氢能（Hydrogen Energy）是氢在物理与化学变化过程中释放的能量，是一种高能量密度的能源载体，能量密度为122KJ/g。它的反应产物是水，对环境没有任何污染，被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。其获取来源广、且资源丰富，在全球能源向清洁、环保方向转型的背景下，氢能的清洁、低碳等优点令其成为应对全球气候变化、实现碳减排目标和可持续发展的重要能源载体。
氢的制备主要方法是电解水制氢、化石燃料制氢、生物制氢、催化热分解碳氢化合物制氢和光解水制氢。其中电解水制氢、生物制氢和光解水制氢是绿色制氢，无污染产物，而化石燃料制氢会产生温室气体。
氢能储存最常用且成熟的方法是高压气态储存，主要采用密闭耐压罐进行储氢。它的运输与储存方法相对应，大致有五种运输方式，分别为高压氢气运输、低温液氢运输、储氢介质运输、管道运输和制造原料运输。其中管道运输成本低、连续性强，适合长距离运氢。
氢能是应用场景广泛的二次能源，可应用于工业、农业、发电、交通运输等领域。如在发电领域，氢能以氢燃料电池为载体作为备用电源和分布式电源；此外，以氢能燃料的内燃机与涡轮机的航空航天领域。
历史
氢作为能源载体的现代研究始于上世纪20年代，英国的JBS Haldane提出了风力发电水电解制氢的设想。上世纪60年代开始，液氢开始用作航空动力燃料。而到了上世纪70年代，氢能被认为是替代化石能源解决能源危机的重要途径，提出“氢经济”概念。但受到氢能技术尚不成熟、基础设施尚不完善、成本高等影响，氢能发展缓慢。直到，美国、欧盟等发达国家制定氢能发展规范，氢能发展才开始加速。
1998年，欧盟成立了EIHPI，并制定了包括氢能制备、储输、基础设施、安全等内容的氢能路线图。之后实现了Framework Programme计划，已有100多家公司和研究机构在欧盟领导下加速氢能与燃料电池技术的研发，力求2015年实现相关技术产品市场化。德国积极投入氢能领域的研究与技术，实施了《氢能与燃料电池技术国家创新计划》，投入14亿欧元用于氢能与燃料电池技术研发及推广，积极扩大加氢站网络。
2002年，美国颁布了国家氢能发展路线图，推动氢能制备、储运和应用等相关技术发展。日本实施了日本 Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Project计划、New Sunshine计划、World Energy Network计划等氢能与燃料电池示范项目。中国将氢能和燃料电池技术列入《国家中长期科学与技术发展规范纲要(2006-2020年)》的重点基础研究内容，2003年，中国作为创始成员国之一，与美国、日本、欧盟等国家或地区共同签署了“氢能与燃料电池经济国际合作伙伴计划”(JPHE)，共同推动氢能技术研究与商业化。在2003年至2007年，日本投资高达25亿美元用于氢能技术研究、法规标准体系建设及基础设施建设。2006年，美国又制定并发布了《氢经济制造业研发路线图》，目标是到2015年初步实现氢能技术的商业化。2007年，中国科技部和发改委启动了《可再生能源与新能源国际科技合作计划》，将氢能和燃料电池列为五大优先领域之一。
2013年，日本发布以氢能为商业化目的的日本振兴战略。2015年，100座加氢站配套基础设施建成，丰田汽车、本田技研工业、日产汽车相继开始销售燃料电池汽车。同年，美国又启动氢能美国计划，美国已在加利福尼亚州形成了较完善的氢能产业链，建立的氢能高速公路已有数百辆氢燃料电动汽车运行。
2024年3月21日，由中车长客股份公司自主研制的我国首列氢能源市域列车在位于长春市的中车长客试验线进行了运行试验，列车成功以时速160公里满载运行，实现全系统、全场景、多层级性能验证，标志着氢能在轨道交通领域应用取得新突破。
主要特性
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122KJ/g，是汽油发热值的3倍。燃烧性能好，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高、燃烧速度快。此外，氢可以以气态、液态或固态的氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
氢能是无毒的，除生成水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，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可以继续制氢，反复循环使用。此外，氢能在低温高压下可变成为液氢和固态氢，利于储存和运输；它的能量转化形式比较多，如可以燃烧产生热、在热力发动机产生机械功和在燃料电池中直接发电，而且它来源很广。
应用
