【壓縮機網】煤、石油、天然氣等化石能源是當今社會的能源消耗主體，隨著消費總量的不斷提高，正面臨儲量減少，開采難度加大，生產邊際成本上升的困境。研究認為，2020年之前，q*石油產量將到達頂點，天然氣產量的頂點也將在不久之后到達，隨之而來的供不應求趨勢必將導致世界范圍內石油和天然氣價格的飛漲。面對這樣的能源危機，人們該如何應對？
q*變暖和環境污染對能源的使用提出了新的要求，由其導致的超強臺風、颶風、海嘯等災害，暴雨、暴雪、高溫、霧霾、酸雨等極端天氣時有發生，控制溫室氣體和污染物的排放已迫在眉睫。面對q*日益嚴峻的減排任務，人們又該如何應對？
氫能，是公認的清潔能源，被譽為21世紀z*具發展前景的二次能源，它有助于解決能源危機、q*變暖以及環境污染，其開發利用得到了世界范圍內的高度關注。本文將圍繞氫能的利用展開，在確定氫能的戰略定位之后，討論了氫作為清潔能源、能源載體以及化工原料的應用，較為全面地總結了國內外氫能的利用現狀，總結面臨的挑戰的同時提出涵蓋能源和化工領域的氫能發展方式是推動氫能全面發展的重要途徑。
1 氫能的戰略定位
2001年，在一個由聯合國發展計劃署發起的論壇上，皇家荷蘭殼牌公司的主席菲爾·瓦特說：“石油和天然氣是z*重要的礦物燃料，它們曾經把整個世界推進了工業時代，但21世紀它們將為以氫經濟為基礎的能源新制度革命讓出發展空間。”縱觀q*，自進入21世紀以來，氫能的開發利用步伐逐漸加快，尤其是在一些發達國家，都將氫能列為國家能源體系中的重要組成部分，人們對其寄予了極大的希望和熱忱。
氫具有清潔無污染、儲運方便、利用率高、可通過燃料電池把化學能直接轉換為電能的特點，同時，氫的來源廣泛，制取途徑多樣。這些獨特的優勢使其在能源和化工領域具有廣泛應用，集中表現為3個方面，如圖1所示。
s*先，氫能是一種理想的清潔能源。不管是直接燃燒還是在燃料電池中的電化學轉化，其產物只有水，且效率高。隨著燃料電池技術的不斷完善，以燃料電池為核心的新興產業將使氫能的清潔利用得到z*大發揮，主要表現在氫燃料電池汽車、分布式發電、氫燃料電池叉車和應急電源產業化初現端倪。其次，氫能是一種良好的能源載體，具有清潔高效、便于存儲和輸運的特點?？稍偕茉?，特別是風能和太陽能在近十年來發展迅猛，但由于本身的不穩定，導致其電力上網難，出現大量的棄風、棄光現象，嚴重制約了它們的發展。將多余電量用于電解制氫，可大規模消納風能、太陽能，制得的氫既可作為清潔能源直接利用，還能摻入到天然氣中經天然氣管網輸運并利用。z*后，氫氣還是化石能源清潔利用的重要原料。
成熟的化石能源清潔利用技術對氫氣的需求量巨大，其中包括煉油化工過程中的催化重整、加氫精制以及煤清潔利用過程中的煤制氣加氫氣化、煤制油直接液化等工藝過程，推進氫能在這些方面的應用有望加速氫能的規?；?。
2 以燃料電池為核心的氫能應用
氫能是一種理想的清潔能源，其在燃料電池領域的應用是發展氫能清潔利用的關鍵。燃料電池是將氫氣的化學能直接轉化為電能的裝置，具有轉換效率高、零排放等特點，是z*佳的氫能利用技術。近年來，燃料電池技術的不斷完善帶動了以燃料電池為核心的新興產業的快速發展，其中，氫燃料電池汽車、分布式發電、氫燃料電池叉車以及應急電源的應用已接近產業化。
2.1 氫燃料電池汽車
汽車是人類邁向工業時代的重要標志，是社會進步的關鍵因素。然而，傳統車用燃料面臨緊缺，且產生的汽車尾氣是導致q*變暖和環境污染的主要因素之一，這使得汽車工業找到新的技術以替代傳統的燃油技術并降低污染物排放變得尤為緊迫。氫燃料電池汽車（FCEV）可實現真正的零排放、零污染，是傳統燃油汽車理想的替代品，也是氫能清潔利用的主要方式，圖2給出了一種燃料電池汽車的概念設計圖。
目前，交通用燃料電池的批量生產成本已由2002年的$275/kW降低到2012年的$47/kW，這大大加速了氫燃料電池汽車的推廣。2013年3月，現代汽車ix35燃料電池車批產型號在韓國蔚山工廠下線，現代成為q*s*個批量生產氫燃料電池車的汽車企業。同年，日本三大車企分別與其它巨頭結盟，推進燃料電池汽車的商業化，它們是豐田和寶馬、本田和通用、日產和戴姆勒及福特，先后計劃于2015-2017年期間實現燃料電池汽車上市，其中，豐田燃料電池汽車mirai已于2014年12月15日正式上市銷售。在國內，氫燃料電池汽車開發也緊隨其步，在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會及深圳大運會期間都開展了燃料電池汽車的示范項目。特別是2014年3月，上海汽車集團與德國大眾汽車簽署聯合聲明，雙方將開展燃料電池技術合作，并宣布于2015年推出80輛燃料電池汽車，進入商業化示范階段。
