雙碳大背景下，氫能作為一種儲量大、污染小、熱值高、可再生的清潔能源，為各行業脫碳提供了重要途徑，目前氫能的應用已經滲透到傳統能源的各個方面，主要應用在交通和工業領域，同時，氫能在建筑、發電、軍事等領域也有廣泛應用。氫能在交通領域可作為燃料電池的燃料用于氫燃料電池乘用車、公交車等，在工業領域可替代傳統參與化工行業的多個環節，在建筑領域可代替傳統燃料進行供暖，在發電領域可通過燃料電池將氫能轉化成電能。

一、交通領域

交通領域是目前氫能應用相對比較成熟的領域，氫能源在交通領域的應用包括公路、鐵路、航空和海運等，其中，氫燃料電池汽車是氫能源在交通領域的主要應用手段。

1、公路

近年來，中國氫燃料電池汽車發展迅速，目前以氫氣作為汽車能源的方式有兩種，一種是氫氣作為燃料供內燃機燃燒，就是氫內燃機，另一種是現在主流的氫燃料電池技術，主要是利用質子交換膜和催化劑，讓氫氣和氧氣發生電化學反應，產生電流并生成水，電流經過逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，驅動汽車前進。

與純電動汽車和傳統燃油車相比，燃料電池汽車具有溫室氣體排放低、燃料加注時間短、續航里程高等優點，較適用于中長距離或重載運輸，當前燃料電池汽車產業政策也優先支持商用車發展，現階段國內燃料車以客車和重卡等商用車為主，乘用車主要用來租賃。但是，從當前的發展狀況看，氫動力車距離大規模的產業化應用還有很長距離，車用氫燃料電池關鍵核心技術，以及制氫、儲氫、加氫等核心技術面臨的問題很大程度上限制了氫能源汽車在市場上的大規模推廣。

不過，日后，隨著工藝技術不斷成熟，燃料電池汽車成本有很大下降空間，曾有媒體推斷，燃料電池系統的成本將從2015年的30,200美元/輛降低到2030年的4,300美元/輛，單位成本則有望從2015年的380美元/千瓦時降低到2030 年的54美元/千瓦時，降幅為86%，是推動氫燃料汽車成本下降的主要動力。

燃料電池車適合重型和長途運輸，在行駛里程要求高、載重量大的市場中更具競爭力，未來發展方向為重型卡車、長途運輸乘用車等，中國氫能聯盟研究院預測，到2030年我國燃料電池車產量有望達到62萬輛/年。

2、鐵路

氫能在鐵路交通領域的應用主要是與燃料電池結合構成動力系統，替代傳統的內燃機。

與傳統柴油火車相比，氫動力火車主要具有以下優點：

1. 零排放：氫能源列車在運行過程中只排放水蒸氣，并不產生任何溫室效應或者空氣污染物；

2. 可持續：如果氫氣是通過可再生能源（如太陽能、風能）電解水制取的話，那么整個過程就是完全清潔和可持續的；

3. 運行效率高：氫能源列車利用燃料電池將化學能直接轉化為電能，并通過外部回路驅動牽引電機等設備工作，避免了傳統發電方式中由于燃料燃燒、蒸汽渦輪、發電機等多個環節所造成的大量能量損耗，而且燃料電池還可以利用制動回饋技術將制動時產生的動能轉化為電能儲存起來；

4. 運營成本降低：氫能源列車不需要依賴于線路牽引供電系統，這樣就省去了鋪設和維護接觸網或者第三軌等設施所需的巨額投資，而且由于氫氣具有較高的儲能密度，一次加注就可以支持長時間長距離地行駛，這樣就減少了充換電站或者換乘站點等基礎設施建設和運營費用；

5. 安全性高：現代技術已經可以保證氫氣在儲存、輸送和使用過程中達到高標準的安全性要求，由于沒有火花塞或者火焰等高溫元件，在碰撞事故中也不會引起火災或者爆炸。

但是現階段發展氫動力火車也存在一些挑戰，一方面，氫燃料電池電堆成本高于傳統內燃機，組成氫動力系統后（含儲氫和散熱系統等）成本將進一步增加，搭載氫能源系統的車輛成本較高。另一方面，由于技術不成熟、需求少等因素，目前加氫站等氫能源基礎設施的建設尚不完善。