对氢能的化学能利用主要有内燃机与涡轮机、氢电池、燃料电池和工业还原剂等方面，可以进一步应用于交通能源、化工、冶金等领域，促进节能减排、低碳发展。
氢燃料电池
氢能的产业链下游主要是以氢燃料电池为载体，氢燃料电池可以将化学能转换为电能，传统电池是储能，但燃料电池却是提供电化学反应的场所。氢燃料电池是不需要经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，可以持续发电，且生成物主要是水，能源转化率能超过60%，远高于内燃机30%~35%的能源转化率。它作为一种特殊的能量转换装置，具有转换效率高、环境友好、噪声小、响应速度快及使用维护方便的特点，已应用在交通、储能、航天和军事等领域。
交通运输
氢能多应用于交通运输的汽车行业，氢内燃机、氢燃料电池是发展氢能源汽车的方法。氢内燃机是在传统内燃机中燃烧氢气，用氢燃料代替汽油燃料，使排放物污染少，系统效率高，燃料具有宽的可燃界限，发动机寿命长，所以，氢燃料机可以成为汽车动力。氢内燃机汽车按照使用氢燃料不同可分为三种：纯氢燃料内燃机汽车、氢-油混合燃料内燃机汽车和氢和天然气混合燃料内燃机汽车。此外，还有以氢燃料电池为动力的燃料电池汽车。
航空航天
以液态氧液氢作为推进剂，由氢氧火箭发动机的涡轮机将推进剂增压到预定压力后送入燃烧室燃烧，产生高温高压的燃气，通过喷管转换成为推力，推进火箭加速飞机，氢氧火箭发动机的喷管每秒排出1kg流量燃气产生推力最高。在第十四届中国国际航空航天博览会上，中国航空发动机集团根据国家氢能发展战略和规范研发了100%燃氢发动机，后续通过系列化发展，可适用于支线客机、直升机、无人机。此外，氢燃料电池也可以用于航空动力。
电力
氢能供电方面，主要通过氢内燃机和氢燃料电池。氢内燃机已有几十年技术，但存在早燃、回火、动力性能差等问题，未形成产业化。氢燃料电池直接将氢的化学能转化为电能和热能，不受卡诺循环效率的限制，放电效率高，为此多用氢燃料电池取代柴油发电机组提供备用电源、分布式电源，为电网调峰。
化工
氢气是炼油企业提高石脑油收率、改善产品质量 必不可少的原料。炼油过程中的耗氢主要集中在加氢裂化和加氢精制工艺，需求量巨大，选择可再生能源制得的氢气有望作为主要的氢气来源。而煤制天然气、煤制油是煤炭清洁利用的重要途径。其中，煤制气的加氢气化过程以及煤制油直接液化过程中也需要通入氢。
安全事宜
安全隐患
氢能的安全性应主要考虑氢气的泄漏性，氢气泄露是氢能应用过程中最大的安全隐患。氢气无色无味，具有易燃、易爆、易扩散和易发生氢脆等特点。由于氢本身的质量较轻，分子体积更小，相比于其他燃料更易从各种孔隙中泄漏。氢气发生泄漏后的扩散速度非常快，表现在高度上升迅速和横向扩散速。这一特性令发生在户外的泄漏相对安全，但如果室内发生大量泄漏，与空气混合，遇到明火、静电会发生燃烧或爆炸。
“氢脆”现象常常发生在以锰钢、镍钢为代表的高强度钢材中，这些材料在高温高压下与氢气长期接触，会发生强度的下降，常常导致氢气泄漏和管道损伤进而失效。选择合适的材料可以避免这一安全问题。
预防措施
为了解决氢气泄漏问题，可采取三个类型的主动防护。首先，可通过产品认证、测试评价等手段，使材料防温压氢脆、结构防应力集中、工艺制造等缺陷；其次，通过快速检测、风险预测预警和安全培训手段，防泄漏，防集聚，防点火，严格控制气源品质，严格规程管理；最后，通过应急处置，保证危害不扩大。此外，还采取疏和堵的措施解决氢泄露问题，即有效密封和科学通风排放相结合。与氢气相关的部件，如管路、阀门、泵、储氢容器需要安装氢气传感器来实时监测，防止氢气的泄漏。
氢能制备
按照制取过程中的碳排放强度，氢气被分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢指由化石燃料重整制得的氢气，碳排放强度高，技术成熟，适合大规模制氢，约占全球市场氢源的96%。蓝氢包括加装碳捕集与封存技术的化石燃料制氢和工业副产氢，相比灰氢碳排放量大幅降低。绿氢即可再生能源制氢及核能制氢，制氢过程几乎不产生碳排放，成熟度低，技术成本高。
电解水制氢
电解水制氢的电流通过水时，阴极上的负电流还原水生成氢气(H2)，阳极上的正电流氧化水生成氧气(O2)的过程，氢气生成量大约是氧气的2倍。工业应用中pH值对电解水产氢/氧反应所需的电极电势有非常大的影响。
化石燃料制氢
天然气制氢：它是化石燃料制氢中技术最为成熟、经济、合理的生产方法，其原理是在催化剂的作用下，经过天然气重整得到的甲烷与水蒸气在高温条件下反应，生成氢气和一氧化碳的混合物，分离提纯后得到氢气。
石油制氢：以石油加工业的尾产品或废渣来制备氢气，其原理是石油废渣或重油与水蒸气在高温条件下反应制得氢气和一氧化碳，分离提纯得到氢气。
