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常州GDP突破万亿，敢想敢干建设“新能源之都”是首功。当然，赢得起跑卡位的第一棒才是万里长征第一步。氢能作为“21世纪的终极能源”，超前布局氢能行业，常州正当时。因此我们把该系列的第一个主题定为“氢能”。
其实，氢气的发现和研究，最早可以追溯到两百多年前，说是个“老古董”也不为过。在这一过程中，制氢、储氢、用氢的研究成果交相辉映，现代氢工业就此孕育。在卡文迪许等众多科学家研究并分离出氢气后，拉瓦锡在1787年正式提出，氢是一种独立的元素，并为之命名。此时，人们已经发现用水蒸气和铁在高温下反应及电解水两种方法制备氢气。1801年，法国科学家汉弗莱·戴维首次描述了燃料电池的概念。同年，物理学家格罗夫将两个铂电极的一端浸没于硫酸溶液中，另一端分别置于氢气和氧气中，可以检测到铂电极之间微小的电流，格罗夫称这种电池为“气体电池”，这也是燃料电池的雏形，而此时距离汽车问世还有几十年。
图1：格罗夫手稿中的燃料电池雏形
（资料来源：历史资料)
01
氯碱工业的发端
英国化学家克鲁克尚克还曾尝试用伏打电堆电解食盐水，并在阴极检测到氢氧化钠，但当时的伏打电堆很不稳定。由于没有稳定的电源，他没有进一步研究。到了1867年，大功率直流发电机研制成功，1890年，使用隔膜法的电解食盐水逐渐走向工业化，这是氯碱工业生产工业副产氢的开始。
由实验室转向工业实用领域
1895年，英国科学家威廉·雅克制作了一个由单电池组成的1.5千瓦的电堆和一个约30千瓦的电堆，阴极使用通入空气的圆柱形铁罐做电池，阳极使用碳棒，以熔融氢氧化钾作为电解质，获得了良好的电池性能。这标志着氢燃料电池开始由实验室转向工业实用领域。然而，这些燃料电池存在内阻高、稳定性差等问题，经济作用依然有限。随后，科学家们尝试了多种电解质和交换膜，如熔融碳酸盐、聚苯乙烯离子交换膜等来提升性能。1898年，苏格兰化学家詹姆斯·杜瓦成功将氢气液化，并将液氢储存在他自己发明的杜瓦瓶中。
燃料电池的军用与商用
到了20世纪60年代，美国航空航天管理局（NASA）着手将燃料电池应用在阿波罗登月飞船，作为辅助电源，标志着燃料电池开始转入军用阶段应用。
图2：阿波罗11号使用的燃料电池
（资料来源：美国国家航空航天博物馆)
1966年，通用汽车公司推出了第一台氢燃料电池车Electrovan。车上共集成了燃料电池模块32个，最大速度为70mph，续航里程为100-150英里。Electrovan最大功率为160kW，实际稳定运行的额定功率为32kW，氢耗大概在每千瓦时0.4-1.0kg氢气（现代的燃料电池车额定功率普遍为100-200kW）。Electrovan的启动包括外部能源检查、气体泄漏检验、氩气吹扫、氢气回路激活等流程，全部执行完毕通常需花费3个小时。
图3：通用汽车公司推出的Electrovan
（资料来源：TOPSPEED网站)
在20世纪早期，人们多采用碱性电解水（ALK）来生产氨类氮肥所需要的氢气。到20世纪60年代，通用电气公司开始研发质子交换膜（PEM）电解水。到了1983年，加拿大的巴拉德公司研发PEM燃料电池也获得了重大突破，并在1992年-1994年间成功研制全尺寸的PEM燃料电池系统，并与戴姆勒奔驰合作，共同开发紧凑型高能量密度燃料电池反应堆。1997年，巴拉德公司向芝加哥交通管理局交付了3辆使用燃料电池的巴士，这是史上首款投入运营的燃料电池巴士。1999年，奔驰与巴拉德共同推出燃料电池原型车，单辆制造成本约35万美元。巴拉德公司至今仍是燃料电池领域巨头。目光回到国内，尽管我国氢能发展较晚，但奋起直追，势头迅猛。
国内的有关研究最早可以追溯到上世纪50年代的中科院大连化学物理研究所。改革开放后，国家“863”计划和“973”计划均提到加速以研究为基础的技术商业化项目，其中就包括氢能和燃料电池。2006年，科技部发布《国家“十一五”科学技术发展规划》，正式将氢能与燃料电池写入国家发展规划，这是国家首次提出对于氢能的政策性指导。
抢跑氢能新时代，国内外均发布了大量政策高度支持氢能产业。国内来看，2019年，氢能相关内容首次写入政府工作报告，明确提出加速充电、加氢等基础设施建设。国内早期政策多聚焦于鼓励氢燃料电池、制储运氢等前沿技术的研发。在2020年初氢能被正式纳入我国能源战略体系后，可再生能源制氢受到了高度重视，国家高度细化了针对绿氢的指示和规划。2022年3月，多部门联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确提出支持氢能全产业链发展。另外，近年来也有越来越多地方政府明确提出支持氢能发展的政策。2023年6月，国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》，提出要推进可再生能源制氢技术的规模化应用，大力发展零排放技术绿氢制取。2023年8月，国家标准委等部门联合发布《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》，要求重点加快制修订氢品质检测、氢安全、可再生能源电解水制氢、高压储氢容器、车载储氢气瓶、氢液化装备等多方面标准。
世界其他主要经济体也公布了类似政策。例如，欧盟委员会在2023年2月公布了可再生氢气详细规则，通过了《可再生能源指令》要求的两项授权法案。2023年6月，美国能源部（DOE）发布了《美国国家清洁氢战略和路线图》，确定了美国氢能发展的战略方向。日本的氢能规划较早，在2017年就制定了国家级《氢基本战略》，并在2023年6月在氢和可再生能源的相关阁僚会议上决议对该战略进行修订，从需求、供给两方面大规模普及氢能应用。
在下一期，我们将继续梳理氢能的特点，探讨氢气究竟有哪些独特的地方可以支撑其需求逻辑。
文字|陈泽源
编辑|陈泽源
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