氢气教学课件

氢气教学课件欢迎来到氢气教学课件本课件全面覆盖氢气的基础知识、物理化学性质、制备方法、储运技术以及在现代社会中的广泛应用无论您是初中学生、高中生还是对科学有兴趣的公众，这份教学资料都将为您提供系统而深入的氢气知识我们将从基础理论出发，逐步探索氢能源在应对气候变化和能源转型中的重要角色让我们一起踏上探索这个宇宙中最丰富、最轻元素的奇妙旅程！什么是氢气？氢元素基本信息氢气分子特性₂氢是元素周期表中的第一个元素，原子序数为1，也是宇宙中氢气分子由两个氢原子通过共价键结合而成，分子式为H含量最高的元素，约占宇宙总质量的75%太阳和其他恒星主每个氢原子含有一个质子和一个电子，通过共享电子对形成稳要由氢构成，通过核聚变反应释放巨大能量定的分子结构₂在标准状态下，氢以双原子分子H形式存在，是自然界中最作为最轻的气体，氢气在标准条件下（0℃，1个大气压）的密轻的气体，密度仅为空气的1/14这种极低的密度使其在地球度仅为

0.0899g/L，这一特性使其在航空、气球等领域具有潜大气中难以积累，大部分氢气上升到大气层顶部并逐渐逃逸到在应用价值，同时也带来了储存和运输方面的挑战太空中氢气的发现史1早期观察（1500-1700年）早在16世纪，欧洲炼金术士就观察到某些金属与酸反应会产生可燃气体，但并未确认其性质帕拉塞尔苏斯记录了铁与硫酸反应产生的可燃空气现象2正式发现（1766年）英国科学家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）在1766年首次分离并确认了氢气的存在他通过金属与酸反应制得这种气体，并发现它极其轻盈且可燃烧卡文迪什最初称之为可燃空气3命名与确认（1783年）法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier）确定这种气体燃烧会产生水，因此将其命名为氢（Hydrogen），源自希腊语hydro（水）和genes（生成），意为产生水的物质4工业应用（19世纪）19世纪初，氢气开始在工业上得到应用，包括气球升空、灯具照明等随着哈伯-博世工艺的发展，氢气在氨合成中的应用奠定了现代氢气工业的基础氢气的物理性质基本物理参数扩散与渗透性·无色、无味、无臭的气体·扩散速率极高，约为空气的4倍·密度极低

0.0899g/L（0℃,1atm）·能渗透多种材料，包括某些金属·熔点-

259.14℃（

14.01K）·导热系数高，热传导效率好·沸点-

252.87℃（

20.28K）液态与固态氢溶解特性·液态氢呈浅蓝色，密度为

70.8g/L·在水中溶解度极低（约

0.0016g/kg）·液化需极低温度（-253℃以下）·在某些金属（钯、铂等）中溶解度高·固态氢为白色晶体，密度约86g/L·极低温液态中可溶解多种气体氢气的化学性质强烈的可燃性氢气在空气中的燃烧范围广泛（4%-75%），点燃能量极低，最小点火能仅为

0.02mJ燃烧时火焰呈淡蓝色，温度可达2000℃以上，燃烧产物仅为水强还原性氢气是优良的还原剂，能与多种氧化物反应在高温条件下，能还原铜、铅、锡等金属氧化物，也是工业中许多还原反应的重要原料加成反应氢气能与不饱和有机化合物发生加成反应，如与乙烯反应生成乙烷这类反应在石油化工、食品加工等行业有重要应用，如油脂氢化制造人造黄油活性条件常温下氢气较稳定，但在高温、催化剂或紫外线等条件下活性显著增强特定催化剂（如铂、钯、镍）存在时，氢气的反应能力大幅提高氢气分子的结构共价键结构分子参数氢气分子由两个氢原子通过共价键连接H-H键长为