然而，氫的制取與儲運、燃料電池性能的提高、以及加氫站的建設等問題仍是制約燃料電池汽車發展的主要因素，在產業初期，僅靠企業一己之力很難取得長足進步，還需很大程度依靠政府部門相關政策頒布及資金投入方面的支持。
2.2 分布式發電
分布式發電一般是指靠近z*終用戶或者就在z*終用戶處（工廠、商業企業、公共建筑、街區、私人住戶）的集成或者單機的小型發電裝置。它具有利用技術種類多、發電規模可大可小、設備容易安裝及可滿足不同需求等優點，可為工業、商業和住宅的供電問題提供解決方案。
目前，以燃料電池為主的分布式發電已在歐美日韓等發達國家和地區開始初步商業化。其中，日本的家用燃料電池發展領先于世界，截至2013年10月，家用燃料電池熱電聯供系統（CHP）安裝量已達57000套，單套售價也已從2009年的350萬日元降至今日的200萬日元左右，有望至2016年降至（70～80）萬日元，到時可完全實現商業化。質子交換膜燃料電池（PEMFC）和磷酸型燃料電池（PAFC）是現有家用CHPz*常用的燃料電池類型。
CHP的安裝方式主要分為兩類，即離網和并網安裝，前者為避免受負載波動的影響，使得系統的復雜性和價格提高，而后者可在用電高峰階段實現電網補充供電，當用電量較少時可向電網輸入多余電量，為了得到更高的效率，熱存儲單元對于兩者都是不可或缺的，圖3給出了并網安裝的家用 CHP示意圖。此外，燃料電池在工業生產過程領域的應用正在開發中，美國能源部資助項目“FutureGen”中SOFC與熱機的300kW級工程示范裝置發電效率達52%，熱電聯供后效率可達到80%以上。在我國，國家能源局于2014年4月下發豁免部分發電項目電力業務許可證的通知，為包括分布式發電等在內的分布式能源、清潔能源發展創造了相對寬松的環境，可有效推動國內燃料電池分布式發電的發展。
將燃料電池系統的壽命提高到80000h是目前發展燃料電池分布式發電z*具挑戰的技術難點。當實現燃料電池的耐久性和成本指標，估計到2020年燃料電池在世界范圍內分布式發電領域的占有量將高達50%，這為電力供應提供了新的途徑，同時也有效提高了供電質量和可靠性，具有廣闊的發展與應用前景。
2.3 氫燃料電池叉車
叉車是物流行業中必不可少的搬運工，是工業車輛中的重要設備，但同汽車一樣，大多數叉車依然使用化石燃料提供動力，產生的尾氣對環境造成了很大的破壞。保守估計，我國內燃叉車保有量約35萬臺，叉車參與的所有環節產生的碳排放量，總量估計高達上千萬噸，因此，將零排放的燃料電池用于叉車行業的環境效益顯著，而且，有相關報道表明燃料電池叉車的效率可在內燃叉車的基礎上提高30%～50%。
目前，燃料電池叉車在發達國家中的使用已經開始。2005年，產自豐田的世界s*臺FCHV-F型燃料電池叉車在德國漢諾威舉行的世界z*大國際物流展上亮相，隨后，美國Cat公司、德國STILL叉車公司、美國Crown公司 、美國Raymond公司等紛紛推出自己的燃料電池叉車。其中美國Plug Power公司的GenDrive 1990燃料電池可完美取代電動叉車的蓄電池，其客戶名單包括寶馬、可口可樂、聯邦快遞等大公司，據《FUEL CELL 2000》2013年4月研究報告，目前北美地區有3500 輛燃料電池叉車在用，其中Plug Power公司占有北美燃料電池叉車市場85%的份額。反觀國內叉車市場，內燃叉車仍占據主導地位，燃料電池叉車的研發也才剛剛起步，未來還有很大的發展空間。
除具有與燃料電池汽車零排放的相同特點之外，燃料電池叉車的使用相對集中，因此方便實現燃料的集中供給，這將大大減少加氫站建設方面的投入，這也是燃料電池叉車發展領先汽車的主要原因。
2.4 應急電源
信息技術部門、銀行、醫院等重要企業或機構與人們的日常生活息息相關，關乎每個人的切身利益，為了在發生電力供應不足或中斷的情況下能夠保證這些部門繼續正常工作，要求必須備有強大的應急電源系統。常用應急電源系統包括鉛酸蓄電池組和移動油機。但是，鉛酸蓄電池組笨重、備電時間有限且不確定、容易造成環境污染、對環境溫度要求苛刻；移動油機后勤保障復雜、易造成廢氣污染和噪聲污染等。相比之下，氫燃料電池，以其具有的能源效率高、環境友好、占地面積小、質量輕、運行穩定可靠、壽命長（鉛酸蓄電池的2～10倍）等特點開始受到應急電源市場越來越多的青睞。