3、航空

航空業碳排量主要來自于化石能源燃燒，氫能可以減少航空業對原油的依賴，減少溫室及有害氣體排放。

目前，航空領域利用氫能提供動力的技術路線主要有3種：

1. 使用氫燃料電池通過化學反應產生電能，為電動機提供電力；

2. 通過氫燃料在燃燒室內燃燒，推動渦輪并帶動風扇產生推力；

3. 通過點燃更大流量的氫氣以驅動渦輪、產生動力，從而使發動機獲得更大的功率密度。

前兩種技術路線功率密度較小更適用于小型飛機，對于更大重量的民航客機一般選擇第三種技術路線，但三種路線都需要解決液氫或氣氫儲存、輸送、安全等問題。

今年3月，國內首款氫燃料內燃機飛機驗證機在沈陽某機場完成首飛。此飛機搭載了一汽集團研發的2.0L零排放增壓直噴氫內燃機，使用高壓氣態儲氫，儲氫重量4.5kg，巡航速度180km/h，氫內燃機最大熱效率大于43%，綜合熱效率大于40%，留空時間大于1小時。

這款飛機是國內自主研發制造的第一架以氫內燃機為動力的通航飛機，其成功起飛意味著中國在航空領域氫能應用上踏出了堅實的一步。

根據中國科學院《中國碳達峰碳中和路徑與政策建議》報告，到2050年，我國民用航空運輸量將達到2019年的4.5倍，碳排放量將達到2019年的2.5倍。如果采用氫動力飛機替代傳統飛機，可以使碳排放量降低50%以上。

由此看來，氫能航空的發展已是大勢所趨，但是氫動力飛機的商業化落地仍存在諸多挑戰。

一方面，綠氫高昂的生產成本，讓其在飛行上高出傳統石化燃料的使用成本很多，難以形成大規模商業化應用，另一方面，氫動力飛機需要新的地面設施，氫氣的儲存、運輸、加注等各環節都需要開發與建設，此外，在氫能市場運行與監管制度上，各國沒有統一的標準，這樣的情況下，氫能航空發展也會被拖慢。

4、航運

航運業的碳減排主要取決于氫、氨等新型低碳技術和燃料的開發及商業化，氫動力船舶基于燃料電池的氫能應用模式，兼顧能源高效利用、零排放、船舶舒適度提升，可以適應未來綠色船舶市場需求，并且具有廣闊應用前景。

通過氫燃料電池技術可實現內河和沿海船運電氣化，通過生物燃料或零碳氫氣合成氨等新型燃料可實現遠洋船運脫碳。我國部分企業和機構基于國產化氫能和燃料電池技術進步相繼啟動了氫動力船舶研制。

現階段，氫動力船舶通常用于湖泊、內河、近海等場景，以客船、渡船、內河貨船、拖輪等類型為主；海上工程船、海上滾裝船、超級游艇等大型氫動力船舶研制是當前的國際趨勢，采用氫燃料電池動力系統同樣具有良好前景。

總體而言，氫動力船舶整體處于前期探索階段，相關技術尚未成熟，發展氫動力船仍有多項技術需要突破，如高效低碳的氫氣制取技術、大規模低成本的氫氣運輸技術、船舶大容量儲氫技術、船舶氫內燃機技術、船舶多能源協同控制技術等。

二、工業領域

1、石油化工

我國石化化工領域主要涉氫的行業包括煤化工、天然氣化工、石油化工、焦爐氣化工、氯堿化工、精細化工等，主要產品有合成氨、過氧化氫(雙氧水)等無機化工產品，甲醇、烯烴、乙二醇等有機化工產品，成品油、合成天然氣等能源化工產品，還有多種精細化工、化工新材料等產品。

化工行業當中，大部分氫氣用于加氫處理、加氫裂化和脫硫，由于優質低硫燃料的需求激增，以及輕質低硫燃油的減少，氫的需求量在不斷增長。過去氫氣本身是化工的副產品之一，然而現在需量增加，導致供需失衡，石化工業目前也在采取天然氣為原料進行氫氣的制備。

該領域氫氣需求的增多，能夠以規模效益來降低氫氣供應鏈成本，另一方面氫氣可作為燃料和化工原料幫助工業實現減碳，目前，化工行業用氫主要依賴化石能源、工業副產物制取，未來通過低碳綠氫替代應用潛力巨大。