0.74Å（74pm），是自然界形成两个氢原子各贡献一个电子，形最短的单键之一分子呈对称结构，没成共享电子对，构成单键（H-H）这有偶极矩，因此氢气分子整体呈非极性种共价键具有较高的键能，约为436状态，这也解释了其低沸点和低溶解kJ/mol度同位素变体核自旋异构体氢有三种同位素普通氢（¹H）、氘氢分子存在正氢（同向自旋）和仲氢（²H或D）和氚（³H或T）这些同位（反向自旋）两种核自旋异构体，它们3₂素可形成多种分子组合，如H、在热导率、比热容等性质上有细微差₂₂D、T、HD、HT和DT，它们在物别，这在极低温条件下尤为显著理化学性质上略有差异氢在自然界的分布宇宙广泛存在宇宙中约75%的质量和90%的原子数为氢恒星与星际物质太阳和大多数恒星主要由氢组成地球上的存在形式主要以水、有机物和矿物形式存在氢是宇宙中最丰富的元素，约占可见宇宙质量的75%，原子数量更是达到90%以上在太阳等恒星内部，氢通过核聚变反应释放巨大能量，是恒星能量的主要来源星际云气和星云中也主要由氢气构成₂在地球上，由于氢气极轻且活泼，几乎不以单质形式存在于大气中地球上的氢主要以化合物形式存在，尤其是水（H O），约占地球表面71%此外，氢还广泛存在于各种有机化合物中，如石油、天然气、煤炭和生物质，以及岩石和矿物中的结晶水或羟基等形式氢气的获取途径工业制氢实验室制备目前全球约98%的氢气通过工业方法人工实验室常通过活泼金属（如锌、铁）与酸制备，主要包括化石燃料重整、电解水和反应制取少量氢气，也可通过电解水等方煤气化等工艺工业制氢年产量已超过法获得高纯度氢气9000万吨生物产氢天然氢气某些微生物在特定条件下能产生氢气，如天然界纯氢气极为罕见，主要来自地质活厌氧发酵和光合微生物产氢，这为生物制动产生的少量气体近年来在部分地区发氢技术提供了可能现了天然氢气渗出，但含量有限实验室氢气的制法小型电解水装置铝与氢氧化钠溶液反应通过电解纯水或碱性溶液可制取高铁与稀盐酸反应铝与强碱溶液反应是另一种常用方纯度氢气这种方法虽然能耗较锌与稀硫酸反应₂铁与稀盐酸反应可制取氢气，反应法2Al+2NaOH+6H O=高，但产物纯度好，适合需要高纯₂₂₄₂这是最常见的实验室制氢方法锌式为Fe+2HCl=FeCl+H↑2Na[AlOH]+3H↑该方法在氢气的实验阳极产生氧气，阴极与稀硫酸反应可生成硫酸锌和氢这是一种替代方案，特别是当实验碱性条件下进行，避免了酸性环境产生氢气₂₄气反应式为Zn+H SO=室没有锌或硫酸时反应速率较锌带来的某些腐蚀问题₄₂ZnSO+H↑该方法操作简慢，但成本更低便，但产生的氢气可能含有硫化氢等杂质工业制氢方法天然气重整煤气化电解水电解水制氢技术电解原理效率与能耗电解水制氢利用电能分解水分子，在阴极产生氢气，阳极产生氧现代电解水技术效率通常在75%-85%之间生产1kg氢气理论上需₂₂₂气总反应为2H O=2H+O这一过程通常需要添加电解要

39.4千瓦时电能，但实际工业应用中通常需要45-55千瓦时，因为质以提高水的导电性，如碱性电解液中使用氢氧化钾或氢氧化钠存在电阻损耗、气泡覆盖电极等因素导致的效率降低主要技术路线绿色制氢目前主要有三种电解水技术碱性电解（传统技术，成本低）、质当使用可再生能源（如风能、太阳能）提供电力时，电解水制氢被子交换膜电解（效率高，适合波动电源）和固体氧化物电解（高温称为绿氢，是最环保的制氢方式目前绿氢成本仍高于传统方运行，效率最高）各种技术在电流密度、工作温度和适用场景方法，但随着技术进步和规模扩大，成本正快速下降面存在差异生物质及可再生制氢生物制氢技术光催化水分解生物制氢利用微生物的代谢活动产生氢气，主要包括以下几种光催化水分解是一种模拟自然光合作用的技术，利用特殊催化方式剂在光照条件下直接分解水产生氢气和氧气·光合产氢某些蓝藻和绿藻利用光能分解水产生氢气常用的光催化剂包括二氧化钛、氧化锌等半导体材料，通常通过掺杂贵金属或非金属元素提高其光催化效率近年来，研究·暗发酵厌氧细菌分解有机物产生氢气人员开发了多种高效光催化材料，如钙钛矿型光催化剂和碳氮·光发酵光合细菌利用有机物和光能产氢化合物等·微生物电解池结合微生物和电化学技术产氢这种技术理论上只需阳光和水，无需电力输入，但目前光转化生物制氢技术环境友好，可利用废弃物作为原料，但目前效率效率仍较低，通常不足10%未来随着新型催化材料和纳米结较低，主要处于实验室和小型示范阶段构的发展，有望实现高效、低成本的太阳能直接制氢主要制氢产业现状9000万吨全球年产量截至2024年，全球氢气年产量已超过9000万吨，主要用于工业生产4500万吨中国年产量中国已成为全球最大氢气生产国之一，年产量约4500万吨76%天然气制氢比例全球氢气产量中约76%来自天然气重整工艺2%绿氢占比目前绿氢占总产量比例不足2%，但增长迅速氢气作为重要的工业原料，全球产业规模庞大截至2024年，全球氢气年产量已超9000万吨，市场规模约1500亿美元目前大部分氢气（约95%）作为生产过程的中间产品直接在产地消费，只有约5%作为商品氢进入市场流通中国作为制造业大国，氢气需求量巨大，年产量约4500万吨，主要用于石化、煤化工、钢铁等行业从制氢技术看，全球约76%的氢气来自天然气重整，22%来自煤炭气化，仅有不到2%来自电解水等可再生方式，但绿氢占比正在逐年提高氢气的热值与能量氢气的燃烧反应基本反应方程式环保特性燃烧特点氢气在氧气中燃烧的基本反应氢气燃烧的唯一产物是水，不氢气火焰呈淡蓝色，在日光下₂₂₂为2H+O=2H O+能产生二氧化碳、硫氧化物、氮几乎不可见，增加了安全风量这是一个强放热反应，每氧化物或其他污染物这使氢险氢气在空气中的燃烧范围摩尔氢气燃烧释放约286千焦气成为理想的清洁燃料，特别极广（4%-75%），最小点火的热量反应速度快，火焰温是在环境保护和碳减排要求日能仅为

