氢能源的研究现状及展望

郭 利

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710075）

氢能是指以氢及其同位素为主导的反应中或氢在状态变化过程中所释放的能量。作为一种“含能体能源”的二次能源，因其清洁、高效、零碳和可持续利用的特性被视为未来清洁能源研究发展的方向[1-5]。目前氢能的利用方式主要有三种：直接燃烧、通过燃烧电池转化为电能、核聚变。

本研究通过对氢能的利用及其发展特点分析，主要介绍了国内外氢能源的研究现状，同时指出了未来氢能研究的重要性及实现氢能广泛利用的有效途径和关键因素。

1 氢能的简介

1.1 氢能的概念

目前，氢的存在形式主要为化合态，构成了宇宙质量的75%。氢能的燃烧热值为142 351kJ/kg，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。而燃烧后的产物是H2O，是世界上最干净的能源。因此氢能作为推动全球能源转型的一种可行技术路线，逐渐成为世界能源领域的热点话题，从欧美政府到国际能源署等重要国际组织，都对氢能经济寄予厚望。

1.2 氢能的特点

氢能源作为一种“含能体能源”的二次能源，不仅具有清洁、高效、零碳和可持续利用的特性，而且具有较高的发热值、较高的燃烧性能和能损低等特点。根据它的特点，未来能源将不再依赖化石能源。

2 国内氢能的研究进展

《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》（发改能源[2016]513号）是由国家能源局和国家发展改革委员会于2016年联合发布的，该计划对中国未来能源发展的方向及重点提出了15项具体的要求，其中包含了燃料电池和氢能技术的创新。这一计划的发布，标志着我国同世界各国一样，将氢能源的发展列入了国家能源战略的部署中，我国氢能源的发展进入历史性的时刻。

《中国氢能源及燃料电池产业发展研究报告》是2018年11月发布的，该报告中指出：我国具有丰富的氢能，实现工业、建筑、化工和交通等领域氢能的利用是我国能源发展的战略，从而实现氢能在2050年达到我国能源消耗比列的10%。同时会上专家指出氢能的生成途径要多样化，能够满足绿色、循环再利用，不仅要充分利用中国丰富的天然气、煤炭等能源来制取氢能源，而且也可以利用自然能源，如风力、太阳光等，来制取氢能源。使得中国的氢能源能够实现最大化利用，降低环境污染，实现经济发展与能源可持续发展的战略目标，充分利用中国的巨大市场潜力，实现中国氢能源与世界接轨，对世界氢能源的研究发展做出杰出的贡献[6-10]。根据《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》的论坛指出，中国将加快氢能源发展的步伐、加大对氢能源发展的投资力度。

为了响应国家对氢能源的发展战略要求，宁夏宁东能源化工基地为了摆脱长期以来依赖煤基产业，减少煤炭产业对环境带来的污染，他们瞄准氢能这一全新的产业方向，实现了煤化工“领跑者”向氢能“领跑者”转型。

3 国外氢能的研究进展

3.1 德国氢能的研究

德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂“以氢代煤”炼铁，标志着氢能的利用进入一个新时代！该实验的原理是：在钢铁产业中，能够实现CO2的零排放，通过利用氢能取代煤炭资源的利用。德国的钢铁产业发展迅猛，原来的方案是单独利用铁矿石，这样是以牺牲环境的代价来换取经济效益，于是德国的科学家尝试将H2作为还原剂来实现氢能源在钢铁产业的应用，研究结果表明，副产物中只有H2O产生，没有有毒气体的排放，对环境保护起到了关键性的作用，同时提高了热量值，为德国钢铁生产中提供了一条低碳、绿色能源发展的渠道。同时研究发现，氢能源在运输过程较为便捷，对其他工业上的应用提供了一条思路[11]。

《国家氢能战略》是德国在2020年6月10日发布的，该战略对德国氢能源的发展起到了关键性的作用，国家对氢能源的研发、工业化生产及相关技术的研发在国家战略层面达成了统一意见[12]。文件中明确表示，德国氢能源发展的重点是对市场规模的扩大化，计划在2023年实现。同时文件中指出了国家制定的在经济发展、市场监管、气候变化和研发与创新等38项行动项目领域取得关键性突破；第二阶段是将德国国内氢能源的稳步发展，同时要开拓国外市场，逐步建立德国氢能源在国际市场和研发技术方面的地位，该目标计划在2024年实现。

3.2 日本氢能源研究进展

《日本再复兴战略》是日本政府于2013年5月发布的，该战略中将氢能源的发展纳入了国家发展战略[13-14]，同时对氢气站的建设和使用开始了前期的规划。为了能够使得氢能源在日常生活和工业领域得到更加广泛的应用，日本政府对氢能源的发展战略多次进行了修订，不仅在燃料电池的开发技术和成本上加大控制，而且对氢能源的基础设施建设加大了力度，通过技术核心竞争力来降低氢能源的使用成本，增强日本在氢能源领域的竞争力。由于国际市场上氢能源的潜力较大，日本政府想通过对氢能源的发展来实现本国经济的振兴，他们计划不仅稳住本国的市场，还要求加大对国际市场的开发，使得日本站在氢能源开发的金字塔塔尖，实现氢能源领域的权威。

3.3 韩国氢能源研究进展

早在2009年，韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议（KNHA），正式开始开展核能制氢信息交流和技术研发。2010年5月，POSCO正式开发着手开发超高温煤气炉（VHTR，Very High Temperature Reactor）和智能原子炉（SMART：Systemintegrated Modular Advanced Reactor）。

3.4 美国氢能源研究进展

美国氢能源的发展要追溯到1994年，当时美国政府提出了“新一代汽车合作计划”，着重于氢能基础设施建设和氢燃料电池的研发。

氢能源在美国的发展取得了突破性的成果，尤其是 2010年到2020年的十年里。美国不仅在经济方面给予氢能源发展大力的支持，而且从技术上也培养了大批的氢能源专家，在氢能和燃料电池的发展上给予将近5亿美元的支持，使得氢能源在工业生产中取得了丰硕的成绩[15-18]。主要表现为：Plug Power 公司开发的氢燃料电池叉车，实现了量产；Fuel Cell Energy公司开发的固定式燃料电池，在汽车领域得到了广泛的应用；同时Air Products公司和Praxair公司对氢能储运的核心技术领跑于世界其他国家。

4 氢能的前景及展望

通过对国内外氢能源发展的研究发现，氢能源作为一种“含能体能源”的二次能源，因其清洁、高效、零碳和可持续利用的特性被视为未来清洁能源研究发展的方向。我国不仅要充分利用中国丰富的天然气、煤炭等能源来制取氢能源，也可以利用自然能源，如风力、太阳光等，来制取氢能源。使得中国的氢能源能够实现最大化利用，降低环境污染，实现经济发展与能源可持续发展的战略目标，充分利用中国的巨大市场潜力，实现中国氢能源与世界接轨，对世界氢能源的研究发展做出杰出的贡献。

根据国际氢能源发展战略研究发现，为了能够将氢能源在我国实现规模化发展，应该借鉴国外先进国家关于氢能源发展的经验，不仅要完善管理机制，而且政府政策要给予大力的支持，积极开展氢能源利用示范项目的建设，提升大众的认可度和接受度。