绿色氢能的用处
在全球气候问题不断凸显的当下，氢能已经成为了应对各类环境难题和能源转型的关键。今年三月，我国提出了《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》的方案，进一步明确了氢能产业的战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。
1776年，英国科学家卡文迪许发现了锌、铁、锡、氢等金属元素，其中氢元素能够与稀硫酸和空气混合产生出爆鸣的体积比例，同时还将氢气看做了“燃素”，意思是指“成水元素”。到了1796年以后，拉瓦锡科学家将此气体命名为了氢。
氢气的来源与医疗的联系
氢元素作为元素周期表上排名第一位的化学元素，其构成分子为气态氢气，是自然界质量最轻、占比最小的稀少气体。在人体中所含的元素里，氢虽然只占9.5%，却给生命赋予了化学的力量，同时氢元素也是健康中不可缺少的。
人类对氢气的认识还要从16世纪化学实验首次将氢记录为易“燃气”开始，直到后期对氢进行描述其特性和制备的方法，一共延续了几百年的时间。发现了氢气的重量仅为空气的1/11，所以在早期氢气是专门用来制作飞艇的主要原料。
1975年，美国贝勒大学和得克萨斯公司的Dole及其同事在《科学》杂志上报道了氢的效应，他们将带有鳞状细胞癌的裸鼠置于含有2.5%氧气和97.5%氢气的腔室中，在8个大气压下观察得到了肿瘤显著减小。1978年，含有49%氢气、50%氦气和1%氧气的混合气体可有效防止海平面500米以下的潜水员工作时出现减压病和氮麻醉。
近年来，氢分子作为一种独特的医疗气体正在受到越来越多的关注。2007年，日本东京医科大学太田成男和他的研究团队在《自然医学》发表学术称，分子氢对大鼠脑梗塞模型有惊人的治疗效果，当大鼠吸入1%~4%浓度的氢气就会显著减少大鼠脑梗塞的作用。此外，氢的特异性还能够清除羟自由基和过氧亚硝酸盐，但这并不影响过氧化氢或超氧化物的存在。同时，日本的科学家还对分子氢在各种疾病中的作用进行了研究。
据资料显示，20世纪90年代，我国开始对氢气进行医学上的研究，1997年，我国提出了氢气作为强还原剂可以对抗癌症、衰老以及对抗由于环境污染所导致的人体慢性疾病可能性致畸的原因，我国科学家大胆提出了氢气是人体的清道夫，是人体内源性的物质，氢分子与羟自由基直接反应是治疗炎症损伤的基础，同时“氢气还能以一种未知的机制促进生命活力”。
1999年，我国科学家再次指出了氢气在动物体内具有还原性及可抗氧化，并且提出了人在代谢过程产生积累过多的过氧化物。我国科学家杜元伟曾指出，许多疾病及衰老就是这些过氧化物所导致，人体内必须要有一定的生命机制来对抗这些过氧化物。不仅如此，氢气还是强还原剂，自然、无副作用地消灭过氧化物，从真正意义上实现了氧化还原意义上的平衡。
我国科学家徐克成曾表示，普通的氢元素在动物体内如何游走，很难用普通的方法被观察到，为此，他特意购买了小瓶氢元素的放射性同位素氚进入实验室操作，通过电解氚水形成氚气后能够让小鼠呼吸，最后在小鼠体内的各个组织器官都测得了氚的存在。这就表明氢气在进入动物体内后，是全方位游走的，这一实验也证明了氢气的安全、无毒及治疗机理，氢气的医用价值是在多方位、多脏器疾病疗上发挥作用。
全球氢能的产业发展现状
氢是一种可燃烧的理想新能源，是世界上仅次于氧的最丰富元素。它是以化合物的形式储于水与化石燃料等物质中，可以通过热解、电解、热化学、光解等方法制取氢。每公斤液氢燃烧的发热值为14.2万焦耳，相当于汽油发热值的24倍，并和空气中的氧化合产生蒸汽，凝结成水及少量氧化氮，不但不会污染环境，而且还是再生和再循环的洁净能源。目前，氢储存方法有高压气态储存、低温液氢储存、化学储存及金属氢化物储存四种，其中金属氢化物储存是最有发展的前景。
国外对氢能的科技开发研究十分重视，美国、俄国、德国、日本及沙特阿拉伯等国都积极开展氢能研究。随着制氢和储氢技术的成熟，氢将应用于航空、航天、火箭、机车、汽车、冶炼、化工、发电等领域。
