引言氢能源作为世界公认的清洁能源，在低碳和零碳能源中脱颖而出。随着能源转型逐渐成为全球共识，氢能在21世纪的能源舞台上拥有举足轻重的地位，是全球能源技术革新和转型发展的重大战略方向。中国拥有丰富的能源资源，能够为氢能供给提供可靠助力。在中国大力推动氢能源的广泛利用具有得天独厚的条件。根据中国煤炭工业协会的数据，2012~2020年中国氢气产量从1 600万t增加至2 500万t，整体呈现稳步增长趋势，2020年中国氢气产量达2 500万t，同比增长13.6%。据国际能源署的统计显示，2021年中国的氢气产量达3 300万t/a，约占全球产氢总量的1/3，产能高达4 000万t/a[1]。2022年3月，国家发展改革委和国家能源局联合研究并制定的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》对外发布，明确指出将初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系；燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站；可再生能源制氢量达到10万~20万t/a，实现二氧化碳减排100万~200万t/a[2]。1氢能特点（1）产物清洁、绿色环保。氢能是不依赖化石燃料的新的含能体能源。氢气燃烧的产物是水，不会对环境造成负面影响，环保性较好。（2）资源丰富、循环度高。氢是宇宙中最丰富的元素。水在通电条件下，发生分解反应生成氢气和氧气，水作为反应物，储量巨大，是地球上最丰富的化合物之一，全球约3/4的面积被水覆盖。水可以制得氢气，氢气燃烧后再次生成水，循环度高。（3）热值高、产能大、燃烧性能好。氢气的分子量很小，热值极高，为1.4×108 J/kg。除核燃料外，氢气的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。每千克氢完全燃烧释放的热量约是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍[3]。氢气的燃烧性能较好，火焰的传播速度较快，属于易燃气体，燃点为574 ℃，氢气在空气中的体积分数为4%~75%时，均能发生燃烧反应。（4）供能损耗少、运输方便。远距离高压输电大量使用电缆且效率低，可以选用近距离管道输氢代替，安全性提高，能源无效损耗减少。氢作为燃料自重轻，可以增大运载工具的有效载荷，降低运输成本。氢能够以气态、液态或固态的金属氢化物形式被储存，适应贮运及各种应用环境的不同要求。2氢能源的分类（1）白氢。白氢是在地下矿床中自然形成的氢元素，被发现的概率极小，通过水力压裂产生。目前，通常将其他化学过程中产生的废物氢称为白氢。（2）黑氢和棕氢。黑氢和棕氢由化石燃料产生，未燃烧但温度很高。如果产生的氢气源自烟煤，则被称为黑氢；源自褐煤，则被称为棕氢。黑色或棕色的氢在氢光谱中与绿色氢完全相反，其污染度高，对环境的破坏较大。黑氢和棕氢应该在任何可持续规划中被避免出现。（3）红氢。红氢也被称为紫氢，是以水为原料，由核能大规模驱动制取的氢气。（4）灰氢。灰氢在氢能源中最常见，是从天然气中经过蒸汽重整得到。灰氢生产时伴有大量二氧化碳气体排出。灰氢是目前市面上的主流氢气，占比达全球氢气产量的95%。灰氢主要应用于内部，直接被氢气生产站点使用。（5）蓝氢。在灰氢的基础上，蓝氢结合了碳捕集技术与蒸汽改造，可以减少或平衡碳排放。蓝氢是灰氢过渡到绿氢的重要步骤。蓝氢已经能够减少90%的碳排放，但二氧化碳的封存条件太过严格，蓝氢的发展受到限制。（6）绿色氢气。绿色氢气是新能源技术发展到一定阶段的产物，是利用可再生能源产生的电能制取的氢气。使用绿色氢气可以实现二氧化碳的零排放。太阳能光伏、风能、地热能，甚至潮汐能发电等均可以与之相互探索、结合，以达到碳中和的要求。可再生能源制氢是提高可再生能源应用比例，构建清洁低碳、安全高效能源体系的有效途径之一，市场前景广阔。3氢的制备3.1电解水制氢电解水制氢是简单、方便有效的制氢方法。制得的氢气纯度高达99%，可以直接作为产品使用。纯水的电离度小、导电能力差，属于弱电解质，制作过程需要向水中加入强电解质，如稀硫酸、氢氧化钠等，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利电解生成氢气和氧气。电解水反应属于分解反应，过程吸热，整个过程需要外源供给电能进行驱动。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水在电极上发生电化学反应，分解生成氢气和氧气。常用的电解技术包括碱性水电解、质子交换膜纯水电解和高温固体氧化物电解[4]。电解槽主要由浸入电解液中的阴极和阳极组成。电解水制氢方法简单易操作，但成本较高，需要消耗大量电能。工业中使用的氢气仅有1%来自电解水。3.1.1碱性水电解制氢碱性电解水制氢以KOH、NaOH的水溶液为电解质，采用石棉布等作为隔膜将电解槽分为阴阳两室，将两个电极（一般采用镍基材料）分别置于两室内，在直流电的作用下，将水电解为氢气和氧气。