將氫燃料電池應用于應急電源的企業眾多，比如蘋果公司、微軟公司、威瑞森公司、AT&T公司、奧巴哈第一國家銀行等。尤其是通信用燃料電池應急/備用電源，已成熟商業化應用5年以上，應用規模達到了近萬套級，我國三大電信運營商已有百余套燃料電池備用電源投入使用。而且，燃料電池應急電源的可靠性也在實際應用中得到了驗證，2012年10月25號ElectraGen-ME 燃料電池系統為在受颶風桑迪影響的新普羅維斯登群島上的手機服務領域挽回了大約50%的損失。2012年攀業公司在中國移動開設的s*個燃料電池試驗局PBP-3000運營至今，期間經歷了沙塵暴、降雪等惡劣天氣，運行依然穩定。
燃料電池的穩定可靠性是其在應急電源領域推廣的重要優勢，當然，成本因素仍是限制其規?；瘧玫闹饕颍梢栽O想，隨燃料電池技術的進一步發展，當成本繼續降低，燃料電池在應急電源領域的應用也將進一步加大。
3 以氫為載體的可再生能源應用
風能、太陽能的開發利用受間歇性和不可預測性的影響，造成大量能源的浪費，嚴重制約了它們的發展。氫能是一種良好的能源載體，通過電解制氫的方式將風電、光伏電轉化為氫氣可提高風能、太陽能的使用量和利用效率，制得的氫氣可直接利用，還可摻入現有天然氣管網實現大規模輸運和利用，其流程如圖4所示。
3.1 可再生能源消納
近年來，可再生能源特別是風能、太陽能發展迅猛，已成為部分國家和地區的重要能源之一。2013年，q*新增風電裝機容量為35GW，累計裝機容量達到318.12GW，其中，我國風電新增裝機容量16.09GW，累計裝機容量為91.4GW，居世界第一位；同年，q*太陽能光伏新增裝機容量超過36GW，累計裝機容量超過132GW，其中我國新增并網裝機容量11.3GW，累計裝機容量18.1GW，亦居世界第一位。然而，風能、太陽能的不穩定性造成了嚴重的棄電。據統計，2013年單就我國已運營的風場“棄風”量就超過162億千瓦時，棄風率達到10.74%。
發展可再生能源，儲能是關鍵?？稍偕茉吹膬δ芗夹g主要包括蓄電池蓄能、壓縮空氣蓄能、抽水蓄能及氫儲能技術，其各自特點如表1所示，通過比較發現，當氫儲能技術的成本得到控制，相較于其他儲能技術，將具有明顯的優勢。目前，許多國家已開始借用氫儲能技術消納可再生能源的方式來推動可再生能源發展。
法國阿?，m集團的“MYRTE”項目，集成了氫能系統和太陽能光伏電廠，在科西嘉島運作，旨在通過調峰和平穩光伏電廠負載來穩定電網。歐盟的資助項目“NGRID”，包括1MW的電解槽和儲氫容量達33MWh的金屬氫化物，計劃將在意大利運行。
此外，加拿大、美國、英國、西班牙、挪威等國，都有氫儲能技術的示范項目運行。國內也開展了一些氫消納可再生能源的示范項目，2010年年底，在江蘇沿海建成了s*個非并網風電制氫示范工程，利用1臺30kW的風機直接給新型電解水制氫裝置供電，日產氫氣120m3（標準狀態下）。2013年 11月，河北建投集團與德國邁克菲能源公司和歐洲安能公司簽署了關于共同投建河北省s*個風電制氫示范項目的合作意向書，其中包括建設100MW的風電場、10MW的電解槽和氫能綜合利用裝置。
氫儲能技術巧妙地結合了可再生能源和氫能的共同發展，與當前人們追求可再生能源及清潔能源的利用趨勢一致。目前，其高昂的投資成本及關鍵裝置燃料電池、氫氣儲運設備之間的配置與優化等問題是限制其發展的主要因素，當各環節進一步發展，制氫成本z*終得到控制時，其發展潛力巨大，有望取代傳統制氫，成為既經濟又環保的制氫方式。此外，制得的氫氣可直接摻入到現有的天然氣管網進行輸運，這很大程度上減少了氫能的輸運成本，有助于推動氫能的大規模使用。
3.2 可再生能源制得氫氣摻入天然氣的利用
利用可再生能源制氫，可制得大量的氫氣。按照2013年的“棄風”量計算，保守估計可制得23.7億立方米氫氣。對于這些氫氣，研究者不得不面臨它的輸運問題。常用的輸氫方式有長管拖車、液氫罐車及管道輸運，然而，前兩者輸運規模小，且成本高，后者的建設耗時耗財巨大。因此，將可再生能源制得的氫氣摻入到天然氣，組成摻氫天然氣（HCNG），再通過現有天然氣管網輸送的方式的提出受到了國際上廣泛的關注，被認為是目前大規模輸氫的z*佳選擇。研究發現，將氫氣的摻入體積分數控制在17%以下時，基本不會對天然氣管網造成影響。國際上專門針對HCNG開展了一些研究工作。
2004-2009年期間，由歐洲委員會支撐的“NATURALHY”項目比較系統的研究了氫氣摻入對整個天然氣系統的影響。2008-2011年，在荷蘭的Ameland開展了有關將風電氫摻入當地天然氣管網的研究，其中2010年年均氫氣摻入體積分數高達12%。此外，美國能源部（DOE）也對HCNG投入了大量的研究。在德國的Falkenhagen，一個具有2MW“電轉氫”能力的示范電廠于2013年完全服役，制取的氫氣被直接送入天然氣管線。
