0、氢能应用场景分析
可再生能源通过水电解技术及后续合成工艺，将电力能源转化到液态或者气态H2化学能源的方法，其中绿色代表电力，紫色代表化学能源。作为能源转型的一项关键技术，电解水分解为氢气和氧气，是一个%无碳排放的过程，产生的氢气可以应用于其他领域。
图1绿氢全产业链图
通过分析，氢气应用场景主要有以下三类，分别为：
（1）交通：氢气可以通过燃料电池的方式为汽车提供动力。氢气作为原料可以合成绿色甲烷，绿色甲醇，绿色柴汽油或绿色航空燃油等燃油产品，这些燃油在现有的交通设备中能够立即使用。
（2）电力：现代燃气轮机可以使用氢气和天然气的混合气运行，氢气份额为5％到％。此外，氢气可以在燃气网中进行存储，运输，并在燃气轮机，内燃机或燃料电池发电厂中再发电。
（3）工业：工业对能源的需求大，氢气可以作为替代的绿色能源使用；氢气可实现钢铁行业的脱碳生产；氢气也可用作生产化学品，比如用作合成氨，食品中的氢化植物油等的生产。
氢气的使用场景丰富，从电力到供热，从炼钢到食品行业，未来随着碳中和战略的推进，氢气的使用率必将得到进一步地提升，尤其是在能源行业中，不管是作为化学燃料，还是作为可再生能源的储能物质。氢气在能源方面的使用技术已经得到了大量的研究，近些年来燃料电池的出现更是推动加快研究进展。
1、氢能源利用技术
（1）燃料电池
燃料电池是氢能源使用技术之一，燃料电池简称FC是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，具有能量转换效率高、无噪音、无污染的优点。
图2氢燃料电池
燃料电池按照燃料种类可以分为氢燃料电池（RFC），甲醇燃料电池（DMFC)等，按照电解质类型可以分为碱性燃料电池（AFC），质子交换膜燃料电池（PEMFC），磷酸燃料电池（PAFC），熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中PEMFC由于其较高的效率，无需高温操作的特点，发展最快，已经在道路交通上得到了大规模的应用。此外，国外一些微型的热电联产系统中，燃料电池也得到了大规模应用，目前占有最大的市场份额，在全球安装超过个系统
图3不同电解质类型燃料电池比较图
图片来源：网络图4燃料电池工作原理示意图
质子交换膜燃料电池的组成部件一般由双极板，气体扩散层、质子交换膜、催化剂四部分组成。其原理如下图所示，氢分子进入电池后通过扩散层达到催化层，在催化层上吸附解离形成*色的电子以及质子，质子穿过聚合物薄膜，电子则通过外部电路产生电能到达阴极，与阴极的氧分子和达到阴极的质子结合生成水。同时，这个放电的过程还会产生一定的热能。
（2）燃气轮机
在发电领域，燃气轮机发电机组较燃煤发电机组有着较大的优势，具有发电效率高、污染物排放低、建造周期短、占地面积小、耗水量少和运行调节灵活等特点。目前，燃气轮机电站发电量约占全球总发电量的23.1%，且这一数字还将持续增长；同时，燃气轮机发电机组也已经由F等级逐步升级到容量和发电效率更高的H/J等级，单机容量＞MW，燃气-蒸汽联合循环效率＞64%，远超目前最先进的超超临界火电机组45%～47%的热效率。燃气轮机还具有很好的负荷调节能力，单循环机组仅需15min左右就能从零负荷升到满负荷，很适合作为调峰调频机组。
图片来源：网络图5燃气轮机
燃气轮机可以掺氢发电，所以燃气轮机发电也可以是氢气调节可再生能源波动的重要手段。氢的低位热值为10.8MJ/m3(标准状态，下同)或MJ/kg。相比之下，纯甲烷的低位热值为35.8MJ/m3或50MJ/kg。氢的质量能量密度是甲烷的2倍，但从体积上看，氢的能量密度约为甲烷的三分之一，因此需要3倍体积的氢气提供与甲烷相同的热量。一般而言，特定燃烧系统匹配特定火焰速度范围的燃料，由于甲烷和氢气在火焰速度上的显著差异，用于甲烷或天然气的燃烧系统可能不适合用于高富氢燃料。典型的干式低排放燃烧系统可以适应少量的氢，但这些燃烧系统无法处理中、高富氢燃料。然用高富氢燃料需要为不同燃烧条件专门设计的燃烧室、新的燃烧辅助管道和阀门，以及可能需要升级燃机外壳和通风系统等。