在阴极，水分子被分解为氢离子和氢氧根离子，氢离子得到电子生成氢原子，进一步生成氢分子；氢氧根离子在阴、阳极之间电场力的作用下穿过多孔的横膈膜，到达阳极，在阳极失去电子生成水分子和氧分子[5]。碱性水电解制氢法成本低、技术完备、市场成熟，缺点是电解效率低、速度慢，电解得到的气体带有碱液，需要对产出的气体进行脱碱雾处理。3.1.2质子交换膜电解水制氢质子交换膜电解水制氢技术的原理与碱性水电解制氢技术相同，但质子交换膜电解水制氢技术使用固态聚合物阳离子交换膜代替了碱性水电解制氢技术中的石棉布隔膜，通过交换膜分隔阴阳两极并传递氢离子。目前，PEM单槽产氢量最高可以达40 m3/h，工作温度为50~80 ℃，制氢能耗为4.4~5.0 kWh[6]。质子交换膜电解水制氢技术的优点为交换膜可以隔绝氢气和氧气，制备结束后无须进行分离，极大程度上保证了氢气的纯度。而且电解液为纯水，无需对产出气体进行脱碱雾处理。技术刚刚起步，其性能缺乏市场验证。3.1.3高温固体氧化物电解水制氢高温固体氧化物电解水制氢是在高温条件下电解水蒸气的制氢技术，明显提高了系统的转化效率。目前，技术处于前期研究阶段，包含质子-固体氧化物、氧离子-固体氧化物以及二氧化碳联合电解共计3种方式，均可以使用固态陶瓷作为电解质，需要在500~1 000 ℃的高温反应。高温会使反应的吉布斯自由能变化量降低，电解需要的平衡电压较低[1]，减少了电能消耗，对提高系统的转化效率具有很大帮助。3.2化石燃料重整制氢化石燃料重整制氢指裂解煤炭或天然气制备氢气，得到的氢气属于灰氢。目前，化石能源制氢仍是全球的主流制氢方式，在工业上非常成熟，已经建有各类规模的装置。中国约92%的氢气由煤气化、天然气蒸汽重整等工艺生产[7]。但化石燃料重整制氢方法会排放大量二氧化碳，不符合节能环保的科学发展观，明确提出将严格限制化石能源制氢。3.3工业副产品制氢工业副产品制氢是主要的制氢方法之一，可以结合地域发展供应氢气，工艺较为成熟。工业副产品制氢主要指焦炉煤气、氯碱尾气、烷烃脱氢、甲醇、合成氨等工业副产氢气。催化重整装置在提高石脑油辛烷值的同时可以副产大量氢气，提纯后氢气纯度达85%~95%。高温条件下乙烯的蒸汽裂解副产大量氢气，乙烯装置的深冷系统可以生产纯度为95%的氢气[8]。丙烷在600 ℃、0.05 MPa条件下发生脱氢反应，生产丙烯的同时副产大量氢气，经过变压吸附（PSA技术）精制的氢气纯度可达99.99%[9]。据统计，约7%的氢气由工业副产品制取。工业副产品制氢是氢能产业发展初期和中期的主要氢气来源之一。工业副产氢气纯化制氢能够提高资源有效利用率和经济效益，减少二氧化碳排放量。工业副产品制氢可能是未来10~20年的最佳制氢途径之一。3.4可再生能源制氢可再生能源制氢是实现碳达标碳中和的重要途径，实现低碳排放或零碳排放是氢能产业诞生和发展的核心驱动之一。与灰氢和蓝氢相比，基于可再生能源制成的绿氢在降低碳排放方面具有显著优势。风电、光伏等可再生能源将迎来快速增长，可再生能源将逐步替代传统化石能源，占据能源领域主导地位[10]。未来使用太阳能、风能等新能源制取氢气将成为主流，绿氢是未来能源产业的发展方向。3.4.1直接热解法将水加热直至分解为氢气和氧气。整个过程原理简单，但需要将水加热至2 000 ℃。受到热源供应难实现、高温条件下氢气和氧气的分离难度大以及高温耐热材料不易获得等因素限制，方法仍在研发过程中。3.4.2生物质制氢生物质制氢技术主要包括热化学法和生物法。热化学法的技术不够成熟，反应速率低，不易规模化应用；生物法因较易实现大规模应用而更受到广泛关注，但耗能太多，需要使用贵金属催化，导致成本偏高，同时产生多种副产物及杂质，加大了氢气分离纯化的难度[11]。4氢能的应用4.1氢燃料电池普通电池储存电能，待需要时释放，属于储能装置，氢燃料电池更像发电装置[12]。氢燃料电池的基本原理为电解水的逆反应，将氢供给阳极，氧供给阴极，氢通过阳极向外扩散与电解质发生反应，放出电子通过外部的负载到达阴极[13]。氢燃料电池的电极由特制的多孔材料制成，制成多孔状态的目的是为电解质和气体提供更大的接触面，同时对反应起催化作用，是整个氢燃料电池的关键部分。氢燃料电池具有噪音低、污染小、发电效率高等特点。目前，已经研发出第三代氢燃料电池，氢燃料电池可能成为未来氢能应用的主要方向[14]。4.2氢动力汽车氢动力汽车主要分为氢内燃汽车(HICEV)和氢燃料电池汽车(Fuel cell vehicle，FCEV)。氢内燃汽车利用空气中的氧气，以内燃机燃烧氢气产生动力进而推动汽车运动。氢燃料电池汽车主要应用氢燃料电池产生的电能推动电动机，由电动机推动汽车运动，实现了由化学能转化为机械能的过程。与普通的纯电汽车不同，氢燃料电池汽车具有更好的续航能力。中国已有多个地区将氢动力汽车的发展列入规划。目前，技术壁垒和高昂成本仍是氢动力汽车应用和发展的阻碍。5结语氢能源发展成为全球能源革命实现“双碳”目标的必然趋势。氢能产业正在迅速发展。2022年北京冬季奥运会期间，在开幕式的会场上点燃了氢能主火炬，火炬燃料全部采用氢能，氢能发挥了“科技名片”的作用，向全世界展示了中国在氢能领域的发展成果。2022年北京冬季奥运会示范运营多辆氢燃料电池车和多个加氢站，充分体现国家在氢能研发、应用、推广普及等方面的可观前景。未来氢能在中国将会有更为广阔的发展空间。