法國環境與能源控制署（ADEME）贊助的“GRHYD”項目也是將可再生能源制得的氫氣摻入天然氣中供加氫站和居民使用，摻氫體積分數z*高將達到20%。然而，要開展天然氣管道輸送HCNG，受管道材料、管道配件、天然氣成分及地理環境的影響，選取合適的摻氫體積分數依然是研究的重點。
HCNG用途廣泛，可用作交通燃料、清潔燃氣和工業爐燃料，其中，交通燃料的使用是當前的研究重點。研究發現，使用氫氣體積分數20%的HCNG的國產內燃機的排放標準可達到國Ⅳ要求。倘若實現了大規模HCNG的利用，其不僅帶來良好的環境效益，更有希望緩解我國東部地區天然氣儲量不足的現狀。
4 氫在化石能源清潔利用中的應用
氫氣是化石能源清潔利用的重要原料。進入21世紀，環境污染成為q*性的危機，主要責任歸咎于化石能源的使用。為了倡導清潔能源的高效利用，控制碳排放量，化石燃料的清潔利用至關重要。油品質量升級和煤制清潔能源是化石能源清潔利用的主要途徑，而加氫則是這些過程中的重要環節。
4.1 油品質量升級
原油是現代工業的命脈，然而因其不可再生性使之儲量日益減少，開采難度逐年加大且質量不斷降低。特別是z*近十年，我國煉油行業加工高硫和重質原油的比例越來越大，原油重質化和劣質化的趨勢越發明顯，但與此同時為追求環境效益，國家對油品質量提出了更高的要求，因此迫切需要提高原油加工深度以提高油品質量。
氫氣是煉油企業提高輕油收率、改善產品質量必不可少的原料。煉油過程中的耗氫主要集中在催化重整和加氫精制工藝，如圖5和圖6所示。整個過程的氫耗一般介于原油質量的0.8%～1.4%，如果按照2015年我國預計的7億噸煉油能力計算，當氫耗取原油質量的1%時，耗氫量高達700萬噸。
而隨著煉廠各種臨氫工藝的快速發展，加氫裝置數量的不斷增多，氫氣的需量將進一步加大。目前氫氣成本已是煉廠原料成本中僅次于原油成本的第二位成本要素。
面對如此巨大的氫氣需求量，選擇經濟的制氫方式至關重要，目前，q*范圍內煉油企業中的90%制氫裝置都采用烴類蒸汽轉化法，但考慮到化石能源的減少以及可再生能源制氫成本的下降，由可再生能源制得的氫氣有望作為主要的氫氣來源，這不但具有潛在的成本優勢，而且環境效益明顯。
4.2 煤制清潔能源
我國呈現“富煤、貧油、少氣”的能源結構，發展煤制清潔能源，被認為是應對能源和環境挑戰的路徑之一，具有重要的戰略意義。
煤制天然氣、煤制油是煤炭清潔利用的重要途徑。其中，煤制氣的加氫氣化過程以及煤制油直接液化過程中需要通入大量的氫氣，具體工藝見圖7和圖8。僅以神華煤炭直接液化項目為例，按照優化后的工藝計算，每單位小時處理250t干煤的耗氫量就高達19.186t/h。
由國務院辦公廳下發的《能源發展戰略行動計劃（2014—2020）》中明確指出，要穩妥實施和推進煤制氣、煤制油示范工程和技術研發。目前，我國已投產的煤制氣項目產能約40億立方米，預計到2020年其產能將達到600億立方米。有關煤制油，僅2014年就有多個百萬噸級甚至600萬噸級的項目獲得國家發展與改革委員會的審批。隨著示范項目的陸續成功投產，煤制氣、煤制油項目的投入力度將進一步加大，屆時氫氣的需求量也將大大增加，對推動氫氣的規?；米饔妹黠@。類似于油品質量升級過程中的氫氣來源，當煤制清潔能源產業進一步發展，使用由可再生能源制得的氫氣依然是較好的選擇。
在現有條件下，油品質量升級及煤制清潔能源工藝基本完善，并考慮到其過程對大量氫氣的需求，使得氫氣作為化工原料在該領域的應用成為現有條件下推進氫能規模化利用的z*佳方式。
5 結語
?。?）涵蓋能源和化工領域的氫能利用是推動氫能全面發展的重要途徑，其主要包括在清潔能源、能源載體以及化工原料3個方面的應用。s*先，氫作為清潔能源的利用是當今世界上發展z*快、環境效益z*佳的氫能利用途徑，也是目前推動氫能快速發展的主要動力；其次，氫作為能源載體用來消納可再生能源的利用已在q*開始推廣，有助于可再生能源和氫能的協同發展，利用前景廣闊；z*后，氫氣作為化石能源清潔利用的重要原料，需求量巨大，是現有條件下加速氫能規?；玫年P鍵。
（2）氫的制取與儲運、燃料電池性能的提高與成本的降低、以及加氫站的建設等問題是目前限制以燃料電池為核心的新興產業發展的主要因素，解決這些問題是實現燃料電池商業化應用的關鍵。
?。?）氫能助推可再生能源的發展，解決氫的經濟性制取及大規模輸運是關鍵，其中，將可再生能源制得的氫氣摻入到現有天然氣管道的輸送方式被認為是現階段z*有效的輸氫方式，但選取合適的摻氫體積分數受多種因素影響，因地而異。
?。?）當可再生能源制氫的成本得到控制，將可再生能源制得的氫氣作為化石能源清潔利用的原料具有明顯的環境效益和成本優勢。
