氢能源的毕业论文

未来能源十步走 人类将摆脱对石油的依赖据7月号《大众科学》(注：中文版《科技新时代》)报道，石油价格一路上扬，“石油危机”成为目前最流行的词汇，很多人甚至产生了石油还够用多久的疑问？石油总有一天会耗尽，这毫无争议，但这并不意味着世界末日来临。以石油消耗大户美国为例，美国科学界从石油危机中看到的不是绝望，而是能源的复兴，他们认为，美国到了严肃地考虑从石油转换到清洁、可再生的能源的时候了，而美国已经具备了相关的技术，只要再进一步开发，美国将彻底摆脱对进口石油的依赖。一 利用风能地球上的化石能源(石油)终究是有限的，为了人类的持续性发展，必须找到其他可替代能源，而风能就是一个很好的选择。在美国科罗拉多州的博尔德南部的高原上的平旷地带，矗立着四排实验性涡轮机，这些机器在冰雪覆盖的洛矶山脉的映衬下更显得巍为壮观，150英尺的叶片在微风的吹拂下缓慢地旋转着。美国能源部可再生能源实验室的主工程师萨迪·布特菲尔德说：“如果你要选择一个商业涡轮机发电农场，你决不会看中这个地方。但这里却是一个完美的风能实验场地。因为在这里我们可以获得风速为每小时100英里的风能条件。我们通过在这种条件下的实验能很快地知道哪种设计应该淘汰。”1991年，一份政府有关风能的概论作出了如下结论：堪萨斯州、北达科他州和德克萨斯三州有着丰富的风力能源，仅这三个州的风能就可足够满足整个美国的能源需求。今天看来，这项报告不免有些估计过低了。在过去的20年中，风能的价格已经下降了85%，这在很大程度上归功于不断提升的涡轮机效率。政府还制定很多条令来鼓励民众购买利用风力所产生的电能，可以想见在不久的未来使用风力电能必成大势所趋。二 取消电网现有的输电系统是从能源中心通过电线向用户送电。这样做有很大一个缺点，那就是输电过程中会损失很多电能。所以更好的供电系统是“分布式发电”。可以在住处和工作地点附近利用风能和太阳能发电，做到自给自足。例如，可以利用地热系统给建筑物供暖和降温，利用屋顶上的太阳能电池提供电力，多余的电能还可以输送到当地的供电系统中，以零售价卖掉，这样还能获取一部分收益。这些措施简便易行，远好于建设发电厂和进口国外的能源。有人估计，一个这样的小型发电厂所需要的太阳能发电设备的造价可在四年内回收回来。既然有这么多的优点，何乐而不为呢？三 混合燃料汽车美国陆军宣布将开发一种使用新型混合燃料的“悍马”(Humvee)战车，它预示着混合燃料汽车的时代已经来临。混合燃料汽车通过内燃和电驱动，提高能源利用效率。今天混合型汽车已不再仅仅是陈列室中供人参观的样品，它已完全步入了实用阶段。这将大大削减汽油的使用量，汽车排放的尾气也将随之大幅减少。被称为插入式混合型电动车可以夜间在自家的车库中充电，夜间电费低廉，这样就节省了一项不小的开支。加州大学伯克利可再生能源实验室主任丹尼尔·卡门说：“如果在一夜间，美国的汽车全部被这种混合型汽车所取代，石油的消耗量将会下降70-90%，美国进口石油的时代将彻底结束，在未来多年中，美国的石油将完全可以自给自足。”四 制造质量更好的乙醇今年，美国汽车制造商将生产100万辆灵活燃料车，乙醇加油站的数量将增加三分之一，达到大约1000家。现在美国所生产的绝大多数乙醇是由玉米粒发酵而来，这个过程要消耗相当数量的化石燃料。丹尼尔·卡门将这种由基于玉米的乙醇看做是一种过渡型燃料，他说：“要想使用乙醇替代石油，防止全球进一步变暖，我们需要进行一次从玉米乙醇到纤维乙醇的大规模革新运动，纤维乙醇的原料可以有多种选择，柳枝稷、木片以及像玉米芯和玉米杆这样的农业废料都可以用做生产纤维乙醇的原料。现在用于制造乙醇的酶的造价很高，不过这个问题并不难解决。”白蚁后肠中的微生物可以将植物纤维素转化成碳水化合物，美国能源部联合基因组研究所主任艾迪·卢宾说：“我们正在测定那些微生物DNA序列，将来可以通过生物工程制造出新的机体来分泌这些酶。”这样我们就可以利用虫子的体液来驱动我们的汽车前进，摆脱了对化石能源的过度依赖。五 利用太阳能明年初，在洛杉矶东北部的一个沙漠农场中将会出现数十个巨大的凹镜。每个凹镜的直径为37英尺，这些凹镜通过电子控制可以自动跟踪太阳，将阳光反射到一个热量收集器上，热量收集器利用这些浓缩的阳光将氢加热到1，300华氏度，通过斯特林发动机驱动发电机发电。