氫能源的研究現狀及展望

郭 利

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

氫能是指以氫及其同位素為主導的反應中或氫在狀態變化過程中所釋放的能量。作為一種“含能體能源”的二次能源，因其清潔、高效、零碳和可持續利用的特性被視為未來清潔能源研究發展的方向[1-5]。目前氫能的利用方式主要有三種：直接燃燒、通過燃燒電池轉化為電能、核聚變。

本研究通過對氫能的利用及其發展特點分析，主要介紹了國內外氫能源的研究現狀，同時指出了未來氫能研究的重要性及實現氫能廣泛利用的有效途徑和關鍵因素。

1 氫能的簡介

1.1 氫能的概念

目前，氫的存在形式主要為化合態，構成了宇宙質量的75%。氫能的燃燒熱值為142 351kJ/kg，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。而燃燒后的產物是H2O，是世界上最干凈的能源。因此氫能作為推動全球能源轉型的一種可行技術路線，逐漸成為世界能源領域的熱點話題，從歐美政府到國際能源署等重要國際組織，都對氫能經濟寄予厚望。

1.2 氫能的特點

氫能源作為一種“含能體能源”的二次能源，不僅具有清潔、高效、零碳和可持續利用的特性，而且具有較高的發熱值、較高的燃燒性能和能損低等特點。根據它的特點，未來能源將不再依賴化石能源。

2 國內氫能的研究進展

《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》（發改能源[2016]513號）是由國家能源局和國家發展改革委員會于2016年聯合發布的，該計劃對中國未來能源發展的方向及重點提出了15項具體的要求，其中包含了燃料電池和氫能技術的創新。這一計劃的發布，標志著我國同世界各國一樣，將氫能源的發展列入了國家能源戰略的部署中，我國氫能源的發展進入歷史性的時刻。

《中國氫能源及燃料電池產業發展研究報告》是2018年11月發布的，該報告中指出：我國具有豐富的氫能，實現工業、建筑、化工和交通等領域氫能的利用是我國能源發展的戰略，從而實現氫能在2050年達到我國能源消耗比列的10%。同時會上專家指出氫能的生成途徑要多樣化，能夠滿足綠色、循環再利用，不僅要充分利用中國豐富的天然氣、煤炭等能源來制取氫能源，而且也可以利用自然能源，如風力、太陽光等，來制取氫能源。使得中國的氫能源能夠實現最大化利用，降低環境污染，實現經濟發展與能源可持續發展的戰略目標，充分利用中國的巨大市場潛力，實現中國氫能源與世界接軌，對世界氫能源的研究發展做出杰出的貢獻[6-10]。根據《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》的論壇指出，中國將加快氫能源發展的步伐、加大對氫能源發展的投資力度。

為了響應國家對氫能源的發展戰略要求，寧夏寧東能源化工基地為了擺脫長期以來依賴煤基產業，減少煤炭產業對環境帶來的污染，他們瞄準氫能這一全新的產業方向，實現了煤化工“領跑者”向氫能“領跑者”轉型。

3 國外氫能的研究進展

3.1 德國氫能的研究

德國杜伊斯堡的蒂森克虜伯鋼廠“以氫代煤”煉鐵，標志著氫能的利用進入一個新時代！該實驗的原理是：在鋼鐵產業中，能夠實現CO2的零排放，通過利用氫能取代煤炭資源的利用。德國的鋼鐵產業發展迅猛，原來的方案是單獨利用鐵礦石，這樣是以犧牲環境的代價來換取經濟效益，于是德國的科學家嘗試將H2作為還原劑來實現氫能源在鋼鐵產業的應用，研究結果表明，副產物中只有H2O產生，沒有有毒氣體的排放，對環境保護起到了關鍵性的作用，同時提高了熱量值，為德國鋼鐵生產中提供了一條低碳、綠色能源發展的渠道。同時研究發現，氫能源在運輸過程較為便捷，對其他工業上的應用提供了一條思路[11]。

《國家氫能戰略》是德國在2020年6月10日發布的，該戰略對德國氫能源的發展起到了關鍵性的作用，國家對氫能源的研發、工業化生產及相關技術的研發在國家戰略層面達成了統一意見[12]。文件中明確表示，德國氫能源發展的重點是對市場規模的擴大化，計劃在2023年實現。同時文件中指出了國家制定的在經濟發展、市場監管、氣候變化和研發與創新等38項行動項目領域取得關鍵性突破；第二階段是將德國國內氫能源的穩步發展，同時要開拓國外市場，逐步建立德國氫能源在國際市場和研發技術方面的地位，該目標計劃在2024年實現。

3.2 日本氫能源研究進展

《日本再復興戰略》是日本政府于2013年5月發布的，該戰略中將氫能源的發展納入了國家發展戰略[13-14]，同時對氫氣站的建設和使用開始了前期的規劃。為了能夠使得氫能源在日常生活和工業領域得到更加廣泛的應用，日本政府對氫能源的發展戰略多次進行了修訂，不僅在燃料電池的開發技術和成本上加大控制，而且對氫能源的基礎設施建設加大了力度，通過技術核心競爭力來降低氫能源的使用成本，增強日本在氫能源領域的競爭力。由于國際市場上氫能源的潛力較大，日本政府想通過對氫能源的發展來實現本國經濟的振興，他們計劃不僅穩住本國的市場，還要求加大對國際市場的開發，使得日本站在氫能源開發的金字塔塔尖，實現氫能源領域的權威。

3.3 韓國氫能源研究進展

早在2009年，韓國原子能研究院與POSCO等韓國國內13家企業及機關共同簽署原子能氫氣合作協議（KNHA），正式開始開展核能制氫信息交流和技術研發。2010年5月，POSCO正式開發著手開發超高溫煤氣爐（VHTR，Very High Temperature Reactor）和智能原子爐（SMART：Systemintegrated Modular Advanced Reactor）。

3.4 美國氫能源研究進展

美國氫能源的發展要追溯到1994年，當時美國政府提出了“新一代汽車合作計劃”，著重于氫能基礎設施建設和氫燃料電池的研發。

氫能源在美國的發展取得了突破性的成果，尤其是 2010年到2020年的十年里。美國不僅在經濟方面給予氫能源發展大力的支持，而且從技術上也培養了大批的氫能源專家，在氫能和燃料電池的發展上給予將近5億美元的支持，使得氫能源在工業生產中取得了豐碩的成績[15-18]。主要表現為：Plug Power 公司開發的氫燃料電池叉車，實現了量產；Fuel Cell Energy公司開發的固定式燃料電池，在汽車領域得到了廣泛的應用；同時Air Products公司和Praxair公司對氫能儲運的核心技術領跑于世界其他國家。

4 氫能的前景及展望

通過對國內外氫能源發展的研究發現，氫能源作為一種“含能體能源”的二次能源，因其清潔、高效、零碳和可持續利用的特性被視為未來清潔能源研究發展的方向。我國不僅要充分利用中國豐富的天然氣、煤炭等能源來制取氫能源，也可以利用自然能源，如風力、太陽光等，來制取氫能源。使得中國的氫能源能夠實現最大化利用，降低環境污染，實現經濟發展與能源可持續發展的戰略目標，充分利用中國的巨大市場潛力，實現中國氫能源與世界接軌，對世界氫能源的研究發展做出杰出的貢獻。

根據國際氫能源發展戰略研究發現，為了能夠將氫能源在我國實現規模化發展，應該借鑒國外先進國家關于氫能源發展的經驗，不僅要完善管理機制，而且政府政策要給予大力的支持，積極開展氫能源利用示范項目的建設，提升大眾的認可度和接受度。