【壓縮機網】煤、石油、天然氣等化石能源是當今社會的能源消耗主體，隨著消費總量的不斷提高，正面臨儲量減少，開采難度加大，生產邊際成本上升的困境。研究認為，2020年之前，q*石油產量將到達頂點，天然氣產量的頂點也將在不久之后到達，隨之而來的供不應求趨勢必將導致世界范圍內石油和天然氣價格的飛漲。面對這樣的能源危機，人們該如何應對？
q*變暖和環境污染對能源的使用提出了新的要求，由其導致的超強臺風、颶風、海嘯等災害，暴雨、暴雪、高溫、霧霾、酸雨等極端天氣時有發生，控制溫室氣體和污染物的排放已迫在眉睫。面對q*日益嚴峻的減排任務，人們又該如何應對？
氫能，是公認的清潔能源，被譽為21世紀z*具發展前景的二次能源，它有助于解決能源危機、q*變暖以及環境污染，其開發利用得到了世界范圍內的高度關注。本文將圍繞氫能的利用展開，在確定氫能的戰略定位之后，討論了氫作為清潔能源、能源載體以及化工原料的應用，較為全面地總結了國內外氫能的利用現狀，總結面臨的挑戰的同時提出涵蓋能源和化工領域的氫能發展方式是推動氫能全面發展的重要途徑。
1 氫能的戰略定位
2001年，在一個由聯合國發展計劃署發起的論壇上，皇家荷蘭殼牌公司的主席菲爾·瓦特說：“石油和天然氣是z*重要的礦物燃料，它們曾經把整個世界推進了工業時代，但21世紀它們將為以氫經濟為基礎的能源新制度革命讓出發展空間。”縱觀q*，自進入21世紀以來，氫能的開發利用步伐逐漸加快，尤其是在一些發達國家，都將氫能列為國家能源體系中的重要組成部分，人們對其寄予了極大的希望和熱忱。
氫具有清潔無污染、儲運方便、利用率高、可通過燃料電池把化學能直接轉換為電能的特點，同時，氫的來源廣泛，制取途徑多樣。這些獨特的優勢使其在能源和化工領域具有廣泛應用，集中表現為3個方面，如圖1所示。
s*先，氫能是一種理想的清潔能源。不管是直接燃燒還是在燃料電池中的電化學轉化，其產物只有水，且效率高。隨著燃料電池技術的不斷完善，以燃料電池為核心的新興產業將使氫能的清潔利用得到z*大發揮，主要表現在氫燃料電池汽車、分布式發電、氫燃料電池叉車和應急電源產業化初現端倪。其次，氫能是一種良好的能源載體，具有清潔高效、便于存儲和輸運的特點?？稍偕茉?，特別是風能和太陽能在近十年來發展迅猛，但由于本身的不穩定，導致其電力上網難，出現大量的棄風、棄光現象，嚴重制約了它們的發展。將多余電量用于電解制氫，可大規模消納風能、太陽能，制得的氫既可作為清潔能源直接利用，還能摻入到天然氣中經天然氣管網輸運并利用。z*后，氫氣還是化石能源清潔利用的重要原料。
成熟的化石能源清潔利用技術對氫氣的需求量巨大，其中包括煉油化工過程中的催化重整、加氫精制以及煤清潔利用過程中的煤制氣加氫氣化、煤制油直接液化等工藝過程，推進氫能在這些方面的應用有望加速氫能的規?；?。
2 以燃料電池為核心的氫能應用
氫能是一種理想的清潔能源，其在燃料電池領域的應用是發展氫能清潔利用的關鍵。燃料電池是將氫氣的化學能直接轉化為電能的裝置，具有轉換效率高、零排放等特點，是z*佳的氫能利用技術。近年來，燃料電池技術的不斷完善帶動了以燃料電池為核心的新興產業的快速發展，其中，氫燃料電池汽車、分布式發電、氫燃料電池叉車以及應急電源的應用已接近產業化。
2.1 氫燃料電池汽車
汽車是人類邁向工業時代的重要標志，是社會進步的關鍵因素。然而，傳統車用燃料面臨緊缺，且產生的汽車尾氣是導致q*變暖和環境污染的主要因素之一，這使得汽車工業找到新的技術以替代傳統的燃油技術并降低污染物排放變得尤為緊迫。氫燃料電池汽車（FCEV）可實現真正的零排放、零污染，是傳統燃油汽車理想的替代品，也是氫能清潔利用的主要方式，圖2給出了一種燃料電池汽車的概念設計圖。
目前，交通用燃料電池的批量生產成本已由2002年的$275/kW降低到2012年的$47/kW，這大大加速了氫燃料電池汽車的推廣。2013年3月，現代汽車ix35燃料電池車批產型號在韓國蔚山工廠下線，現代成為q*s*個批量生產氫燃料電池車的汽車企業。同年，日本三大車企分別與其它巨頭結盟，推進燃料電池汽車的商業化，它們是豐田和寶馬、本田和通用、日產和戴姆勒及福特，先后計劃于2015-2017年期間實現燃料電池汽車上市，其中，豐田燃料電池汽車mirai已于2014年12月15日正式上市銷售。在國內，氫燃料電池汽車開發也緊隨其步，在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會及深圳大運會期間都開展了燃料電池汽車的示范項目。特別是2014年3月，上海汽車集團與德國大眾汽車簽署聯合聲明，雙方將開展燃料電池技術合作，并宣布于2015年推出80輛燃料電池汽車，進入商業化示范階段。
