，推動氫能制備、儲運和應用等相關技術發展。日本實施了日本 Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Project計劃、New Sunshine計劃、World Energy Network計劃等氫能與燃料電池示范項目。中國將氫能和燃料電池技術列入《國家中長期科學與技術發展規范綱要(2006-2020年)》的重點基礎研究內容，2003年，中國作為創始成員國之一，與美國、日本、歐盟等國家或地區共同簽署了“氫能與燃料電池經濟國際合作伙伴計劃”(JPHE)，共同推動氫能技術研究與商業化。在2003年至2007年，日本投資高達25億美元用于氫能技術研究、法規標準體系建設及基礎設施建設。2006年，美國又制定并發布了《氫經濟制造業研發路線圖》，目標是到2015年初步實現氫能技術的商業化。2007年，中國科技部和發改委啟動了《可再生能源與新能源國際科技合作計劃》，將氫能和燃料電池列為五大優先領域之一。
2013年，日本發布以氫能為商業化目的的日本振興戰略。2015年，100座加氫站配套基礎設施建成，豐田汽車、本田技研工業、日產汽車相繼開始銷售燃料電池汽車。同年，美國又啟動氫能美國計劃，美國已在加利福尼亞州形成了較完善的氫能產業鏈，建立的氫能高速公路已有數百輛氫燃料電動汽車運行。
2024年3月21日，由中車長客股份公司自主研制的我國首列氫能源市域列車在位于長春市的中車長客試驗線進行了運行試驗，列車成功以時速160公里滿載運行，實現全系統、全場景、多層級性能驗證，標志著氫能在軌道交通領域應用取得新突破。
主要特性
氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的122KJ/g，是汽油發熱值的3倍。燃燒性能好，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高、燃燒速度快。此外，氫可以以氣態、液態或固態的氫化物出現，能適應貯運及各種應用環境的不同要求。
氫能是無毒的，除生成水外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質，少量的氨氣經過適當處理也不會污染環境，而且燃燒生成的水還可以繼續制氫，反復循環使用。此外，氫能在低溫高壓下可變成為液氫和固態氫，利于儲存和運輸；它的能量轉化形式比較多，如可以燃燒產生熱、在熱力發動機產生機械功和在燃料電池中直接發電，而且它來源很廣。
應用
對氫能的化學能利用主要有內燃機與渦輪機、氫電池、燃料電池和工業還原劑等方面，可以進一步應用于交通能源、化工、冶金等領域，促進節能減排、低碳發展。
氫燃料電池
氫能的產業鏈下游主要是以氫燃料電池為載體，氫燃料電池可以將化學能轉換為電能，傳統電池是儲能，但燃料電池卻是提供電化學反應的場所。氫燃料電池是不需要經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的高效發電裝置，可以持續發電，且生成物主要是水，能源轉化率能超過60%，遠高于內燃機30%~35%的能源轉化率。它作為一種特殊的能量轉換裝置，具有轉換效率高、環境友好、噪聲小、響應速度快及使用維護方便的特點，已應用在交通、儲能、航天和軍事等領域。
交通運輸
氫能多應用于交通運輸的汽車行業，氫內燃機、氫燃料電池是發展氫能源汽車的方法。氫內燃機是在傳統內燃機中燃燒氫氣，用氫燃料代替汽油燃料，使排放物污染少，系統效率高，燃料具有寬的可燃界限，發動機壽命長，所以，氫燃料機可以成為汽車動力。氫內燃機汽車按照使用氫燃料不同可分為三種：純氫燃料內燃機汽車、氫-油混合燃料內燃機汽車和氫和天然氣混合燃料內燃機汽車。此外，還有以氫燃料電池為動力的燃料電池汽車。
航空航天
以液態氧液氫作為推進劑，由氫氧火箭發動機的渦輪機將推進劑增壓到預定壓力后送入燃燒室燃燒，產生高溫高壓的燃氣，通過噴管轉換成為推力，推進火箭加速飛機，氫氧火箭發動機的噴管每秒排出1kg流量燃氣產生推力最高。在第十四屆中國國際航空航天博覽會上，中國航空發動機集團根據國家氫能發展戰略和規范研發了100%燃氫發動機，后續通過系列化發展，可適用于支線客機、直升機、無人機。此外，氫燃料電池也可以用于航空動力。