目前國內已有化工行業應用綠氫的示范項目陸續落地，例如寶豐能源在寧東建立的全國最大光伏制氫耦合煤化工項目，每年可減少煤炭資源消耗約38萬噸、二氧化碳排放約66萬噸、化工裝置碳排放總量的5%。有機構推算，到2030年，中國化工行業可再生氫消費量將達到376萬噸，是中國最大的可再生氫需求市場。

2、鋼鐵工業

氫在鋼鐵行業可應用于氫冶金、燃料等多個方面，以氫冶金規模最大。氫冶金通過使用氫氣代替碳在冶金過程中的還原作用，從而實現源頭降碳，是鋼鐵行業實現雙碳目標的革命性技術。

氫冶金技術分為高爐氫冶金和非高爐氫冶金兩個大類。高爐氫冶金是指通過在高爐中噴吹氫氣或富氫氣體替代部分碳還原反應實現“部分氫冶金”，非高爐氫冶金技術以氣基豎爐法為主流。目前我國豎爐氫冶金技術處于起步階段，同時受氫氣制備和儲運、高品質精礦等條件制約，距離大規模應用和全生命周期深度降碳仍有一定距離。

2022年2月，工信部、國家發改委、生態環境部聯合發布《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》，指出將制定氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術研發應用。

從長期發展趨勢來看，利用可再生氫的低碳冶煉技術將成為鋼鐵行業完全脫碳最關鍵、最具前景的解決方案之一。

3、綠色甲醇

根據生產工藝不同，甲醇可分為黑色甲醇、灰色甲醇、藍色甲醇以及綠色甲醇。黑色甲醇是以煤炭為原料，灰色甲醇是以天然氣為原料，藍色甲醇是從廢水、工業副產品中生產。綠色甲醇可通過多種方式生產，涵蓋生物質甲醇、e-甲醇、液態陽光甲醇等，總的來說是以生物質為原料，在生產過程中使用綠電。其中，液態陽光甲醇是利用光伏、風電、水電等清潔能源耦合CO2制取。每生產1噸甲醇可轉化CO2 1.375噸。目前全球綠色甲醇市場仍處于發展初期，行業產能較少，在全球甲醇市場的占比不足百分之一。

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三、建筑供熱

氫能可以與天然氣混合，通過現有的天然氣管網輸送到建筑終端，用于供暖、熱水、烹飪等。氫能也可以通過燃料電池為建筑提供電力和熱力，實現熱電聯供，提高能源效率和可靠性。

從技術或經濟角度分析，氫能與建筑一體化有以下優點：

1. 提高能源使用效率，氫能為建筑供電的同時，可將燃料電池產生的余熱用于建筑供熱，綜合能源利用效率可達95%；

2. 電網停電時不會影響室內照明，同時可保障手機和電腦等低功耗設備的供電，保障日常生活持續的熱水供應和冬季地暖供熱，保障家庭應急供能；

3. 可再生能源發電或太陽能光伏發電直接電解水制造氫氣，氫氣通過管道輸送至氫能建筑，通過分布式燃料電池為氫能建筑提供電力和熱力，每年二氧化碳排放量減少1.3Mt。

四、電力系統

氫能源在電力領域的用途包括發電、儲能、遠距離傳輸和供應電力等。氫氣可以通過氫能源發電廠將氫氣轉化為電能，同時還可以通過太陽能電池板將氫能轉化為電能，或者通過燃料電池將氫能轉化為電能。

氫能發電可以用來解決電網削峰填谷、新能源穩定并網問題，還可以提高可再生能源所發電力并網的穩定性和電力系統安全性、靈活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氫燃料電池發電技術與新能源耦合發電技術，使用燃料電池發電技術，可以減少對煤炭的使用，減少CO2的排放，且發電效率很高。

氫能既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械功，又可以作為原料應用于燃料電池，還可以轉換成同態氫用作結構材料例。

20世紀70年代以來，美國和日本等發達國家加快了氫能發電技術的研究步伐，目前，通過氫能發電在部分發達國家已經陸續進入了建設試點的階段。

五、軍事領域

氫能源在軍事領域有廣泛的應用，尤其是氫燃料電池應用于，可以提供靜謐性和高效能，這對于實現的隱身至關重要。此外，氫能源也可以用于產生持續電流，提高能量轉換率，從而實現更高效的推進效果。

例如，德國制造的212 A型常規就采用了燃料電池和柴電動力聯合推進系統, 據報道該型的水中連續潛航就能達到2~3周。