所谓氢能源，其一，氢能是氢原子在高温高压下聚变成一个氢原子时所产生的巨大能量；其二，氢能是燃烧氢所获得的能量。两个定义使用的范围不同。宇宙中的氢能是氢原子在高温高压下产生聚变反应，即氢热核反应，释放光和热，向四周辐射，太阳能实际上就是太阳进行氢热核反应释放的能量。地球上的氢能，即人们通常所说的氢化学能，是氢气燃烧所释放出的能量。氢气燃烧时与空气中的氧气结合生产水，不会对周围环境造成污染，是一种清洁能源。氢燃烧放出的热量是燃烧同质量的汽油放出热量的2.8倍。
氢能是一种极为优越的二次能源，是一种清洁的能源，是联系一次能源和能源用户之间的纽带，在21世纪的世界能源舞台上会成为一种重要的能源。在现代交通工具中，氢能无法直接使用，只能使用像柴油、汽油这一类含能体能源。柴油和汽油作为二次能源，它们的生产几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料消耗量的日益增加，其储量在逐渐减少，终将要面临枯竭，迫切需要寻找不依赖化石燃料且储量丰富的新能源。氢能自身具有的特点是人们在开发新能源时所期待的一种二次新能源。
（1）氢能的优点
氢能之所以能作为一种新的二次能源，是由于氢气特有的优点所决定的。氢作为新能源的主要优点如下：
①氢燃烧热值高。除核燃料外，氢的发热值比所有化石燃料、化工燃料和生物燃料高，约为汽油的2.8倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。
②氢燃烧性能优秀，与空气混合时有广泛的可燃范围，且燃点低，点燃迅速，燃烧速度快。氢还是一种极好的传热载体，其导热性优越，比大多数气体的导热系数高10倍，是能源工业中极好的传热载体。
③氢能是一种十分清洁的能源。氢元素本身清洁无毒，与其他燃料相比，氢燃烧时也最清洁，除产生水和少量氨气外，不会产生诸如CO、CO2、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等污染环境的有害物质，氢能的应用可显著降低全球温室气体的排放量，减少大气污染。其中，少量的氨气经过适当处理可以使其燃烧，生成的水还可继续制氢且可以反复循环使用。氢能是世界上最干净、清洁的能源。
④氢可以是气态、液态，也可以是固态，能适应储运和各种应用环境的不同需求。氢能的利用形式也有许多种，既可以直接通过燃烧产生热能，并借助热力发动机产生机械能，又可作为能源燃料用于燃料电池领域。而且氢能和电能之间可以方便地相互转换，如可以通过燃料电池将氢能转换成电能，也可以通过电解将电能转换成氢能。
⑤氢气资源丰富。氢是自然界存在最普遍的元素，除了空气中含有少量氢气外，氢元素一般以化合物的形式储存在水中，而水在地球上含量十分丰富。氢气可以以水为原料获得，而氢燃烧后生成的水可以继续制氢，反复循环使用。
由于氢气具有上述优点，因此它是一种理想的、新的含能体能源。氢能有潜力成为一种可持续清洁能源，服务各国经济，消除各国之间的不平衡能源贸易。
（2）呼唤技术突破
尽管氢能具有许多优点，是一种理想的新的含能体能源，但是氢能至今都没有得到广泛应用。要使氢能得到大规模的商业化应用，仍有许多关键问题需要妥善解决。
①制氢的效率极低，成本高。氢气作为一种二次能源，制取它需要消耗大量的能量，而目前制氢技术尚不成熟，效率极低。要想大规模使用氢能源，就要找到高效率、低成本的制氢技术。探索和研究廉价的大规模制氢技术是世界各国共同关心的问题。
②氢储存和运输中的安全问题。氢气易气化、着火点低，使得氢气易发生爆炸。要是在户外使用，氢气易挥发和扩散，问题不大。但在通风不畅的环境中，若存在火花，非常容易发生爆炸。如何实现氢的安全储存和运输成为开发氢能的关键所在。