然而，氫的制取與儲運、燃料電池性能的提高、以及加氫站的建設等問題仍是制約燃料電池汽車發展的主要因素，在產業初期，僅靠企業一己之力很難取得長足進步，還需很大程度依靠政府部門相關政策頒布及資金投入方面的支持。
2.2 分布式發電
分布式發電一般是指靠近z*終用戶或者就在z*終用戶處（工廠、商業企業、公共建筑、街區、私人住戶）的集成或者單機的小型發電裝置。它具有利用技術種類多、發電規模可大可小、設備容易安裝及可滿足不同需求等優點，可為工業、商業和住宅的供電問題提供解決方案。
目前，以燃料電池為主的分布式發電已在歐美日韓等發達國家和地區開始初步商業化。其中，日本的家用燃料電池發展領先于世界，截至2013年10月，家用燃料電池熱電聯供系統（CHP）安裝量已達57000套，單套售價也已從2009年的350萬日元降至今日的200萬日元左右，有望至2016年降至（70～80）萬日元，到時可完全實現商業化。質子交換膜燃料電池（PEMFC）和磷酸型燃料電池（PAFC）是現有家用CHPz*常用的燃料電池類型。
CHP的安裝方式主要分為兩類，即離網和并網安裝，前者為避免受負載波動的影響，使得系統的復雜性和價格提高，而后者可在用電高峰階段實現電網補充供電，當用電量較少時可向電網輸入多余電量，為了得到更高的效率，熱存儲單元對于兩者都是不可或缺的，圖3給出了并網安裝的家用 CHP示意圖。此外，燃料電池在工業生產過程領域的應用正在開發中，美國能源部資助項目“FutureGen”中SOFC與熱機的300kW級工程示范裝置發電效率達52%，熱電聯供后效率可達到80%以上。在我國，國家能源局于2014年4月下發豁免部分發電項目電力業務許可證的通知，為包括分布式發電等在內的分布式能源、清潔能源發展創造了相對寬松的環境，可有效推動國內燃料電池分布式發電的發展。
將燃料電池系統的壽命提高到80000h是目前發展燃料電池分布式發電z*具挑戰的技術難點。當實現燃料電池的耐久性和成本指標，估計到2020年燃料電池在世界范圍內分布式發電領域的占有量將高達50%，這為電力供應提供了新的途徑，同時也有效提高了供電質量和可靠性，具有廣闊的發展與應用前景。
2.3 氫燃料電池叉車
叉車是物流行業中必不可少的搬運工，是工業車輛中的重要設備，但同汽車一樣，大多數叉車依然使用化石燃料提供動力，產生的尾氣對環境造成了很大的破壞。保守估計，我國內燃叉車保有量約35萬臺，叉車參與的所有環節產生的碳排放量，總量估計高達上千萬噸，因此，將零排放的燃料電池用于叉車行業的環境效益顯著，而且，有相關報道表明燃料電池叉車的效率可在內燃叉車的基礎上提高30%～50%。
目前，燃料電池叉車在發達國家中的使用已經開始。2005年，產自豐田的世界s*臺FCHV-F型燃料電池叉車在德國漢諾威舉行的世界z*大國際物流展上亮相，隨后，美國Cat公司、德國STILL叉車公司、美國Crown公司 、美國Raymond公司等紛紛推出自己的燃料電池叉車。其中美國Plug Power公司的GenDrive 1990燃料電池可完美取代電動叉車的蓄電池，其客戶名單包括寶馬、可口可樂、聯邦快遞等大公司，據《FUEL CELL 2000》2013年4月研究報告，目前北美地區有3500 輛燃料電池叉車在用，其中Plug Power公司占有北美燃料電池叉車市場85%的份額。反觀國內叉車市場，內燃叉車仍占據主導地位，燃料電池叉車的研發也才剛剛起步，未來還有很大的發展空間。
除具有與燃料電池汽車零排放的相同特點之外，燃料電池叉車的使用相對集中，因此方便實現燃料的集中供給，這將大大減少加氫站建設方面的投入，這也是燃料電池叉車發展領先汽車的主要原因。
2.4 應急電源
信息技術部門、銀行、醫院等重要企業或機構與人們的日常生活息息相關，關乎每個人的切身利益，為了在發生電力供應不足或中斷的情況下能夠保證這些部門繼續正常工作，要求必須備有強大的應急電源系統。常用應急電源系統包括鉛酸蓄電池組和移動油機。但是，鉛酸蓄電池組笨重、備電時間有限且不確定、容易造成環境污染、對環境溫度要求苛刻；移動油機后勤保障復雜、易造成廢氣污染和噪聲污染等。相比之下，氫燃料電池，以其具有的能源效率高、環境友好、占地面積小、質量輕、運行穩定可靠、壽命長（鉛酸蓄電池的2～10倍）等特點開始受到應急電源市場越來越多的青睞。
將氫燃料電池應用于應急電源的企業眾多，比如蘋果公司、微軟公司、威瑞森公司、AT&T公司、奧巴哈第一國家銀行等。尤其是通信用燃料電池應急/備用電源，已成熟商業化應用5年以上，應用規模達到了近萬套級，我國三大電信運營商已有百余套燃料電池備用電源投入使用。而且，燃料電池應急電源的可靠性也在實際應用中得到了驗證，2012年10月25號ElectraGen-ME 燃料電池系統為在受颶風桑迪影響的新普羅維斯登群島上的手機服務領域挽回了大約50%的損失。2012年攀業公司在中國移動開設的s*個燃料電池試驗局PBP-3000運營至今，期間經歷了沙塵暴、降雪等惡劣天氣，運行依然穩定。