此外，美国是最早将氢能及燃料电池作为能源战略的国家。美国不仅对氢能和燃料电池给予持续支持，并积极为氢能基础设施的建立和氢燃料的使用制定了相关财政支持标准和减免法规。美国氢能计划的实施以美国能源部为主导，将资金集中用于解决氢能产业所面临的技术难题，保持美国在世界范围内的领先地位。同时，美国能源部还通过资金的投入与引导，构建起了以美国能源部所属国家实验室为主导，大学、研究所及企业为辅的研发体系。2018年10月8日，美国宣布这一天为美国国家氢能与燃料电池纪念日。
此外，美国在氢能及燃料电池领域拥有的专利数仅次于日本，尤其在全球质子交换膜电池、燃料电池系统、车载储氢三大领域技术专利数量上，两国的技术占比总和均超过了50%。其中，美国液氢产能和燃料电池乘用车保有量全球第一，截至2019年底，美国已经建成加氢站71座，2025年达到200座，燃料电池乘用车数量达到5899辆。
日本则是成为全球第一个实现氢能社会的国家。日本政府先后发布了《日本复兴战略》《能源战略计划》《氢能源基本战略》《氢能及燃料电池战略路线图》，规划实现了氢能社会战略的技术路线。2014年，日本通过了第四个战略能源计划，该计划明确指出要加强氢能源的利用，并公布了氢气及燃料电池战略路线图；2015年日本新能源开发机构发布了一份关于氢能源的白皮书，将氢能源定位为国家发电的第三支柱能源；2017年日本政府发布了《氢能源基础战略》，计划在2030年彻底实现氢能源发电商用化。
同时，日本氢能和燃料电池技术拥有专利数世界第一，已实现燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广。2017年，日本在神户港口岛建造了氢燃料1兆瓦燃气轮机，是世界上首个在城市地区使用氢燃料的热点联产系统。
欧盟将氢能作为能源安全和能源转型的重要保障，不仅在能源战略层面提出了《2005欧洲氢能研发与示范战略》《2020气候和能源一揽子计划》《2030气候和能源框架》《2050低碳经济战略》等文件，还在能源转型层面发布了《可再生能源指令》《新电力市场设计指令和规范》等文件。
此外，欧盟燃料电池与氢联合行动计划项目对欧洲氢能及燃料电池的研发和推广提供了大量的资金支持，2014~2020年间预算总额为6.65亿欧元。截至2019年，欧盟在营加气站152座，预计2050年达到3.3万座。
从当前情况来看，全球使用氢能发电比例很小，约占总发电量的0.2%。随着对能源行业深度脱碳要求的进一步提高，氢能主要应用于能源企业，主要包括：氢为燃气轮机或燃料电池提供燃料，作为备用电源或离网供电，为易停电和偏远地区的关键设施（如医院、通信基础设施等）提供备用电源，成为电力系统的一个灵活性电源；氢转化成氨，与煤粉共燃，降低传统燃煤电厂的碳排放强度；氢以压缩气体、氨或合成甲烷的方式储存，平衡电力需求和可再生能源的间歇性波动。
为了实现《巴黎协定》中的目标，全球能源系统必须进行深刻的变革，可再生能源的低碳电力可能成为首选的能源载体，电力在全球终端能源消耗中的份额到2050年将增加40%。但对于难以通过电气化实现脱碳的行业（如物流、工业用户），各国政府正在逐步认识到可再生能源耦合氢能是实现零碳净排放的重要选择之一。
目前，我国各地方政府根据《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》和《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》等精神，密集出台了相关支持政策，制定氢能源汽车发展规划，积极寻找地方经济新增长点。从2019年至今，全国已有14个省（市）实质性开展氢能产业布局与推广工作，分别是广东、山东、江苏、湖北、河北、山西、浙江、四川、北京、天津、吉林、辽宁、安徽、河南。以上大部分地区均出台了相关产业扶持政策，并落地一批燃料电池或整车产业，推动加氢站建设，积极开展示范运营。如今，中国氢能产业已初步形成了“东西南北中”五大发展区域。
现在，我国氢能应用已经横跨了交通、工业、能源领域，发展形成了加氢站、氢燃料电池、整车生产、储能等产业。近年来，加氢站基础设施发展迅猛，目前已经有超过25个省市出台了布局加氢站建设的政策。截至2021年10月，我国已建成加氢站170座，规模500kg以上占39%，并有70MPa氢气加氢站、液氢加氢站等。2022年预计建成加氢站超过250座。
氢能在能源中的广泛应用