電力
氫能供電方面，主要通過氫內燃機和氫燃料電池。氫內燃機已有幾十年技術，但存在早燃、回火、動力性能差等問題，未形成產業化。氫燃料電池直接將氫的化學能轉化為電能和熱能，不受卡諾循環效率的限制，放電效率高，為此多用氫燃料電池取代柴油發電機組提供備用電源、分布式電源，為電網調峰。
化工
氫氣是煉油企業提高石腦油收率、改善產品質量 必不可少的原料。煉油過程中的耗氫主要集中在加氫裂化和加氫精制工藝，需求量巨大，選擇可再生能源制得的氫氣有望作為主要的氫氣來源。而煤制天然氣、煤制油是煤炭清潔利用的重要途徑。其中，煤制氣的加氫氣化過程以及煤制油直接液化過程中也需要通入氫。
安全事宜
安全隱患
氫能的安全性應主要考慮氫氣的泄漏性，氫氣泄露是氫能應用過程中最大的安全隱患。氫氣無色無味，具有易燃、易爆、易擴散和易發生氫脆等特點。由于氫本身的質量較輕，分子體積更小，相比于其他燃料更易從各種孔隙中泄漏。氫氣發生泄漏后的擴散速度非常快，表現在高度上升迅速和橫向擴散速。這一特性令發生在戶外的泄漏相對安全，但如果室內發生大量泄漏，與空氣混合，遇到明火、靜電會發生燃燒或爆炸。
“氫脆”現象常常發生在以錳鋼、鎳鋼為代表的高強度鋼材中，這些材料在高溫高壓下與氫氣長期接觸，會發生強度的下降，常常導致氫氣泄漏和管道損傷進而失效。選擇合適的材料可以避免這一安全問題。
預防措施
為了解決氫氣泄漏問題，可采取三個類型的主動防護。首先，可通過產品認證、測試評價等手段，使材料防溫壓氫脆、結構防應力集中、工藝制造等缺陷；其次，通過快速檢測、風險預測預警和安全培訓手段，防泄漏，防集聚，防點火，嚴格控制氣源品質，嚴格規程管理；最后，通過應急處置，保證危害不擴大。此外，還采取疏和堵的措施解決氫泄露問題，即有效密封和科學通風排放相結合。與氫氣相關的部件，如管路、閥門、泵、儲氫容器需要安裝氫氣傳感器來實時監測，防止氫氣的泄漏。
氫能制備
按照制取過程中的碳排放強度，氫氣被分為灰氫、藍氫和綠氫。灰氫指由化石燃料重整制得的氫氣，碳排放強度高，技術成熟，適合大規模制氫，約占全球市場氫源的96%。藍氫包括加裝碳捕集與封存技術的化石燃料制氫和工業副產氫，相比灰氫碳排放量大幅降低。綠氫即可再生能源制氫及核能制氫，制氫過程幾乎不產生碳排放，成熟度低，技術成本高。
電解水制氫
電解水制氫的電流通過水時，陰極上的負電流還原水生成氫氣(H2)，陽極上的正電流氧化水生成氧氣(O2)的過程，氫氣生成量大約是氧氣的2倍。工業應用中pH值對電解水產氫/氧反應所需的電極電勢有非常大的影響。
化石燃料制氫
天然氣制氫：它是化石燃料制氫中技術最為成熟、經濟、合理的生產方法，其原理是在催化劑的作用下，經過天然氣重整得到的甲烷與水蒸氣在高溫條件下反應，生成氫氣和一氧化碳的混合物，分離提純后得到氫氣。
石油制氫：以石油加工業的尾產品或廢渣來制備氫氣，其原理是石油廢渣或重油與水蒸氣在高溫條件下反應制得氫氣和一氧化碳，分離提純得到氫氣。
煤炭制氫：包含煤的焦化和氣化。煤的焦化：在無氧條件下，煤經高溫干餾產生焦炭、煤氣和煤焦油，干餾溫度一般為 900-1000 ℃。煤氣包含體積分數為 55%-60%的氫氣，可通過提純的方式獲取純氫。煤的氣化：在加壓或常壓裝置中，煤與水蒸氣或氧氣發生反應，產生的氣態產物中含有大量的一氧化碳和氫氣。其中，氫氣的含量隨制備方式而異。然后將氣態產物經煤氣凈化、CO 變換和提純得到氫氣。
生物制氫
生物質汽化制氫：將生物質原料如薪柴、鋸末、麥秸、稻草等壓制成型，在汽化爐或裂解爐中進行汽化或裂解反應，制得含氫的燃料氣。再將富氫燃料氣中的氫與其他氣體通過變壓吸附或變溫吸附分離, 獲得高品質氫。
微生物制氫：利用微生物在常溫常壓下進行酶催化反應可以制得氫氣。微生物產氫主要有化能營養微生物產氫和光合微生物產氫兩種方式。屬于化能營養微生物的是各種發酵類型的一些嚴格厭氧菌和兼性厭氧菌。合微生物是指微型藻類和光合作用細菌等光合微生物。