0.02毫焦，这意味着静度高，可达2000℃以上益严格的背景下电火花就可能引起燃烧工业应用氢气燃烧广泛应用于工业加热、金属切割与焊接等领域氢氧焰可产生高达2800℃的温度，适合加工熔点高的材料在未来能源结构中，氢气燃烧有望部分替代天然气用于工业和家庭供热燃料电池基础原理电化学反应将氢气化学能直接转化为电能，无需燃烧过程过程离子交换氢气在阳极催化分解，电子流动形成电流产物清洁无污染反应只产生水和热量，无其他排放物效率远超内燃机能量转化效率可达60%，远高于内燃机的25-30%燃料电池是一种将氢气（或含氢燃料）的化学能直接转换为电能的装置，其工作原理类似于逆向电解在燃料电池中，氢气在阳极催化剂作用下分解为质子和电子质子通过电解质（通常是质子交换膜）迁移到阴极，而电子则通过外部电路形成电流在阴极，氧气（通常来自空气）与电子和质子重新结合形成水整个过程不涉及燃烧，因此效率高且无污染现代燃料电池能量转换效率通常在40%-60%之间，远高于传统内燃机的25%-30%如果考虑热电联产，总效率可达85%以上氢燃料电池应用交通运输航空与特种设备轨道交通氢燃料电池已在公交车、物流车、乘用车氢燃料电池正应用于无人机、小型飞机、氢燃料电池火车已在德国、法国等国家投等领域实现商业化应用截至2024年，全叉车和特种设备等领域燃料电池无人机入商业运营，主要用于替代非电气化线路球燃料电池汽车保有量超过7万辆，公交飞行时间可达普通电池的3-4倍，已在勘的柴油列车相比电气化改造，氢燃料电车超过5000辆日本、韩国和中国是主要探、测绘和物流配送中得到应用在叉车池火车建设成本低、部署快速中国已研市场相比锂电池车辆，氢燃料电池车辆领域，氢燃料电池因其快速加注和持续工制出世界首列氢能源有轨电车和燃料电池具有加注快速（3-5分钟）和续航里程长作能力逐渐替代传统铅酸电池，特别是在机车，正进行线路试验和示范运营（500-700公里）的优势大型物流中心氢气的储运难题体积能量密度低·常温常压下约为

10.8MJ/m³·天然气的体积能量密度约为其3倍·需要大容量储存设施高压储存技术·35MPa或70MPa高压气态储存·需要特殊材料制造的压力容器·储存能量约占氢能5-15%低温液化方案·需冷却至-253℃液化·液化过程耗能高，约30%能量损失·需要高性能绝热储罐固态储氢技术·金属氢化物吸附储存·有机液态储氢载体LOHC·新型纳米多孔材料氢气储运是氢能源发展面临的最大技术挑战之一由于氢分子极小，容易泄漏；同时，氢气能渗透许多金属材料，导致金属脆化此外，长距离管道运输需要特殊材料和密封技术，成本高昂目前，工业上主要通过公路运输高压气氢和液氢，但运输效率低、成本高未来发展方向包括混氢天然气管网（掺混10-20%氢气）、专用氢气管道网络建设，以及更高效的固态储氢技术研发氢气泄漏与安全易燃易爆特性氢气在空气中的爆炸极限范围广（4%-75%），且最小点火能极低，仅为

