中国能源资讯网氢能具有灵活高效、清洁低碳、应用广泛的突出优势，可以一定程度上缓解油气资源渐趋枯竭而导致的能源紧张问题，是未来最具发展潜力的二次能源。当前，氢能技术正逐步趋于成熟。
制氢环节上，以焦炉煤气、氯碱尾气为代表的“灰氢”应用，是氢能产业的起步阶段；使用煤或天然气等化石燃料生产“蓝氢”并结合CCUS技术实现碳中和，是氢能产业的过渡阶段；使用可再生能源或核能生产“绿氢”，是氢能产业的终极阶段。
储运环节上，高压储氢虽然目前使用较普遍、技术较成熟，但经济性制约了其大规模发展。
用氢环节上，虽然氢气作为成熟的化工产品被广泛用于发电、炼油、化工、冶金等行业，但主要应用对象还是以加氢站为枢纽的交通运输体系及关系民生的燃气行业。
一、氢能产业链关键环节
1氢气性质
氢作为相对原子质量最小的原子，化学性质非常活泼。氢气在制备、储存、加注、运输及使用过程中，都存在性质不稳定导致泄漏爆炸的风险，为实现氢能持续稳定、安全高效应用及商业化推广，研究不同条件下氢气的爆炸范围、点火能量、扩散系数及对材料性能的影响等安全性质，具有重要意义。
表1 氢气与相关燃料安全性质对比表
2制氢环节
氢能是一种二次能源，是通过一定方法利用其他能源制取的。目前常用制氢方法有工业副产制氢、化石能源制氢、水电解制氢等。不同制氢方法优缺点对比如表2所示。
表2 不同制氢方法优缺点对比表
3储氢环节
储氢方法主要分为气态储氢、液态储氢、固体储氢3种。高压气态储氢是现阶段主要储氢方式。
高压气态储氢是将压缩氢气以高密度气态形式在高压下储存，是发展最成熟、最常用的储氢技术；
液态储氢技术主要有低温液态储氢和有机液态储氢两种；
固态储氢是一种通过吸附作用将氢气加注到固体材料中的方法，储氢密度约是同等条件下气态储氢方法的1000倍，而且吸氢、放氢速度稳定，可以保证储氢过程的稳定性。
不同储氢方法的优缺点如表3所示。
表3 不同储氢方法优缺点对比表
4输氢环节
依据输送时氢气所处状态，氢能运输方式（图1）可分为气氢输送、液氢输送、固氢输送。目前适用于大规模氢能运输的成熟技术方案主要有集装管束运输、管道运输及液氢槽车运输（图2）。综合比较3种氢能运输方式，管道运输与集装管束、液氢槽罐车相比，技术要求在中等范围，技术成熟度相对较高，且对市场价格敏感性低，不会因市场变化而发生较大波动。
图1 氢能运输方式对比图
图2 氢能运输方式成本对比图
5加氢站注氢环节
加氢站被认为是氢燃料电池汽车可以商业化发展的前提条件之一。加氢站有多种分类方法，通常分为站外制氢和站内制氢两种类型。加氢站工艺流程如图3所示。加氢站作为氢燃料电池汽车规模化发展过程中必不可少的基础设施，必须确保其各个环节的安全性。目前，加氢站注氢环节研究主要存在以下问题：工程设计、建设、运营管理等可参考标准少；标准规范不健全，内容参差不齐，个别条文可操作性不强；归口管理单位多，技术标准不统一。
图3 加氢站工艺流程图
6氢能终端应用环节
氢燃料电池汽车
根据目前已有技术及市场需求，氢燃料电池种类众多，其原理主要是使氢气与各种化学材料进行化学反应，氢气被催化而产生电能。氢燃料电池发电的具体反应过程（图4）：阳极上的氢在催化剂作用下分解为H+和电子，H+穿过隔膜到达阴极，电子则在外部电路运行，从而产生电能；阴极上的氧在催化剂作用下与电子、H+发生化合反应生成水。
图4 氢燃料电池结构图
氢能发电