实际应用层面，年以来，三菱日立电力系统公司(MHPS)、通用电气公司(GE)、西门子能源公司和安萨尔多能源公司等正在加速开发高比例氢燃料燃气轮机。年3月，MHPS从美国犹他州的山间电力局获得了两台MJAC燃气轮机订单，设计能够燃烧从30%氢气和70%天然气混合燃料过渡到%氢燃料。西门子能源团队在年2月就完成了燃气轮机改进，已经在德国进行了%氢燃料燃烧用燃气轮机原型机的试验。GE公司声称其开发的DLN2.6e燃烧系统有能力达到使用50%氢燃料混合物。安萨尔多已经开发了燃料灵活的SEV顺序燃烧系统平台，具有燃烧天然气和氢气混合燃料的能力。
表1燃机厂商氢燃料燃机研究进展
（3）内燃机
氢内燃机与汽油内燃机相比，氢内燃机具有输出功率高、热效率高以及节能环保的特点。气体也更加洁净，内燃机的整体经济性也会得到提升。因为氢气的火焰传播速度快(约为汽油火焰的6倍)，氢气在缸内的燃烧状态更接近理想状态，热效率更高。氢的自燃点更高，因此氢内燃机可以采用更高的压缩比，从而提高其热效率。
图片来源：网络图6氢内燃机
而氢内燃机相对于燃料电池，对氢气的纯度要求更低，动力装置可靠性更高。孙柏刚团队就氢内燃机展开了多方面的研究，研究了当量燃空比、点火提前角和热废气再循环对其NOx排放的影响和这些规律与转速的相关性；通过试验验证了利用富氧进气提高进气道喷射氢内燃机功率的可行性；展示了氢内燃机实现的可行性。
2、经济性分析
以燃油车和氢燃料电池汽车作为例子进行比较：对于使用氢气的燃料电池汽车而言，通常出行中，氢燃料电池车每消耗lkg氢可行驶.2km，而传统燃油汽车每消耗1kg汽油仅能行驶13.9km，在满足相同出行需求下汽油与氢的质量比为7.65:1，当汽油的价格为7～10元/kg时，对应氢价为53.5～76.5元/kg。在目前氢气售价60元/kg下，氢燃料电池汽车是有与燃油车竞争的能力。
但是，在基础设施和购置成本方面，两者相差巨大。一座加氢站的建设投资在0万元左右，是加油站的5倍以上。在车辆购置方面，丰田最新款的燃料电池汽车Miria售价在补贴后需要35万，而同级别的燃油车售价在20万元左右。而造成燃料电池汽车价格偏高的原因主要是电池电堆价格昂贵。目前国外燃料电池电堆通过规模化，可以将每千瓦造价降至0元人民币以内，而国内仍处在元左右。未来几年，随着国产核心零部件的规模化以及竞争加剧，电堆售价有望按照每年25%-30%的速度下降。
3、小结
目前，可再生能源利用的形式主要是发电，但并非所有的行业领域终端应用都采用电能形式（(终端电能利用低于30%)，许多方面需要化学燃料，例如化工、交通运输(陆运/海运/空运)、钢铁、水泥等。
绿色氢能是可再生能源的能量载体，是一种化学能，可以应用在上述诸多领域。利用风能、太阳能等可再生能源分解水制氢是将可再生能源转化为各种化学能的枢纽，在未来可再生能源转化利用中会起到关键作用，对于我国能源转型具有决定性意义。
把氢转变为能源的技术有三种：燃料电池、掺氢燃气轮机，氢内燃机。搭载燃料电池的氢车与燃油车相比已具备经济性。氢储能方面，与其他储能方式相比，氢储能的造价，生命周期还是整体效率都不占优势。但是氢储能在弥补不同季节可再生能源的差异性上具有优势，因其存储成本较低。所以氢储能的合理运用方式是和其他储能方式组合形成互补。目前氢储能经济性方面还不足，即使是用成本较低的燃气轮机代替氢燃料电池来发电。