0.02毫焦，静电火花即可引燃氢气燃烧火焰几乎无色，肉眼难以察觉，增加了危险性扩散与泄漏特点氢气扩散速率极快，约为空气的4倍，泄漏后迅速上升并稀释这种特性在开放空间可降低风险，但在密闭空间则可能导致顶部积聚，形成爆炸风险氢分子极小，能渗透许多常规密封材料安全防护技术有效的安全措施包括氢气浓度检测系统、通风设施、防爆电气设备和特殊涂层材料等氢能设施通常采用多重冗余安全系统，包括自动切断阀、压力释放装置和紧急排放系统标准规范体系国际组织和各国已制定氢安全标准，如ISO/TC197和IEC/TC105等国际标准中国已建立《氢能燃料电池汽车加氢站技术规范》等多项国家标准，形成较完善的氢安全标准体系虽然氢气有其危险特性，但经过数十年的工业应用，已形成成熟的安全管理体系统计数据显示，严格遵循安全规范的氢能设施安全事故率不高于传统燃料设施关键在于严格的设计标准、定期检查维护和人员培训环境意义与低碳优势零碳排放氢气燃烧只产生水，无碳排放可循环利用水-氢-水闭环，资源可持续可再生融合储存和转化可再生能源的理想载体多领域应用4从交通到工业，广泛替代化石燃料氢能的最大环境优势在于其使用过程零碳排放氢气燃烧或在燃料电池中反应只产生水，不产生二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物或颗粒物等污染物特别是对于难以直接电气化的重工业、长距离运输等领域，氢能提供了一条实现碳中和的可行路径不过，氢气的环境效益取决于其生产方式传统的化石燃料制氢（灰氢）过程仍会产生大量碳排放；带碳捕集的化石燃料制氢（蓝氢）可减少80-90%的碳排放；而使用可再生能源电解水制氢（绿氢）则实现了全生命周期的近零碳排放，代表了未来发展方向氢能与碳中和双碳目标提出（2020年）中国提出2030年前碳达峰、2060年前碳中和战略目标，氢能被视为关键支撑技术2工业脱碳难点（现在）钢铁、水泥、化工等高排放行业电气化难度大，氢能成为主要脱碳路径之一能源系统转型（2030年前）氢能作为灵活调节手段，帮助高比例可再生能源并网，解决间歇性问题深度脱碳阶段（2050年前）氢能在交通、工业、建筑等多领域深度应用，助力实现碳中和目标氢能作为碳中和战略的重要组成部分，具有三大关键作用一是作为清洁燃料直接替代化石燃料，减少终端用能环节的碳排放；二是作为能源载体，存储和转化波动性可再生能源，提高电网稳定性；三是作为工业原料，用于绿色化工和低碳冶金，减少工业过程排放国内外氢能政策全球主要经济体均已将氢能作为能源战略重点，制定了明确的氢能发展路线图欧盟2020年发布《氢能战略》，计划到2030年建成40GW电解槽，投资4300亿欧元；日本早在2017年就制定了《氢能基本战略》，目标2030年实现商业化供应链；韩国提出氢能经济路线图，计划到2040年氢能汽车保有量达620万辆中国2021年发布《中央财经委员会第九次会议》将氢能列为未来产业之一，2022年国家发改委等部门联合发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确氢能是未来国家能源体系的组成部分到2025年，中国计划建成2000座加氢站，氢能产业链产值超过1万亿元，到2030年打造完整氢能产业体系氢气与能源结构可再生能源发电电解水制氢氢气储存多场景应用太阳能、风能等间歇性电力将多余电力转化为氢气存储长期大规模能量储存发电、供热、交通、工业等氢能在未来能源结构中扮演调节器角色，有效解决可再生能源间歇性问题风能、太阳能等可再生电力具有显著的时间波动性，往往出现弃风弃光现象通过制氢蓄能，可将多余电力转化为氢气储存，在电力需求高峰时再通过燃料电池或燃气轮机转回电力同时，氢能还是跨季节能量存储的理想选择例如，夏季太阳能过剩可制氢存储，冬季用于供暖；风力资源丰富地区可通过制氢，将能量以管道或其他方式输送到能源需求中心这种源-网-荷-储协同的能源系统将大幅提高能源利用效率和系统灵活性，是未来智慧能源网络的重要组成部分世界氢气基础设施现状氢气在工业上的应用氨合成石油炼制全球约50%的氢气用于合成氨，主要用于化约25%的氢气用于炼油过程，包括加氢裂肥生产哈伯-博世工艺中，氢气与氮气在₂₂化、加氢脱硫等工艺氢气帮助去除原油中高温高压下反应生成氨（N+3H=₃的硫、氮等杂质，提高燃油品质，符合严格2NH）这一过程支撑了全球农业粮食生的环保标准产电子制造冶金工业半导体工业使用高纯氢气作为载气和还原气氢气作为还原剂用于金属冶炼，特别是稀有3体，用于晶圆制造和芯片封装液晶显示金属和特种钢铁的生产氢基直接还原铁器、光伏电池等生产也需要氢气作为工艺气（H-DRI）工艺正成为低碳炼钢的重要方体向，有望大幅减少钢铁行业碳排放氢气在医疗与科研医疗研究实验室应用核物理研究近年研究表明，低浓度氢高纯氢气广泛用作实验室氢的同位素氘和氚是重要气具有选择性抗氧化作载气，特别是气相色谱分的核燃料，用于核聚变研用，可中和有害自由基析氢作为载气比氦气具究ITER（国际热核聚变氢气分子小，易穿透细胞有更高效率和更低成本实验堆）和中国的人造太膜和血脑屏障氢水、氢此外，氢气在有机合成、阳工程都使用氢同位素作气吸入疗法等在某些疾病催化研究和材料科学中也为燃料，探索未来清洁能治疗中显示潜力，如脑卒有重要应用源中、心肌缺血、肝损伤等天文学研究作为宇宙中最丰富的元素，氢光谱在天文观测中具有重要意义通过观测氢原子发射的21厘米谱线，科学家可以研究星系结构和宇宙演化氢气在航天应用液氢火箭发动机液氢是航天领域最高效的化学火箭燃料之一，与液氧组合使用氢氧发动机的比冲可达450秒左右，远高于其他化学推进剂这种高效率使其成为大型运载火箭上面级的首选燃料美国航天飞机、阿丽亚娜5号、德尔塔4号等均使用液氢燃料中国长征五号火箭上面级也采用氢氧发动机，推力达到50吨级液氢储存需要-253℃的极低温环境，对航天器设计带来挑战航天器电源系统氢燃料电池是航天器的理想电源，提供稳定可靠的电力美国阿波罗计划和航天飞机均使用碱性燃料电池系统，产生电能的同时还可提供饮用水现代质子交换膜燃料电池技术进一步提高了效率和可靠性近年来，深空探测任务也在考虑使用再生燃料电池系统，白天通过太阳能电解水产生氢氧，夜间通过燃料电池发电，实现能量的循环利用这种系统特别适合月球基地等长期任务交通领域的氢能革命15000辆3-5分钟中国氢燃料商用车加氢时间截至2023年底保有量，主要为公交车、物流车比电动汽车充电快10-20倍1000公里10万小时重卡续航里程燃料电池寿命目标新一代氢燃料电池重型卡车最大续航2030年商用车燃料电池系统寿命目标氢燃料电池在交通领域的应用以商用车为先导，特别是公交车、物流车和重型卡车等领域截至2023年底，中国氢燃料电池商用车保有量已超过15000辆，运营里程累计超过1亿公里，证明了技术的可靠性与纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车具有加注时间短（3-5分钟）、续航里程长和低温性能好等优势，特别适合长途运输、冷链物流和高强度运营场景当前氢燃料电池乘用车发展较慢，主要受基础设施不足和成本较高影响，但丰田、现代等企业已推出商业化车型，预计随着技术进步和规模化生产，成本将逐步下降未来氢能产业前景新型氢能技术探索光电化学分解水光电化学制氢技术直接利用太阳能分解水产生氢气，绕过了传统光伏-电解水的两步转换，理论上可获得更高效率该技术使用特殊半导体材料，在光照下直接催化水分解目前实验室最高效率已达到19%，但稳定性和成本仍需改进等离子体制氢等离子体制氢利用高温等离子体（超过3000℃）直接分解甲烷或其他碳氢化合物，生产氢气和固态碳（而非二氧化碳）这种技术可显著减少碳排放，产生的碳可用于材料工业等离子体制氢效率高、启停快，适合与波动性可再生能源配合使用生物催化制氢生物催化制氢利用特殊微生物或生物酶分解有机物或水产生氢气这类技术可在常温常压下运行，能耗低且环境友好典型路线包括暗发酵、光发酵和生物电解等特别是利用有机废弃物为原料的生物制氢，实现了废物资源化和清洁能源生产的双重目标蓝氢绿氢简介灰氢（Grey Hydrogen）传统化石燃料制氢，如天然气重整、煤气化等，不捕集产生的二氧化碳这是当前最主要的制氢方式，成本低但碳排放高生产1吨氢气约产生10吨二氧化碳目前全球约98%的氢气属于灰氢，平均成本约