当世界上最大的太阳能农场完工后，在摩加伏沙漠4，500英亩的范围内将会布满大约2万个这样的凹镜收集太阳能，利用这些能量产生的电能将可以向287，000个家庭供电。每小时到达地球上的这些太阳能可以满足全世界一整年的电力需求。我们很久以来就已经知道如何利用太阳能来为加热空间和水，但将阳光转化为电能却存在很大困难。斯特林太阳能凹镜可以将30%的太阳能转化为电能，这是世界上将太阳能转化为电能效率最高的一种技术。科学家希望通过技术改进可以使这个转化率提高至50%。其他的能量企业家还有更为远大的设想。美国航空航天局的科学家一直以来梦想有一天能在太空中利用太阳能发电，然后通过微波将能量将能量输送到各个家庭。随着科学的不断进步，终有一天这个设想一定可以变为现实。六 制造氢能源氢能源的潜力巨大，但将其他物质转化为氢并不件容易的事。自然界中不存在纯氢燃料，今天最制造氢最便宜的方式是通过石油或天然气获得，但这并不能避免产生二氧化碳。氢燃料电池的效率是内燃机的二倍多。在冰岛，丰富的可再生能源使氢经济的产生成为可能。在美国，未来的某天可以利用多余的风能来生产氢燃料。研究人员还可以利用基因工程来制造出有生物来直接将太阳转化为氢。七 利用海浪能发电美国的海岸线的海洋蕴含着巨大的能量，其中大约有八分之一可以开发利用，同时还不会污染环境。这些可利用能源总量相当于我们现在所有的水力发电厂发电的能量总和。在可利用能源这个竞技场中，欧洲一直走在世界的前列。今年夏天，在葡萄牙，工作人员正在安装一种海岸波浪能转化器。这种蛇状的钢管一半浸于水中，一般露出水面，一直向远海方向延伸了3英里。至2008年这种装置将可以为大约15，000个家庭供电。波浪能的优点是它的能量密度是风能的10至40倍。目前潮汐涡轮机技术发展迅猛，这无疑为波浪能的利用铺平了道路。今年夏天，在纽约东河的水下的六个涡轮机在河流潮汐流的驱动下将开始投入发电。缓慢旋转的推进器第一年将会产生525，000千瓦时的能量。为期18个月的试验表明，布设足够多的涡轮机将可以为8，000户家庭供电。虽然它现在的发电能力有限，但它毕竟代表着未来的能源的一种发展方向，这是件激动人心的事情。这将是世界首个产能潮汐涡轮机农场，这种样机将可以为我们提供稳定的无污染能源。维吉尼亚的海洋学家乔治·哈格曼说：“我们可以称它为月亮能，风时有时无，但从现在开始至未来的1000年，月亮和潮汐会始终存在。”八 向地下要能源美国地热能协会执行理事卡尔·格威尔说：“在德克萨斯州西部废弃的油井中冒上来的热水中含有5，000兆瓦的地热能。现在因为没有加以利用，这些能量正在被白白浪费掉，现在我们对这种能量使用的能力远超过了我们对这种技术的实际使用。”地热能可以被用来发电或给建筑物供热。夏威夷、阿拉斯加以及西部各州都分布有丰富的地热能。可以利用温度为160华氏度水温的地热水库发电。一些公司正在开发德克萨斯州、阿肯色州、佐治亚州和西维吉尼亚州的低温热泉，一旦开发成功，将可以使美国地热发电能力在未来4至5年的时间翻一番。九 开发垃圾燃气自旧石器时代，我们就一直在燃烧生物物质，当时人们利用燃烧木头来给山洞供暖，烧烤大型动物的肉。今天绝大多数的生物质能量仍来源于木材，但现在我们要做的是怎样利用这些农业废料和草本植物来发电。这些物质与化石燃料一样，燃烧时会产生二氧化碳。但生物质燃烧时释放的二氧化碳何以通过其生长时吸收二氧化碳获得平衡。在所有的新技术中，气化或许是最具潜力的一种。气化系统在低氧环境中通过极度高热将农业废料或任何一种生物质转化为氢和二氧化碳的混合气体，这种气体可以在锅炉中燃烧，或可以替代涡轮机中的天然气，这些气体可以被用来驱动蒸汽涡轮机进行二次性发电，整个过程中产生的多余热量还可以用来给建筑物和整个城镇供热。十 节能从我做起回想上世纪70年代，所谓的节能就是关灯。《家庭能源饮食》一书的作者保罗·舒基尔表示，今天，随着科技的发展，我们节约能源可以充分利用技术优势。现在，美国平均每1美元的经济产出所消耗的能源比30年前减少了47%。令人遗憾的是，由于输送电力的效率有待提高，所以，大量能源在抵达每一个家庭和办公室之前就被浪费了。对此，消费者无能为力，但他们可以从我做起，在自己的家中或办公室里有意识地节约能源。最清洁最廉价的能源就是不用能源。