③氢的储存和运输问题。氢可以以气态、液态或金属氢化物的形式存在，且储存方式灵活多样。但是气态氢体积大，储存和运输时必须要压缩成为液态。液氢的密度小，只有石油密度的1/4～1/3，在等质量的情况下，储存压缩氢气或液氢的容器体积要比储存石油的大得多。由于氢溶解金属能力强，因此，氢化物形式储存氢是合适的选择，但是储氢材料用过几次后会变脆弱，无法再继续使用。
要使氢能得到广泛推广和应用，必须使氢能源技术和设备，包括制氢技术、储存方法、运输设备和储氢材料等有所突破。只有氢能源关键技术实现突破，氢能才能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。
（3）氢经济的霞光
氢能作为一种新能源正为人们所重视，正在被人们所应用，氢经济的霞光逐渐呈现。
1）研究氢能的走廊
冰岛一直致力于在2050年成为世界上第一个氢经济体国家。冰岛位于北大西洋中部，北美和欧洲两大板块之间，面积小人口少，却是一个经济、科技、文化高度发达的国家，人均GDP居世界前列。冰岛严格遵守《京都议定书》中二氧化碳排放配额，以发展能源密集型工业作为首选。除开发水力能和地热能之外，冰岛还重视其他可再生资源的开发和利用。冰岛开发应用氢能源有其得天独厚的环境，因为其电力的72%来自地热和水力资源。冰岛可以通过电网供电来电解水，得到氢能。
在冰岛开发氢能源和发展氢经济中设计制造了以液态氢为燃料的公交汽车，并在公路上试运行。冰岛拟打算让整个交通运输系统中运行的汽车都由氢气提供能源。为此，冰岛联合了包括卡车和轮船在内的其他运输公司，成立了冰岛新能源有限公司，它的第一项任务就是开创一个探索氢能可能性的项目，由此提出了生态城市运输系统（EC-TOS，Ecological City Transport System）的新概念。
氢能源汽车的兴起，冰岛看到了希望，氢经济的霞光之所以出现在冰岛这个小国并不是偶然的。历史上冰岛曾有过从一种能源换为另一种能源的经历。1940—1975年，冰岛房间供暖由石油转换到使用地热能加热，人们更容易接受能源使用的变革。目前，冰岛能源绝大部分来自地热能和水力能，通过地热蒸汽涡轮及水力发电来产生氢气，方便地解决了氢气来源问题。此外，冰岛环境恶劣、季节变化较大、地形复杂，这些都有利于对氢能源技术作出正确的评价。
2）海洋里的“闪电”
世界上第一艘氢能源商用船在冰岛出现，它就是冰岛的“闪电号”赏鲸船。“闪电号”赏鲸船由冰岛当地的3家公司——研究氢燃料电池的冰岛氢能公司、从事赏鲸活动的旅游公司和冰岛新能源公司联合设计制造，由此拉开了氢能应用的新序幕。在这艘赏鲸船上装备有冰岛氢能公司设计的船用氢能系统：内部的混合动力系统由一个储氢罐和一套48 V直流电池系统组成，储氢罐通过电源线与燃料电池相连，电池系统通过栅极将电能转换为鲸船行驶的能量。氢能系统的工作原理就是燃料电池从储存系统中提取氢，再将之转换为电能，利用氢能源替代石油进行发电，为船舶提供辅助动力。(www.xing528.com)
“闪电号”赏鲸船个儿不大，船上的氢能系统只是为支持电网运行和辅助发动机提供动力，氢能发电主要用于照明和做饭等，但对赏鲸活动作用却很大。当船员发现附近有鲸鱼时，他们就关闭主发动机，为游客创造安静的环境，让他们倾听这些哺乳动物游泳和击水的声音。“闪电号”赏鲸船上装备氢能系统，证明了可以在船上使用氢能，接下来将要改造游船的推进系统，这样一来整个航程都能使用氢能。“闪电号”赏鲸船上装备船用氢能系统，是对石油燃料的“海上霸主”地位的挑战。冰岛还想通过此举，实现冰岛全部的渔船采用氢能源的梦想，这一创举将为冰岛赢得世界上第一个“氢经济”国家的美誉添分。目前，冰岛已经用氢能源部分取代了汽车上的柴油和汽油，陆上交通已经开始“氢化”。