燃料電池的穩定可靠性是其在應急電源領域推廣的重要優勢，當然，成本因素仍是限制其規?；瘧玫闹饕颍梢栽O想，隨燃料電池技術的進一步發展，當成本繼續降低，燃料電池在應急電源領域的應用也將進一步加大。
3 以氫為載體的可再生能源應用
風能、太陽能的開發利用受間歇性和不可預測性的影響，造成大量能源的浪費，嚴重制約了它們的發展。氫能是一種良好的能源載體，通過電解制氫的方式將風電、光伏電轉化為氫氣可提高風能、太陽能的使用量和利用效率，制得的氫氣可直接利用，還可摻入現有天然氣管網實現大規模輸運和利用，其流程如圖4所示。
3.1 可再生能源消納
近年來，可再生能源特別是風能、太陽能發展迅猛，已成為部分國家和地區的重要能源之一。2013年，q*新增風電裝機容量為35GW，累計裝機容量達到318.12GW，其中，我國風電新增裝機容量16.09GW，累計裝機容量為91.4GW，居世界第一位；同年，q*太陽能光伏新增裝機容量超過36GW，累計裝機容量超過132GW，其中我國新增并網裝機容量11.3GW，累計裝機容量18.1GW，亦居世界第一位。然而，風能、太陽能的不穩定性造成了嚴重的棄電。據統計，2013年單就我國已運營的風場“棄風”量就超過162億千瓦時，棄風率達到10.74%。
發展可再生能源，儲能是關鍵?？稍偕茉吹膬δ芗夹g主要包括蓄電池蓄能、壓縮空氣蓄能、抽水蓄能及氫儲能技術，其各自特點如表1所示，通過比較發現，當氫儲能技術的成本得到控制，相較于其他儲能技術，將具有明顯的優勢。目前，許多國家已開始借用氫儲能技術消納可再生能源的方式來推動可再生能源發展。
法國阿?，m集團的“MYRTE”項目，集成了氫能系統和太陽能光伏電廠，在科西嘉島運作，旨在通過調峰和平穩光伏電廠負載來穩定電網。歐盟的資助項目“NGRID”，包括1MW的電解槽和儲氫容量達33MWh的金屬氫化物，計劃將在意大利運行。
此外，加拿大、美國、英國、西班牙、挪威等國，都有氫儲能技術的示范項目運行。國內也開展了一些氫消納可再生能源的示范項目，2010年年底，在江蘇沿海建成了s*個非并網風電制氫示范工程，利用1臺30kW的風機直接給新型電解水制氫裝置供電，日產氫氣120m3（標準狀態下）。2013年 11月，河北建投集團與德國邁克菲能源公司和歐洲安能公司簽署了關于共同投建河北省s*個風電制氫示范項目的合作意向書，其中包括建設100MW的風電場、10MW的電解槽和氫能綜合利用裝置。
氫儲能技術巧妙地結合了可再生能源和氫能的共同發展，與當前人們追求可再生能源及清潔能源的利用趨勢一致。目前，其高昂的投資成本及關鍵裝置燃料電池、氫氣儲運設備之間的配置與優化等問題是限制其發展的主要因素，當各環節進一步發展，制氫成本z*終得到控制時，其發展潛力巨大，有望取代傳統制氫，成為既經濟又環保的制氫方式。此外，制得的氫氣可直接摻入到現有的天然氣管網進行輸運，這很大程度上減少了氫能的輸運成本，有助于推動氫能的大規模使用。
3.2 可再生能源制得氫氣摻入天然氣的利用
利用可再生能源制氫，可制得大量的氫氣。按照2013年的“棄風”量計算，保守估計可制得23.7億立方米氫氣。對于這些氫氣，研究者不得不面臨它的輸運問題。常用的輸氫方式有長管拖車、液氫罐車及管道輸運，然而，前兩者輸運規模小，且成本高，后者的建設耗時耗財巨大。因此，將可再生能源制得的氫氣摻入到天然氣，組成摻氫天然氣（HCNG），再通過現有天然氣管網輸送的方式的提出受到了國際上廣泛的關注，被認為是目前大規模輸氫的z*佳選擇。研究發現，將氫氣的摻入體積分數控制在17%以下時，基本不會對天然氣管網造成影響。國際上專門針對HCNG開展了一些研究工作。
2004-2009年期間，由歐洲委員會支撐的“NATURALHY”項目比較系統的研究了氫氣摻入對整個天然氣系統的影響。2008-2011年，在荷蘭的Ameland開展了有關將風電氫摻入當地天然氣管網的研究，其中2010年年均氫氣摻入體積分數高達12%。此外，美國能源部（DOE）也對HCNG投入了大量的研究。在德國的Falkenhagen，一個具有2MW“電轉氫”能力的示范電廠于2013年完全服役，制取的氫氣被直接送入天然氣管線。