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2.5美元/千克蓝氢（Blue Hydrogen）在化石燃料制氢过程中加入碳捕集与封存（CCS）技术，捕获并封存85-95%的二氧化碳蓝氢是向低碳氢能过渡的中间路径，可在保持成本可控的同时显著减少碳排放目前成本约2-3美元/千克，随着碳价上升和CCS技术进步，竞争力将增强绿氢（Green Hydrogen）利用可再生能源（如风能、太阳能）电解水制取的氢气，全过程近乎零碳排放绿氢被视为未来清洁氢能的最终形态，但目前成本仍较高，约4-6美元/千克随着可再生能源成本下降和电解技术进步，预计2030年绿氢成本将降至2美元/千克以下其他颜色氢粉氢（Pink Hydrogen）核能电解水制氢；白氢（White Hydrogen）自然产生的地质氢气；绿色副产氢氯碱工业副产的氢气；黄氢（Yellow Hydrogen）混合能源电网电力电解水制氢这些不同颜色的氢气代表了不同的生产路径和碳排放水平绿氢与风光互补案例多元化应用场景先进电解水系统产生的绿氢主要用于张家口冬奥会氢风光互补发电系统项目采用大型碱性电解槽和质子交换能示范、市区氢燃料电池公交车和冬张家口可再生能源制氢示范项目采用风光互补发电模式，白天膜电解槽，能够适应可再生能源波动奥会氢能大巴此外，部分氢气输送张家口地区风能和太阳能资源丰富，主要利用太阳能发电，夜间则利用风特性电解系统响应时间短，负载范至京津地区，服务于首都周边氢能交建设了多个规模化可再生能源制氢项能发电，最大化可再生能源利用效围广（20%-100%），能够快速调整通网络，实现绿色冬奥和区域协同发目以国家能源集团张家口制氢中心率通过智能电网技术，实现电力供产氢量，有效利用弃风弃光电力展为例，装机容量达到200MW，年产氢应的平滑过渡，为电解系统提供稳定能力超过20000吨，是世界最大的风电力光制氢项目之一关键材料科学研究电解水关键材料储氢材料突破电解水制氢的核心材料包括电极、隔膜和催化剂传统碱性电固态储氢材料是氢能源研究的热点领域传统金属氢化物如₅解槽使用镍基电极材料，而PEM电解槽则需要铱、铂等贵金属LaNi、FeTi等已商业化应用，但储氢容量通常低于2wt%催化剂研究人员正致力于开发高活性、低成本的非贵金属催新型储氢材料如镁基合金、复合氢化物等理论储氢容量可达5-化剂，如镍铁层氢氧化物、钴磷化物等7wt%，但存在动力学缓慢的问题新型隔膜材料研究也取得进展，如改性聚苯砜、聚醚砜等材料近年来，金属有机骨架材料MOFs、共价有机骨架COFs和多在高温碱性环境下表现出优异的稳定性这些材料创新有望将孔碳材料在室温下表现出优异的氢气吸附性能此外，液态有电解水能耗降低20-30%，同时大幅降低成本机储氢载体LOHC如甲基环己烷、二苯甲烷等也成为研究热点，这些材料可在常温常压下液态储存氢气，便于运输和使用电解水设备及效率提升碱性电解槽ALK质子交换膜电解槽PEM·技术成熟，成本相对较低·响应速度快，适合波动电源·效率65-75%·效率75-85%·电流密度