煤炭制氢：包含煤的焦化和气化。煤的焦化：在无氧条件下，煤经高温干馏产生焦炭、煤气和煤焦油，干馏温度一般为 900-1000 ℃。煤气包含体积分数为 55%-60%的氢气，可通过提纯的方式获取纯氢。煤的气化：在加压或常压装置中，煤与水蒸气或氧气发生反应，产生的气态产物中含有大量的一氧化碳和氢气。其中，氢气的含量随制备方式而异。然后将气态产物经煤气净化、CO 变换和提纯得到氢气。
生物制氢
生物质汽化制氢：将生物质原料如薪柴、锯末、麦秸、稻草等压制成型，在汽化炉或裂解炉中进行汽化或裂解反应，制得含氢的燃料气。再将富氢燃料气中的氢与其他气体通过变压吸附或变温吸附分离, 获得高品质氢。
微生物制氢：利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可以制得氢气。微生物产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种方式。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。合微生物是指微型藻类和光合作用细菌等光合微生物。
催化热分解碳氢化合物制氢
该方法是指甲烷的水蒸气重整流程中，甲在高温高压下与水蒸汽反应，生成合成气，即一氧化碳和氢气。生成的一氧化碳继续与水蒸汽反应，生成二氧化碳和氢气，通过分离和纯化工序，得到氢气。
光解水制氢
光解水制氢主要是利用太阳能作为能量来源，使用半导体材料作为催化剂。当一定波长的太阳光照射到半导体催化剂表面时，半导体价带的电子会发生跃迁，跃迁至导带，从而在半导体中就会形成电子-空穴对，跃迁至导带的电子可以与水中的氢离子结合，生成氢气。
氢能储存
高压储氢
该储存方法最常用且成熟，主要利用压缩机将氢气压缩在密闭耐压罐内，储氢量与压力成正比。该法成本低廉、操作简便、使用快捷，可以适应常温环境。缺点在于单位质量储氢密度最多为1%左右，储氢能力的上限较低。因此可以通过改进容器材料的存储压力提高储氢密度，扩大应用范围并减小成本。在进行氢气压缩时，可以直接将氢气压缩至容器所需压力，或者先将氢气压至较低压力储存起来，之后加注至所需的压力。
液态储氢
氢的沸点为-253℃（101kPa），将氢气液化储存，优点在于存储效率高、能量密度大，但成本高昂（液化氢气需要极高的能量），对储存材料的外形、耐热性、安全性有着极高的要求，适用于运输距离长、存储时间长、气体体量大、生产成本低的生产。
金属氢化物储氢
该法主要通过储氢材料的吸氢脱氢能力来实现，可分为物理吸附类储氢和化学吸附类储氢。氢的释放需要经过扩散、相变、化合等过程，与热效应、压力有关，通过控制温度或者压力控制氢气的吸收和放出。固态金属氢化物储氢安全性好于高压储氢，且容量高。
其他方法储氢
其他方法如无机化合物储氢、水合物储氢、空心玻璃微球高压储氢、地下岩洞储氢等都可以进行氢能的储存。
氢能运输
氢能的运输与储存方法相对应，大体可以分为五种方式：高压氢气运输、低温液氢运输、储氢介质运输、管道运输、制造原料的运输五种方式。
压缩氢气运输：通过将氢气压缩在氢气瓶、专用高压容器等容器内送往实验室、加气站等，该种方式运输中不发生相变，能量损失小，单次运量少，适用于近距离、小运量的应用场景。
液态氢运输：类似于压缩氢气运输，区别在于容器内氢气的物理状态。液态氢运输需要更加严格的保温条件，运输转移时的能量损失高于压缩氢气运输，可用于大量运输以节省成本、提高能量效率。
储氢介质运输：利用载体对氢的吸收作用进行运输，但运输相同质量的氢时，运输的总重量远大于前两种。
管道运输：在成本及耗能量方面都有优势，由于其成本低、运量大、可连续性强、适合长距离运氢，可应用于大型工业企业中是未来氢气运输的发展的重要方向。
原料运输：将原料运至加氢站后进行使用或储存的方法，技术成熟且成本较低，但对加氢站的规模有一定要求。
局限性
生产：氢能行业的发展，其中一个重点是要氢源充足、制氢成本低。目前主流的水电解制氢受制于电价因素，导致其成本较高，且由于火电比例较高，从全产业链分析有悖于国家“双碳”目标实现。
储存与运输：目前储氢方案存在储存和释放的速率、单位体积储存量、储存成本等方面的不足。常用的储氢罐压力在30MPa左右，45Mpa甚至100Mpa的储氢容器也开发出来了，但每立方容积的价格达到20万元-100万元，难以产业化应用。氢气的运输多采用长管拖车，单体运量少，运输半径有限。而采用液氢储罐进行氢运输，受到标准限制，短期难以推广。
加氢站：加氢站建设成本较高，导致正在运营建设的加氢站数量较少。此外，加氢站建设标准对安全距离远高于加油站、液化天然气站的安全距离，导致市区很少有满足加氢站建设的空地，导致加氢站多位于远离市区的位置。
参考资料
氢能，被低估的终极能源.中国能源网.2023-09-26
低碳氢能时代向我们走来.中国军网.2023-09-11
我国首列，成功试跑！.郓城县人民检察院-今日头条.2024-03-21
氢能要发展 系好“安全带”.中国能源网.2023-09-26
做好氢能技术和布局储备，早起步的企业将迎来更好发展.中国发展网.2023-09-26