世界第一艘采用再生能源和氢气作为动力的环保船“海之阳光动力”号（见图2.28）首创性地在船上通过分解海水制造氢气。该船载有的绿色技术，使“海之阳光动力”号采用零排放能源，无限为自身提供动力，在航行时，完全不必使用化石燃料。
图2.28 “海之阳光动力”号船
另外，美国、欧盟和日本数家汽车制造商都致力于开发使用氢的汽车。目前以运输为目的的氢动力的研究正在世界各地测试，如葡萄牙、挪威、丹麦、德国、日本和加拿大等国。
3）制氢能手——细菌
日本发现了一种名叫“红鞭毛杆菌”的细菌，该细菌是制氢能手。以玻璃器皿作为培养皿，淀粉作营养原料，再加入一些其他营养素制成的培养液，即可方便地培养出“红鞭毛杆菌”。在培养过程中，玻璃器皿内会产生氢气。“红鞭毛杆菌”的制氢效率很高，每消耗5 mL淀粉营养液，可生成25 mL的氢气。此外，美国宇航部门准备把一种可以进行光合作用的细菌——红螺菌带到太空中去，用红螺菌产生的氢气作为能源供航天器使用。红螺菌的生长繁殖很快，培养方法简单方便，既可在农副产品废水废渣中培养，也可以在乳制品加工厂的垃圾中培育。
（4）氢能利用及燃料电池产业现状与趋势分析
国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》显示，预计到2050年氢能源需求将是目前的10倍。预计到2030年，全球燃料电池乘用车将达到1 000万～1 500万辆，市场潜力巨大。许多国家力图通过发展氢能来解决能源安全，并掌握国际能源领域的制高点。目前，氢能在日、美、欧发展迅速，在制氢、储氢、加氢等环节出现了很多创新技术，基于氢的燃料电池技术也获得了新突破。
制氢的过程要消耗能源，这也是氢能受到一些诟病的根源所在。破解此问题的一个重要方法是用可再生能源制氢，尤其是将本来弃掉的风电、太阳能发电转化为氢较为经济。《BP世界能源展望》（2017年版）中预计，到2035年可再生能源的增长将翻两番，其中发电量增量的1/3源自可再生能源。利用可再生能源制取氢气开始备受关注，可再生能源制氢研究成果及示范项目也在不断涌现。
可再生能源的间歇性导致弃风、弃水、弃光现象十分严重，通过将风、光、电转化为氢气，不仅可解决弃能问题，还能利用氢气再发电增强电网的协调性和可靠性。日本东北电力公司和东芝公司合作，从2016年3月开始实验利用太阳能电解水制氢，再由获得的氢进行发电。丰田提出了从生物和农业废料中制氢的技术路线。德国推出了Power to Gas项目，即收集用电低谷时可再生能源的剩余电力，通过电解水的方式制造氢气，再将生成的氢气注入天然气管道中进行能源的储存。随着此类项目的增多，电网的协同效应逐步得到重视。
2）储氢：液氢储运或将成为发展重点
氢能的存储是氢能应用的主要瓶颈之一。据统计，美国能源部所有氢能研究经费中有一部分是用于研究氢气的储存。总的来说，氢能产业对储氢系统要求较高，着重要求储氢系统安全系数要高、容量大、成本低、使用方便。从目前储氢材料与技术的现状来看，主要有液体储氢、高压储氢、金属氢化物储氢、有机氢化物储氢及管道运输氢等。
现阶段液氢储运逐渐成为研发重点，日、美、德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的1/8左右。日本将液氢供应链体系的发展作为解决大规模氢能应用的前提条件，基本思路是用澳大利亚的褐煤为原料生产氢气，通过碳捕捉实现去碳化，然后通过船舶运回日本使用。为了支撑液氢供应链体系的发展，解决液氢储运方面的关键性技术难题，企业积极地投入研发，推出的产品大多已经进入实际检验阶段，如岩谷产业开发的大型液氢储运罐，通过真空排气设计保证了储运罐高强度的同时实现了高阻热性。