近年来，受到能源政策、市场以及相关氢能利用技术的驱动，氢能为综合能源系统中难以实现电气化的行业和应用提供了更多可行和适用的选择。能源系统的深度脱碳需求，将整合大量波动性可再生能源并网的快速发展驱动力。
目前，国内氢燃料电池的发展已得到行业和企业的重视，质子交换膜燃料电池市场逐步扩大，具备完全燃料电池电堆生产能力的企业达25家，包括新能源动力股份有限公司、上海神力科技有限公司等燃料电池系统公司，仅2019年氢燃料电池产业相关投资及规划资金就超过850亿元。
除交通领域外，氢能还在工业领域也得到广泛的推广应用。山西左权县引进伊朗设备和美国Midrex工艺，累计投资18亿元建设“核能制氢”与“氢能冶金”相结合的工业示范项目，致力打造工业领域最佳减排技术；山西长治打造以“制氢+加氢基础设施建设+氢能重卡和专用车辆制造+氢能重卡物流园区+储供氢装备制造+氢能工业”为发展路径的氢能综合应用产业集群，为氢能综合应用提供了新方向；兰州国内首个“液体太阳能燃料”生产示范工程成功将甲醇重整制氢及氢燃料电池技术应用于重卡等商用车，为未来全产业链绿色氢能在工业领域应用提供了新方向。
不仅如此，与传统电池的储能相比，氢的储能在密度和储存时间有着独特优势，是一种适用于大规模和长时间跨度的储能。截至2019年，中国已投运储能项目累计装机31.5GW，占全球17%。氢燃料电池还具有续航里程、充能时间、能量密度、环保特性等多方面鲜明特色，是当前氢能产业开发的热点和发展前途的新动力电源。
同时，氢还可以直接以纯净的形式使用，或作为合成液态或气态氢基燃料（合成甲烷或合成柴油）以及其他能源载体（氨）的基础。
目前，大多数氢气用于工业领域，直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效原料、还原剂和高品质热源，其中炼油厂、氨生产、甲醇生产、钢铁生产消耗氢气比例分别为33%、27%、11%、3%。
从长远来看，氢能还可以广泛用于能源企业、交通运输、工业用户、商业建筑等领域。既可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道、交通、船舶等领域，降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖。还可以利用燃气轮机技术、燃料电池技术的进行发电，为家庭住宅、商业建筑等供暖供电。
氢作为潜在的交通燃料，一直以来都被视为石油和天然气的清洁替代品，氢动力系统因其零碳排放和广泛的适应性有望成为交通运输部门实现快速减排的少数选择之一。而今，氢能燃料电池用于交通运输领域，主要包括：道路运输，如小型汽车、公共汽车、卡车和其他货车；海事行业，如船舶、港口；铁路和航空；其他特殊领域，如救援车辆、深海装备等，相比于纯电动汽车，氢燃料电池汽车、卡车及叉车的燃料加注时间短、续航里程长。2019年，中国首列氢燃料电池有轨电车在佛山投运。
在住宅建筑领域中，75%的传统能源用于空间供暖、供热。未来，我国将利用氢燃料电池作为建筑、社区等供热，并与电力、热力等能源品种实现互联互补，从而提高能源的利用效率。虽然与应用较多的供热锅炉相比，此模式优势不够明显，但能够将供热方式从热电厂集中供热向分布式供热转变，可以解决热力管网、电网等基础设施建设的高额投资问题，是一种值得研究的发展思路。
此外，在满足供热需求的同时，氢能还可以承担部分负荷进行供电，如日本自2009年就已经开始推广家用燃料电池热电联供系统，普通家庭40%~60%的能源消耗可由此系统供给，商业化应用推广较为成功。现在，90%的氢用作工业原料，但这部分氢大多来源于化石燃料，未来工业用户的深度脱碳途径是利用可再生制氢来替代这部分氢气。制氢成本与碳排放成本是影响该用途进展的关键因素，可再生能源制氢的竞争力也能随之提升。
从世界能源发展的趋势看，预计新世纪制氢技术将和清洁煤转化、核能发电、太阳能发电、风能、水能发电及燃料电池发电形成系统。氢能主要作为清洁燃料为能源企业提供热量和电力，目前仍受限于较高的制氢成本，整体考虑系统年利用率及资本支出，氢能用于热电原料比例将会进一步提升。相比之下，氢能以储能的方式为电网提供平衡和灵活性的方法更有竞争力。氢能的开发与应用可望得到迅猛的发展，最终代替燃油在航空和汽车等方面得到应用。