催化熱分解碳氫化合物制氫
該方法是指甲烷的水蒸氣重整流程中，甲在高溫高壓下與水蒸汽反應，生成合成氣，即一氧化碳和氫氣。生成的一氧化碳繼續與水蒸汽反應，生成二氧化碳和氫氣，通過分離和純化工序，得到氫氣。
光解水制氫
光解水制氫主要是利用太陽能作為能量來源，使用半導體材料作為催化劑。當一定波長的太陽光照射到半導體催化劑表面時，半導體價帶的電子會發生躍遷，躍遷至導帶，從而在半導體中就會形成電子-空穴對，躍遷至導帶的電子可以與水中的氫離子結合，生成氫氣。
氫能儲存
高壓儲氫
該儲存方法最常用且成熟，主要利用壓縮機將氫氣壓縮在密閉耐壓罐內，儲氫量與壓力成正比。該法成本低廉、操作簡便、使用快捷，可以適應常溫環境。缺點在于單位質量儲氫密度最多為1%左右，儲氫能力的上限較低。因此可以通過改進容器材料的存儲壓力提高儲氫密度，擴大應用范圍并減小成本。在進行氫氣壓縮時，可以直接將氫氣壓縮至容器所需壓力，或者先將氫氣壓至較低壓力儲存起來，之后加注至所需的壓力。
液態儲氫
氫的沸點為-253℃（101kPa），將氫氣液化儲存，優點在于存儲效率高、能量密度大，但成本高昂（液化氫氣需要極高的能量），對儲存材料的外形、耐熱性、安全性有著極高的要求，適用于運輸距離長、存儲時間長、氣體體量大、生產成本低的生產。
金屬氫化物儲氫
該法主要通過儲氫材料的吸氫脫氫能力來實現，可分為物理吸附類儲氫和化學吸附類儲氫。氫的釋放需要經過擴散、相變、化合等過程，與熱效應、壓力有關，通過控制溫度或者壓力控制氫氣的吸收和放出。固態金屬氫化物儲氫安全性好于高壓儲氫，且容量高。
其他方法儲氫
其他方法如無機化合物儲氫、水合物儲氫、空心玻璃微球高壓儲氫、地下巖洞儲氫等都可以進行氫能的儲存。
氫能運輸
氫能的運輸與儲存方法相對應，大體可以分為五種方式：高壓氫氣運輸、低溫液氫運輸、儲氫介質運輸、管道運輸、制造原料的運輸五種方式。
壓縮氫氣運輸：通過將氫氣壓縮在氫氣瓶、專用高壓容器等容器內送往實驗室、加氣站等，該種方式運輸中不發生相變，能量損失小，單次運量少，適用于近距離、小運量的應用場景。
液態氫運輸：類似于壓縮氫氣運輸，區別在于容器內氫氣的物理狀態。液態氫運輸需要更加嚴格的保溫條件，運輸轉移時的能量損失高于壓縮氫氣運輸，可用于大量運輸以節省成本、提高能量效率。
儲氫介質運輸：利用載體對氫的吸收作用進行運輸，但運輸相同質量的氫時，運輸的總重量遠大于前兩種。
管道運輸：在成本及耗能量方面都有優勢，由于其成本低、運量大、可連續性強、適合長距離運氫，可應用于大型工業企業中是未來氫氣運輸的發展的重要方向。
原料運輸：將原料運至加氫站后進行使用或儲存的方法，技術成熟且成本較低，但對加氫站的規模有一定要求。
局限性
生產：氫能行業的發展，其中一個重點是要氫源充足、制氫成本低。目前主流的水電解制氫受制于電價因素，導致其成本較高，且由于火電比例較高，從全產業鏈分析有悖于國家“雙碳”目標實現。
儲存與運輸：目前儲氫方案存在儲存和釋放的速率、單位體積儲存量、儲存成本等方面的不足。常用的儲氫罐壓力在30MPa左右，45Mpa甚至100Mpa的儲氫容器也開發出來了，但每立方容積的價格達到20萬元-100萬元，難以產業化應用。氫氣的運輸多采用長管拖車，單體運量少，運輸半徑有限。而采用液氫儲罐進行氫運輸，受到標準限制，短期難以推廣。
加氫站：加氫站建設成本較高，導致正在運營建設的加氫站數量較少。此外，加氫站建設標準對安全距離遠高于加油站、液化天然氣站的安全距離，導致市區很少有滿足加氫站建設的空地，導致加氫站多位于遠離市區的位置。
參考資料 >
氫能，被低估的終極能源.中國能源網.2023-09-26
低碳氫能時代向我們走來.中國軍網.2023-09-11
我國首列，成功試跑！.鄆城縣人民檢察院-今日頭條.2024-03-21
氫能要發展 系好“安全帶”.中國能源網.2023-09-26
做好氫能技術和布局儲備，早起步的企業將迎來更好發展.中國發展網.2023-09-26