在百度文库中有

日本氢能源汽车发展不是很乐观

连丰田都没法明确氢燃料电池能不能变成将来流行，大部分汽车企业全是战略科学研究和试产，保证关键技术领域不脱队罢了。

氢燃料电池缺点

最先，氢的贮运较难：由于氢分子是最少的分子结构，再密闭式的器皿也难保不容易轻度泄露，仅仅能够操纵到泄露量几乎为零，不危害应用。可是所投入的成本费是极大的。

压力容器成本费也不低，我觉得有关科学研究原材料觉得髙压氢罐最少要做35MPa，丰田用的是70MPa三层构造。除开压力容器之外，与氢罐连接的闸阀、管道等规定也比别的燃料高得多。使用期限不太清晰，但可能维修保养成本费要高许多 。

第二，铂金属催化剂成本增加： 三元锂电池常用的金属催化剂原材料里边，主要是镍钴锰（NCM）或镍钴铝（NCA），实际上钴的使用量是非常少的（占有率10%上下），但如今钴的价格一路暴涨。关键缘故便是锂电生产量极大，因此 就算单独充电电池钴的使用量非常少，但吃不住充电电池多。

因此 大伙儿都是在往无钴充电电池方位科学研究。氢燃料电池里边我看到一些毕业论文也在科学研究取代铂的金属催化剂，终究铂太贵了，比钴贵得多，这或是现阶段使用量不大的状况下。倘若氢燃料电池很多生产制造，那铂的价钱不清楚要高去哪里了。

第三，电力能源成本费也高： 例如车用汽油的热值是，天然气（甲烷气体）的热值是78MJ/Kg，氢气的热值是，如今汽油油价依照7元每升测算好啦，1公斤元（依照92汽油相对密度测算），天然气价钱依照商业气价钱元一立方米，1公斤元（依照天然气测算），氢气价钱1公斤40元，依照等比热值测算，车用汽油每MJ热值成本费0.两元，天然气每MJ热值成本费元，氢气每MJ热值成本费元。