0.2-

0.4A/cm²·电流密度1-2A/cm²·寿命可达90000小时·体积小，但需贵金属催化剂固体氧化物电解槽SOEC阴离子交换膜电解槽AEM·高温运行700-900℃，效率最高·新兴技术，结合ALK和PEM优势·效率可达90%以上·无需贵金属，但性能接近PEM·可与工业余热结合·效率70-80%·仍处于示范阶段·研发热点，进步迅速电解水技术效率提升主要通过三个方向一是开发新型离子交换膜，提高离子传导性能；二是优化电极结构和催化剂，降低过电位；三是系统集成优化，提高热管理效率近年来，电解槽单位效率持续提升，能耗逐渐降低中国在电解水设备国产化方面取得突破，大型碱性电解槽已实现自主制造，PEM电解槽核心部件国产化率不断提高国内龙头企业已建成兆瓦级电解槽生产线，产品性能达到国际先进水平未来随着规模扩大和技术进步，电解水制氢成本有望大幅下降储氢新方法探索除传统的高压气态和低温液态储氢外，科研人员正探索多种创新储氢技术液态有机储氢载体LOHC如甲基环己烷、甲苯等可在常温常压下通过化学键储存氢气，体积储氢密度高达4-8wt%，且使用现有石油基础设施即可运输这种液体有机氢电池技术已在日本和德国开展示范另一前沿方向是纳米多孔材料储氢，如MOFs、COFs等新型材料在低温条件下表现出优异的氢气吸附性能地下储氢是大规模季节性储能的可能解决方案，利用盐穴、枯竭气田等地质结构储存大量氢气，欧洲已开展多个示范项目此外，固态低温储氢、低温吸附储氢等技术也在积极研发中，有望突破传统储氢方式的局限氢气的绿色经济效益就业增长制造业升级氢能产业预计到2025年在中国创造10氢能产业链带动电解槽、燃料电池、储万个直接就业岗位，到2030年达到50氢装备等高端制造业发展，提升产业结万个这些岗位主要分布在材料研发、1构中国已形成较完整的氢能制造业体装备制造、系统集成、运营维护等领系，企业数量超过300家，覆盖上中下域，大多为高技能、高附加值工作游各环节循环经济技术创新氢能促进资源循环利用，利用工业副产氢能产业推动多学科交叉创新，催生新氢、可再生能源弃电和生物质废弃物制材料、新工艺和新商业模式中国氢能氢，创造额外经济价值例如，氯碱工相关专利申请量已位居世界前列，业副产氢年产量约300万吨，合理利用2020年以来年均增长超过30%，研发投可创造300亿元产值入持续增加氢能城市典型案例上海嘉定2山东济宁上海嘉定建成了集研发、测试、示范于一体的国家级氢能产业园园济宁依托丰富煤炭资源和产业基础，打造煤制氢+碳捕集的氢能示区内聚集了上汽、重塑、上海电气等数十家氢能企业，形成完整产业范建成中国首个吨级CCUS（碳捕集利用与封存）煤制氢项目，日产链嘉定已建成20余座加氢站，运营氢燃料电池车辆超过1000辆，年氢能力达到3吨同时发展氢燃料电池重卡和矿用车，推动传统煤炭城节约标准煤4万吨市绿色转型河北张家口北京张家口利用丰富风电资源开展可再生能源制氢示范，建成国内最大规北京建设氢能科创走廊，将亦庄、昌平等区域打造为氢能产业集群模风电制氢项目2022年冬奥会期间，张家口运营了超过700辆氢燃料截至2023年底，北京建成45座加氢站，氢能汽车保有量超过3000辆，电池大巴，成为全球最大规模氢能交通示范当地已形成可再生能源-主要用于公交、物流等领域北京计划到2025年建成100座加氢站，运氢能-交通运输完整生态营氢燃料电池车辆10000辆校园氢能科普实验氢能源模型车竞赛小型燃料电池实验组织学生制作和比赛氢燃料电池模型氢气性质演示使用教学用小型燃料电池套件，可直车，是寓教于乐的综合实践活动学电解水产氢实验通过安全的小型实验演示氢气的基本观展示氢能转化为电能的过程典型生需要理解燃料电池原理，设计高效这是最基础的氢能教学演示实验使性质如将收集到的氢气导入肥皂水套件包括小型PEM燃料电池、电解器、的车身结构，并优化能量管理系统用简易电解装置（如两支铅笔芯插入中，制作氢气肥皂泡，点燃后发出储氢器和小风扇或LED灯等负载学生通过比赛形式激发学生对氢能技术的水中，连接9V电池），可观察到阴极啪的声音，演示氢气的可燃性另一可观察到电解产生的氢气被储存后供兴趣，培养团队协作和实践创新能产生氢气泡，阳极产生氧气泡，氢气个经典演示是将点燃的火柴放入倒置给燃料电池，驱动风扇旋转或点亮LED力体积约为氧气的两倍，符合水分子的氢气收集瓶中，观察到火焰熄灭后灯，实现能量转换的完整循环₂H