法國環境與能源控制署（ADEME）贊助的“GRHYD”項目也是將可再生能源制得的氫氣摻入天然氣中供加氫站和居民使用，摻氫體積分數z*高將達到20%。然而，要開展天然氣管道輸送HCNG，受管道材料、管道配件、天然氣成分及地理環境的影響，選取合適的摻氫體積分數依然是研究的重點。
HCNG用途廣泛，可用作交通燃料、清潔燃氣和工業爐燃料，其中，交通燃料的使用是當前的研究重點。研究發現，使用氫氣體積分數20%的HCNG的國產內燃機的排放標準可達到國Ⅳ要求。倘若實現了大規模HCNG的利用，其不僅帶來良好的環境效益，更有希望緩解我國東部地區天然氣儲量不足的現狀。
4 氫在化石能源清潔利用中的應用
氫氣是化石能源清潔利用的重要原料。進入21世紀，環境污染成為q*性的危機，主要責任歸咎于化石能源的使用。為了倡導清潔能源的高效利用，控制碳排放量，化石燃料的清潔利用至關重要。油品質量升級和煤制清潔能源是化石能源清潔利用的主要途徑，而加氫則是這些過程中的重要環節。
4.1 油品質量升級
原油是現代工業的命脈，然而因其不可再生性使之儲量日益減少，開采難度逐年加大且質量不斷降低。特別是z*近十年，我國煉油行業加工高硫和重質原油的比例越來越大，原油重質化和劣質化的趨勢越發明顯，但與此同時為追求環境效益，國家對油品質量提出了更高的要求，因此迫切需要提高原油加工深度以提高油品質量。
氫氣是煉油企業提高輕油收率、改善產品質量必不可少的原料。煉油過程中的耗氫主要集中在催化重整和加氫精制工藝，如圖5和圖6所示。整個過程的氫耗一般介于原油質量的0.8%～1.4%，如果按照2015年我國預計的7億噸煉油能力計算，當氫耗取原油質量的1%時，耗氫量高達700萬噸。
而隨著煉廠各種臨氫工藝的快速發展，加氫裝置數量的不斷增多，氫氣的需量將進一步加大。目前氫氣成本已是煉廠原料成本中僅次于原油成本的第二位成本要素。
面對如此巨大的氫氣需求量，選擇經濟的制氫方式至關重要，目前，q*范圍內煉油企業中的90%制氫裝置都采用烴類蒸汽轉化法，但考慮到化石能源的減少以及可再生能源制氫成本的下降，由可再生能源制得的氫氣有望作為主要的氫氣來源，這不但具有潛在的成本優勢，而且環境效益明顯。
4.2 煤制清潔能源
我國呈現“富煤、貧油、少氣”的能源結構，發展煤制清潔能源，被認為是應對能源和環境挑戰的路徑之一，具有重要的戰略意義。
煤制天然氣、煤制油是煤炭清潔利用的重要途徑。其中，煤制氣的加氫氣化過程以及煤制油直接液化過程中需要通入大量的氫氣，具體工藝見圖7和圖8。僅以神華煤炭直接液化項目為例，按照優化后的工藝計算，每單位小時處理250t干煤的耗氫量就高達19.186t/h。
由國務院辦公廳下發的《能源發展戰略行動計劃（2014—2020）》中明確指出，要穩妥實施和推進煤制氣、煤制油示范工程和技術研發。目前，我國已投產的煤制氣項目產能約40億立方米，預計到2020年其產能將達到600億立方米。有關煤制油，僅2014年就有多個百萬噸級甚至600萬噸級的項目獲得國家發展與改革委員會的審批。隨著示范項目的陸續成功投產，煤制氣、煤制油項目的投入力度將進一步加大，屆時氫氣的需求量也將大大增加，對推動氫氣的規?；米饔妹黠@。類似于油品質量升級過程中的氫氣來源，當煤制清潔能源產業進一步發展，使用由可再生能源制得的氫氣依然是較好的選擇。
在現有條件下，油品質量升級及煤制清潔能源工藝基本完善，并考慮到其過程對大量氫氣的需求，使得氫氣作為化工原料在該領域的應用成為現有條件下推進氫能規模化利用的z*佳方式。
5 結語
?。?）涵蓋能源和化工領域的氫能利用是推動氫能全面發展的重要途徑，其主要包括在清潔能源、能源載體以及化工原料3個方面的應用。s*先，氫作為清潔能源的利用是當今世界上發展z*快、環境效益z*佳的氫能利用途徑，也是目前推動氫能快速發展的主要動力；其次，氫作為能源載體用來消納可再生能源的利用已在q*開始推廣，有助于可再生能源和氫能的協同發展，利用前景廣闊；z*后，氫氣作為化石能源清潔利用的重要原料，需求量巨大，是現有條件下加速氫能規?；玫年P鍵。
（2）氫的制取與儲運、燃料電池性能的提高與成本的降低、以及加氫站的建設等問題是目前限制以燃料電池為核心的新興產業發展的主要因素，解決這些問題是實現燃料電池商業化應用的關鍵。
?。?）氫能助推可再生能源的發展，解決氫的經濟性制取及大規模輸運是關鍵，其中，將可再生能源制得的氫氣摻入到現有天然氣管道的輸送方式被認為是現階段z*有效的輸氫方式，但選取合適的摻氫體積分數受多種因素影響，因地而異。
?。?）當可再生能源制氫的成本得到控制，將可再生能源制得的氫氣作為化石能源清潔利用的原料具有明顯的環境效益和成本優勢。
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