氢能的优点基本上仅有燃料电池这一个行业，在别的行业而言天然气（CH4）彻底能够完爆氢能。生产制造1立方氢气必须度电，每度电依照规范碳排放量大约，也就是1立方米氢气大概碳排放量是，而1立方氢气才90g。天然气是一次能源，造成全过程全是有机化合物化学变化，没有碳排放量，点燃时每Kg碳排放量是，也就是每90g的天然气碳排放量是。

90g氢气的热值是，90g天然气热值是7MJ。 那麼同样热值下氢气的碳排放量是天然气的16倍 ，何况汽化的氢气的温度比天然气低，存取时间比天然气低，就代表着氢气的贮运成本费比天然气高。

行业主要上市公司：美锦能源(000723);厚普股份(300471);中国石化(600028);卫星化学(002648);嘉化能源(600273);亿华通(688339)等

本文核心数据：氢能源板块上市公司研发费用;氢能源相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“hydrogen energy”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月17日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

氢能技术概况

1、氢能源的界定及分类

(1)氢能源的界定

氢能是氢在物理与化学变化过程中释放的能量。氢能是氢的化学能，氢在是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，储量丰富。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，随着世界范围内对绿色经济发展重视程度的提升，氢能源的需求和应用领域不断扩展。

(2)氢能源的分类

按照氢气的来源，通常将氢能源分为三类，即灰氢、蓝氢和绿氢。

2、技术全景图：四大环节构成

氢能产业主要由制氢、储氢、运氢、加氢和用氢四大环节构成。为发挥氢能重要能源载体作用，需大力推动氢能产业每个环节的技术发展。其中电解水制氢、液态/固态储氢、液态有机储氢、氢燃料电池等先进技术研究对氢能产业规模化应用具有重要意义。

氢能产业技术发展历程：始于上世纪50年代

中国的氢能与燃料电池技术研究始于上世纪50年代。20世纪80年代以来，相继启动了863计划和973计划，加速以研究为基础的技术商业化项目，氢能和燃料电池均被纳入其中。“十三五”期间，氢能与燃料电池开始步入快车道。2016年以来相继发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》、《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》、《中国制造2025》等顶层规划。2019年两会期间，氢能首次写入政府工作报告。2020年4月，氢能被写入《中华人民共和国能源法》(征求意见稿)。2021年，“十四五”规划指出要在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。2022年发布第一个氢能源专项规划——《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》，为中国氢能源产业发展作为指引。

氢能产业技术政策背景：政策加持技术水平提升

近些年来，我国提出了一系列氢能产业技术发展相关政策，包括氢气制备、储运、应用和燃料电池等关键技术，使得氢能产业技术水平稳步提升。

氢能产业技术发展现状

1、氢能产业技术科研投入现状

(1)国家重点专项

为推进氢能技术发展及产业化，国家重点研发计划启动实施“氢能技术”重点专项。2018-2022年，“氢能技术”重点专项数量逐年增加。2018年仅9项技术专项，到2022年，“氢能技术”重点专项围绕氢能绿色制取与规模转存体系、氢能安全存储与快速输配体系、氢能便捷改质与高效动力系统及“氢能万家”综合示范4个技术方向，拟启动24项重点专项。

(2)A股上市企业研发费用

目前，中国氢能市场正处于发展初期，行业整体研发投入水平不算太高。从A股市场来看，2017-2021年，我国氢能源板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，氢能源板块上市公司研发总费用约亿元。

2、氢能产业技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从氢能相关论文发表数量来看，2010年至今我国氢能相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见氢能科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有80825篇氢能相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解氢能产业技术领域内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中最近5000条专利中最常见的关键词，其中，催化剂、燃料电池、制氢系统、电解水、电解槽等关键词涉及的专利数量较多，说明氢能领域近期的研发和创新重点集中于燃料电池和制氢等领域。

(3)专利聚焦领域

从氢能专利聚焦的领域看，目前氢能产业专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于催化剂、燃料电池、制氢系统、电解水、电解槽等。