O的组成比例为增强电解效率，在瓶口又重新点燃的现象，说明氢气可在水中加入少量食盐或小苏打作为比空气轻且可燃电解质氢能相关职业发展研究开发材料科学家、化学工程师、催化专家工程技术系统设计师、装备工程师、自动化专家生产运营3制氢工程师、加氢站运营、安全监督管理服务项目管理、市场分析、政策研究氢能产业的蓬勃发展正创造大量新兴职业岗位在材料研发领域，电解催化剂研究员、储氢材料工程师等职位需求旺盛；在装备制造环节，电解槽设计师、燃料电池系统集成工程师、高压储氢装备工程师等专业人才短缺；在应用领域，氢能汽车维修技师、加氢站运营管理员等新职业正在形成据中国氢能联盟预计，到2025年，全国氢能产业将新增就业岗位超过10万个，到2030年将达到50万个，到2050年将超过100万个为满足人才需求，多所高校已开设氢能与燃料电池专业或方向，企业也加大人才培养力度氢能产业的发展不仅创造了大量就业机会，也推动了职业教育和培训体系的创新课堂互动思考氢气与其他燃料对比氢气安全使用与防护思考问题为什么氢气的能量密度虽高，但在某些应用场景中讨论题目如何设计一个安全的校园氢能演示实验？仍不如传统燃料实用？要点提示考虑氢气的物理化学特性（无色无味、易燃易爆、引导方向让学生比较不同燃料（氢气、天然气、汽油等）的上浮扩散快等），设计适当的安全措施，包括通风系统、检测质量能量密度和体积能量密度，分析储存难度、基础设施要求警报、防静电措施、紧急切断等等因素，思考不同应用场景的最佳燃料选择小组活动分组设计氢气安全应急预案，包括泄漏处理、火灾延伸讨论随着技术进步，氢能的哪些短板有望被克服？未来应对和人员疏散等方面，培养安全意识和应急处理能力氢能最有可能在哪些领域率先实现大规模应用？常见氢气实验注意事项通风要求电气安全装置密封性消防准备氢气极易上浮扩散并在顶实验区域的电气设备应采实验前检查所有连接处的实验室应配备适合氢气火部聚集，实验室必须保持用防爆型，避免产生火密封性，确保气密良好灾的灭火设备，如干粉灭良好通风顶部应设置排花操作人员应穿防静电使用皂液检查可疑泄漏火器和二氧化碳灭火器风扇或通风口，防止氢气服装，使用防静电工具，点，或使用便携式氢气检不要使用水直接扑灭氢气积聚大型实验应在通风并做好接地措施电解水测仪监测环境中的氢气浓火焰，而应切断氢气源橱或专用氢气操作间进产氢时，应确保电源稳度收集氢气的装置应确明确紧急出口和疏散路行，并保持连续通风定，避免电极接触不良产保无氧气混入，防止形成线，定期进行应急演练生火花爆炸性混合物知识拓展氢的同位素氢¹H氘²H氚³H科普氢气飞机最新进展ZeroAvia的里程碑空客氢能飞机计划中国氢能航空进展英国初创公司ZeroAvia在2023年成功试飞空客公司正开发三种氢动力飞机概念，计中国商飞与多家研究机构合作开展氢能航了19座氢燃料电池飞机，这是目前全球最划在2035年投入商业运营其中包括涡轮空研究，已完成多项关键技术验证2022大的氢动力载客飞机该飞机使用质子交发动机氢燃烧方案和氢燃料电池电动方年成功试飞小型氢燃料电池无人机，飞行换膜燃料电池提供动力，续航时间可达案空客已与多家能源公司合作，研究机时间达4小时目前正开展支线客机级氢500公里公司计划在2025年推出商业化场氢能基础设施建设最新进展包括液氢燃料电池系统开发，计划先在支线客机上机型，首先应用于短途区域航线储存系统测试和燃料电池推进系统验证实现应用，再逐步扩展到干线飞机国际合作与标准国际氢能组织国际标准体系国际氢能理事会（Hydrogen Council）成立于2017年，由丰田、现ISO/TC197负责制定氢能技术国际标准，已发布多项关于氢气生产、代、空客等全球领先企业组成，致力于推动氢能全球发展与合作国储存、运输和应用的标准IEC/TC105则专注于燃料电池技术标准这际氢能燃料电池协会（IAHE）则侧重于学术交流与技术推广这些组些国际标准为各国氢能产业发展提供了技术规范和安全指南，促进了织定期举办国际会议，发布行业报告，促进全球氢能发展全球氢能市场的互联互通国际合作项目中国标准参与全球已启动多个跨国氢能合作项目欧盟氢谷计划连接多国氢能基础中国积极参与国际氢能标准制定，已成为ISO/TC197和IEC/TC105的积设施；日本-澳大利亚氢能供应链项目实现了液氢洲际运输；中国与欧极成员同时，中国建立了完善的国家氢能标准体系，包括GB/T盟建立了氢能技术合作机制这些合作促进了技术交流，加速了氢能37244《质子交换膜燃料电池发动机》等多项标准，有力支撑了国内氢全球化发展能产业发展当前氢能面临的挑战技术效率成本挑战氢能利用全链条效率较低，从可再生电力到绿氢生产成本仍是主要障碍，目前约为4-6燃料电池驱动的整体效率约为30%，低于电美元/千克，而传统灰氢仅为