3）加氢：加氢站建设速度加快，混合站日益增多
加氢站作为燃料电池汽车的配套基础设施，随着燃料电池车辆的推广应用，其建设与推广也受到了重视。目前，液氢加氢站已遍布日本、美国及法国市场，全球加氢站中有近1/3以上为液氢加氢站，我国的液氢工厂也发展迅速。据H2stations.org统计，2016年全球新增92座加氢站，其中83座是对社会开放的，另外9座则是专门为公交车或车队客户提供服务。从地区分布角度来看，日本新增45座，增长数量位列榜首；北美新增25座，其中20座位于加利福尼亚州；欧洲新增22座，德国占6座，另外，德国还有29座加氢站正在建设或即将开放。为了适应规模化运营的需要，加氢站运营呈现集成化、模块化发展的新趋势，混合站数量逐渐增长。混合形式从独立式加氢站、加油站并设加氢站，发展到加油站、加气站、加氢站三站合一，以及与便利店并设、与充电桩并设的加氢站，为燃料电池汽车的普及提供了更多样化的基础设施解决方案。
4）技术：核心部件成本显著降低，新型催化剂成研发重点
日本九州大学研发出的可以在不同pH值环境下分解氧化氢和一氧化碳的催化剂，该催化剂是含有独特“蝴蝶”结构的镍和铱金属原子的水溶性络合物，可以模拟两种酶的功效，酸性介质中的氢化酶（pH值为4～7）和碱性介质中的一氧化碳脱氢酶（pH值为7～10），能有效避免催化剂中毒并提高氢能的生产效率。
非铂催化剂的研发被认为是低成本工业规模制氢的基础。宾夕法尼亚大学和佛罗里达大学联合研发了非铂催化剂，即在二硫化钼中添加石墨烯、钨合金，可以使电解水反应高效进行，与铂催化剂的作用相同，但成本却得到了大幅度降低。降低铂用量的催化剂技术也陆续出现突破。查尔斯理工大学和丹麦科技大学联合研究的纳米合金催化剂可以有效降低铂用量，在一定程度上解决了燃料电池商业化的瓶颈。
5）应用：家用分布式燃料电池系统发展迅速
分布式燃料电池系统目前分为重整制氢式燃料电池系统（多以天然气为原料）和纯氢燃料电池系统。近年来，前者在欧洲、美国及日本发展迅猛，尤以日本的普及率最高。日本引入家用燃料电池系统后将能源利用率提高到95%，截至2016年年底，日本已经累计推广20万台，日本政府的目标是到2030年累计推广530万台。在分布式燃料电池的细分领域里，松下公司的产品既涵盖独立住宅用产品，也包括楼房式住宅产品。今后的研发目标是改善电力融通性（指各家各户间可以相互电力交易，不通过电网实现自由交换）、增加附加值。楼房式住宅用燃料电池兼具抗震、防风及防爆特性，可以通过多种组合设计应对不同楼宇的实际情况，同时具有应急电源功能，通过调节各家庭的电力需求进一步提高分布式燃料电池的附加值。
6）产业：企业联合攻克成本难题
燃料电池汽车技术已趋近成熟，但距离商业化推广仍然存在一定距离，其中最大的制约因素就是成本问题。单靠一家企业很难实现快速降成本，企业间的合作日益增多。通用和本田2017年初宣布投入4 000多万美元（约合两亿人民币）成立合资公司（FCSM），用于建设燃料电池电堆的生产线，对氢燃料电池系统进行量产，这是汽车行业内首家从事燃料电池系统量产业务的合资公司。计划量产的产品为燃料电池及相关系统。两家公司生产出来的燃料电池不仅用于汽车，也将尝试应用于军事、航空及家用领域。丰田与宝马也签署了FCV合作协议，丰田提供燃料电池等技术，宝马提供汽车轻量化等技术。日产和戴姆勒及福特联合开发价格合理的燃料电池汽车，共同加快燃料电池汽车技术的商业化。
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