注：图中格子数量表示每家公司的专利覆盖率，每个格子代表相同数量的专利。

主要氢能产业环节技术分析

1、前端制氢环节：可再生能源电解制氢是氢源终极方案

制氢环节技术主要包括化石能源制氢和可再生能源制氢。其中，利用化石能源制氢并未摆脱能源对石油、煤炭和天然气的依赖，仍会产生大量碳排放;即使是加上CCUS捕集制备的蓝氢，一旦甲烷在制备过程中发生泄漏，对气候的影响比碳排放更大。而利用可再生能源进行电解水制氢，生产过程基本不会产生温室气体。

2、中端储运氢环节：固态储运安全性更好

储运氢气的方式主要分为气态储运、液态储运和固态储运。相比于气氢储运和液氢储运，固态储运在安全性方面优势明显。

3、后端加氢及氢燃料电池

(1)加氢：站内制氢成本优势大

加氢基础设施是氢能利用和发展的中枢环节，是氢能产业发展的核心配套设施。根据氢气来源不同，加氢站可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站。相较于外供氢而言，站内制氢能够大幅减小氢气的运输成本。

(2)氢燃料电池：质子交换膜燃料电池是主流发展方向

按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、硝酸型燃料电池、碳酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池是当前燃料电池的主流技术发展方向。

氢能产业技术发展痛点及突破

1、氢能产业技术发展痛点

(1)高成本是制约氢能大规模发展的关键

当前，经济性为氢能产业发展最大的挑战因素，即使是成本相对较低的氢气($)，除了转化成氨用作肥料以外，绝大多数氢能应用场景都比现有化石能源技术昂贵。解决氢能产业在绿氢制备、储运氢、加氢站建设、燃料电池电堆等关键环节的经济性问题，是未来氢能大规模发展必须要攻克的一道难题。

(2)制氢技术：先进电解技术发展不成熟

目前国内电解水制氢的成熟技术为碱性电解水制氢技术，碱性水电解槽难以响应瞬态负载，因而难以与波动大的可再生电力配合。另外，PEM电解水制氢技术也面临着匹配可再生能源电力而进行的电解槽设计、控制技术以及电源系统设计等尚不成熟的局面。

2、氢能产业技术发展突破

(1)先进电解技术：PEM电解槽设计改进突破

PEM电解槽设计改进策略方向包括更轻更稳定的端板和双极板、经济且耐腐蚀的集电器等。据Yagya N Regmi博士的研究小组研究发现，PEM电解中发生不含铂族金属催化的析氧反应在短期内是无法实现的，因此，尽可能使铱的质量活性最大化才是目前的可行策略。

(2)氢能储运：固态储氢和潜液式液氢泵突破储运氢技术瓶颈

氢能储运技术突破在于提高储氢密度和安全性，以及降低运输成本。固态储氢是利用物理或化学吸附将氢气储存在固体材料之中。固态储氢具有体积储氢密度高、安全性更好的优势，因此是一种有前景的储氢方式。因此，固态储氢得到了越来越多的研究和关注，主要工作集中在储氢材料的研发与改性等方面。以氢枫能源的镁基固态储氢为例，镁基固态储氢具有资源、性能及技术优势。

液氢泵为液氢储运的重要部件，用于对液体氢气进行传输分配。从氢能全产业链来看，氢气输配成本和初始资本支出为降本的最主要环节。潜液式液氢泵取代了外置泵，减少了氢蒸发，去掉了气氢压缩机;且用液氢的冷源省去制冷系统。此外，潜液式液氢泵大流量液氢泵直接加注，不用高压储罐，去除级联储存;最终的结果是减少初始投资和运行成本，使氢气的售价与汽油、柴油比肩。

氢能产业技术发展方向及趋势：氢能各环节技术加快突破

氢能供应体系发展路径以实现绿色经济高效便捷的氢能供应体系为目标，中国将在氢的制储运加各环节上逐渐突破。从长远看，随着用氢需求的扩大，结合可再生能源的分布式制氢加氢一体站、经济高效的集中式制氢、液氢等多种储运路径并行的方案将会是主要的发展方向。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《氢能产业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。