目前有两种方法能够将氢能转化为电能：氢能发电机和PEMFC燃料电池（图5）。PEMFC燃料电池在外型上与普通电池相似，其工作原理是氢气与氧气发生化学反应生成水并释放电能。
图5 PEMFC燃料电池结构及工作原理图
家庭用氢
伴随国际能源战略调整，新能源发展越来越快，为了全面满足民众日常需要，家庭用氢成为未来发展的新动能。当前，氢能在下游用户逐渐普及，一些家庭已启动氢能的利用，类似于已有的天然气管网，氢气通过专用管道进入用户，作为新型燃料为用户烧水、烹饪提供能量。
二、氢能输送及应用关键问题研究进展
1安全
泄漏扩散
氢气在钢管或铸铁管中的体积渗透泄漏速率约是天然气的3倍，渗漏主要发生在非金属材料和接头中。在非金属管道中，氢气渗漏速率约是甲烷的4~5倍，且随着管道压力升高，渗漏速率增大。另有研究表明，若有体积分数20%的氢气掺入天然气管道系统中，混合气渗漏损失约是天然气的2倍，但经济性影响不大。
燃烧爆炸
氢气具有燃烧速度快、点火能低等特性，因此，氢气在生产利用过程中的火灾爆炸危险性较大。燃料掺入氢气后火焰速度增大，可能导致剧烈燃烧甚至发生爆炸，当燃料掺氢体积分数超过45%时，存在爆燃转变为爆轰的危险。
相容性
输气管网设施及终端用户设备对氢气的适应性是决定天然气管道能否掺氢及掺氢比例的重要因素。管道钢级越高，越易受氢气影响，对管道寿命影响越大；掺氢体积分数小于5%对终端用户影响有限，而在燃气轮机方面，多数燃气轮机要求原料气中氢气体积分数限制在1%或更低，燃气发动机对掺氢体积分数要求则限制在2%。
2成本
随着氢能战略的发展，氢能产业成本逐渐成为备受关注的问题。依据氢燃料发展统计数据，氢作为燃料的成本与传统化石燃料相比，经济优势明显。在技术层面，氢能发展面临的经济挑战主要包括：
降低氢气生产成本；
开发环境友好和无碳的清洁氢气生产系统，并实现大规模生产；
氢气输送和分配基础设施的开发建设；
氢气存储系统的开发建设；
大幅降低燃料电池成本并提高其耐用性。
高成本氢能应用对技术发展、生产规模、国家政策扶持等均要求较高，而国家能源战略转型需要全社会高度关注以形成推动化石能源向绿色能源转型的聚合力。为突破氢能利用的成本瓶颈，国际社会纷纷出台氢能战略，竞相采取政策扶持。
三、结论与展望
氢能作为具有高效供能效应的清洁能源，在全面应对全球气候问题、推动全球绿色经济发展的大背景下，发展前景广阔。
在制氢环节，目前以具有成本优势的化石能源制氢、工业副产氢为主，太阳能制氢、生物质制氢等技术处于研究和示范阶段，可再生能源发电后电解水制氢是未来制氢技术的重要发展方向。
在储氢环节，目前高压气态储氢是中国主流发展方向，但其存在安全隐患大和储氢密度低等问题。有机液体储氢配合成熟的成品油供销体系具有非常优秀的发展前景，可由此技术为突破口，打破氢能储存技术壁垒，加速氢能产业发展。
在输氢环节，目前氢能大规模应用的有效途径是利用管道实现长距离跨地区运输，无论是气氢管道输送还是液氢管道输送，在金属/非金属管材评价、安全运行、工艺方案及标准体系等方面仍存在诸多关键难题亟待解决。
在用氢环节，燃料电池性能提高、经济成本降低以及加氢站建设等问题是目前限制氢燃料电池发展的重要因素，解决这些问题是实现氢能燃料电池商业化应用的关键。
针对氢的事故演化特征及规律，存在事故特征演化规律不清、失效后果难预测、防护效果差等问题。因此，尚需进一步研究纯氢、掺氢渗的泄漏、积聚、燃烧、爆炸事故特征及演化规律，同时建立失效定量评价方法及完整性管理体系，研发泄漏监测技术。