1.5-

2.5美元/千池电动车的70-80%电解效率、压缩/液化克高成本主要来自电解设备投资、可再生损耗和燃料电池效率都有提升空间燃料电电力成本和低利用率储运环节的成本也居池系统的寿命和可靠性也需进一步提高，特高不下，液化、高压储存和长距离运输增加别是在复杂工况下的耐久性了氢能使用的综合成本安全与基础设施政策与市场氢气的安全风险和社会接受度仍是发展障氢能产业政策体系不完善，缺乏长效支持机碍加氢站网络建设滞后，难以支撑大规模制市场规模小导致装备制造成本高，形成推广氢气的特殊物理特性带来的渗透、脆恶性循环碳定价机制不健全，难以体现氢化等问题增加了基础设施建设难度安全标能环境价值产业链协同不足，各环节发展准和规范不完善也限制了氢能的广泛应用不平衡，影响整体推广速度氢能发展趋势全球氢能创新企业全球氢能产业正吸引各类企业积极布局传统能源巨头如壳牌、BP等将氢能作为转型重点，投资建设大型制氢项目工业气体企业如林德、空气产品和法液空凭借长期氢气生产经验，快速拓展氢能业务汽车制造商中，丰田、现代和本田走在前列，不仅开发氢燃料电池汽车，还布局氢能生态系统中国企业在氢能领域快速崛起国家能源集团、中石化等传统能源企业大力投资制氢项目；美锦能源、东方电气等企业在电解水设备领域取得突破；亿华通、重塑科技等成为燃料电池领域的领军企业；隆基绿能、阳光电源等可再生能源企业也积极布局绿氢业务这些企业的创新推动着全球氢能产业快速发展结语氢气的未来清洁能源支柱绿氢成为零碳能源体系重要组成部分工业深度脱碳2解决钢铁、化工等难减排领域碳排放能源系统融合电-气-热多能互补，提高系统弹性展望未来，氢能将在全球能源转型和碳中和进程中扮演越来越重要的角色随着技术进步和规模扩大，绿氢成本预计将在2030年前降至2美元/千克以下，实现与化石燃料的经济性竞争创新的储运技术和基础设施网络将打破氢能推广的瓶颈，使氢能应用从示范走向规模化商业化氢能不仅是一种清洁能源载体，更是连接电力、交通、工业、建筑等多领域的桥梁，将推动能源系统深度融合和协同发展作为能源转型的关键技术路径，氢能有望重塑全球能源格局，创造巨大的经济社会价值，为人类迈向可持续发展新纪元提供强有力的支撑课堂小测验选择题（氢气物理性质）判断题（氢气应用）

1.氢气在标准状态下的密度是多少？

1.氢气在工业上最大的应用是作为燃料（）A.

0.0899g/L B.

0.899g/L C.

8.99g/L D.

0.00899g/L

2.绿氢是指使用可再生能源电解水制取的氢气（）

2.下列关于氢气的说法，错误的是

3.氢燃料电池的能量转换效率通常低于内A.是最轻的气体B.在空气中向下扩散C.燃燃机（）烧产物是水D.无色无味

4.目前全球大部分氢气来自天然气重整（）简答题

1.简述氢气储存的三种主要方式及各自优缺点

2.氢能在实现双碳目标中可以发挥哪些作用？测验答案选择题

1.A

2.B；判断题

1.错（最大应用是合成氨）

2.对

3.错

4.对；简答题请根据课堂所学内容作答测验完成后，请学生互相交换试卷进行批改，然后针对错误较多的问题进行集中讲解本测验旨在帮助学生巩固对氢气基本性质和应用的理解，为后续深入学习打下基础谢谢观看互动交流实验演示学习资源请大家围绕氢气相关知识和应用展开讨课后我们将组织小型氢气实验演示，包括我们准备了丰富的学习资料供大家深入研论，分享您的见解和疑问我们鼓励批判电解水制氢、氢气性质测试和简易燃料电究，包括电子教材、视频资源和实验指性思考，探讨氢能发展的潜力和挑战您池操作有兴趣的同学可以在安全指导下南您可以通过课程网站或扫描二维码获可以提出自己感兴趣的话题，如氢能技术亲自参与操作，直观体验氢气的奇妙特取这些资源，继续探索氢能的奥秘前景、环境影响或产业发展等性。