《储能科学与技术》推荐|马美倩等：氢能学科建设探索与人才培养研究

科技 2024-12-11 17:31 北京

作者：马美倩 ¹ 王艺霖 ²邓传浩 ²李惊涛 ¹赵凡 ¹沈国清 ³

单位：1. 华北电力大学学科建设处； 2. 华北电力大学能源动力与机械工程学院； 3. 华北电力大学教务处

引用：马美倩, 王艺霖,邓传浩, 等. 氢能学科建设探索与人才培养研究[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(11): 4235-4246.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0538

本文亮点：1、氢能专业目前在国内设立院校较少，仅有四所，华北电力大学为国内首个开设氢能专业的高校，学科建设和人才培养思路具有参考价值 2、氢能为国内非常热门的新兴专业，目前国内关于氢能领域学科建设和人才培养的文章几乎没有，本文在学科体系建设、学科方向设置、课程体系建设，人才培养等方面做了详细的阐述并给出了意见。

摘要能源是经济社会发展的重要基础和保障，我国能源结构长期以煤为主，是全球最大的碳排放国家，能源清洁低碳转型要求紧迫。氢能作为清洁、低碳的二次能源，是能源低碳转型的关键。本文首先介绍了氢能产业的现状。为推动氢能产业发展，国家相继出台了一系列政策，在政策的推动下，氢能产业迅猛发展，但与国外发达国家相比还存在一定差距，氢能关键核心技术问题仍需突破，急需培养氢能领域“高精尖”人才以支撑氢能产业的发展。其次，本文阐述了我国氢能学科的建设情况。专业建设方面，目前氢能科学与工程作为新兴专业，开设院校还比较少，仅有六所高校开设了该专业；科学研究方面，各大高校成立科研团队、建设科研平台以开展氢能领域科学研究。此外，本文还介绍了氢能相关其他学术建设情况，包括出版氢能领域书籍、创办氢能相关期刊以及成立氢能领域学会的情况。之后，本文结合氢能多学科交叉特点，探索了氢能学科体系建设；结合氢能全产业链情况，围绕氢制备、氢储运、氢应用、氢安全四大方向，探索了氢能学科方向设置；围绕氢能人才培养，提出了氢能学科“学科交叉、产教融合、科教协同、国际交流”的人才培养模式，以培养氢能领域“综合型、应用型、创新型以及国际化”的杰出人才。最后，围绕氢能学科建设以及人才培养给出建议。

关键词氢能；学科建设；人才培养

伴随“碳达峰、碳中和”目标的实施以及新一代能源变革的进一步推进，在世界能源供应日趋紧张的今天，发展新能源成为实现“双碳”目标的重要举措。与波动、分散以及不稳定的太阳能、风能相比，氢能是一种资源丰富、清洁低碳、储存周期长以及应用广泛的二次能源，氢能已成为助力实现“双碳”目标，加快能源升级转型的重要战略选择。为推动氢能产业发展，我国先后出台《能源技术革命创新行动计划(2016－2030年)》《“十三五”交通领域科技创新专项规划》等多个政策性文件，明确指出将“氢能”的发展纳入国家重点战略任务，2019年氢能首次被写入《政府工作报告》，表明氢能无可争议地成为我国能源构架的重要组成部分。目前，随着国家氢能战略的持续推进，氢能技术不断进步，氢能专业“高精尖”人才的需求量也不断增大，然而我国氢能产业发展时间短，专业人才积累有限，现有人才无法支撑产业发展，氢能产业的快速发展与专业技术人才短缺的矛盾日益加剧，因此，加快氢能学科建设，提高氢能人才培养数量质量，以支撑氢能产业发展，迫在眉睫。

本文围绕氢能学科建设以及氢能专业人才培养展开研究。首先，总结了我国氢能产业发展现状；其次，分析了氢能学科的建设情况，包括高校氢能学科专业设置、氢能学科研究方向开设、氢能研究平台建设，以及其他相关学术建设情况；之后，探索了氢能学科体系建设、学科方向设置、学科专业人才培养、学科专业课程体系建立的情况；最后，结合上述研究，围绕氢能学科建设以及人才培养给出建议。

1 我国氢能产业发展概况

氢能作为清洁低碳的二次能源，在国家实现“双碳”目标、能源低碳转型的过程中发挥着重要作用，2022年3月，国家发改委、国家能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》，强调氢能是未来国家能源体系的重要组成，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。如图1所示，自2019年起，国家几乎每年都有氢能相关政策出台以推动氢能产业的发展。在相关政策的推动下，我国氢能产业飞速发展，目前，已初步建成从基础研究到应用研究再到示范工程的全氢能产业链，我国氢能供给经验丰富，已成为世界上最大的制氢国。经过多年氢能技术的科技攻关，我国已经掌握了部分氢能产业关键核心技术，具备一定的生产力，但是我国氢能产业还面临诸多问题，例如：目前我国制氢方式主要为化石燃料制氢，该方式虽然技术成熟、成本低,但CO₂排放量较高；我国还存在氢源产地与用氢地区不一致的问题，往往西北地区产氢数量多，而经济较为发达的东南沿海地区用氢需求量大；此外，我国大规模、长距离的氢气的储运也面临着技术与成本不平衡的问题，燃料电池技术是氢能产业应用的关键技术，但目前我国燃料电池技术还处于发展的初级阶段，燃料电池还存在生产成本高、使用寿命短、高性能材料需进口等问题，急需加强关键材料零部件和核心技术的研究以实现生产的自主化^[8-10]。我国急需加强氢能基础设施建设、完善氢能产业布局、培养氢能“高精尖”专业人才、攻克氢能关键核心技术瓶颈，以支撑氢能产业发展。

图1 国内部分氢能相关政策发展时间轴

2 我国氢能学科建设情况

2.1　高校氢能学科专业设置情况

为加快推进氢能学科建设，加速氢能领域学科专业人才的培养，2019年10月教育部公布《普通高等学校高等职业教育(专科)专业目录》增补专业，“氢能技术应用”专业入选，佛山职业技术学院、武威职业学院等专科院校开设了该专业。2022年2月，教育部发布《关于公布2021年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》，“氢能科学与工程”专业进入本科专业名单，华北电力大学能源动力与机械工程学院氢能科学与工程入选新增审批本科专业名单，成为国内第一个设置氢能科学与工程专业的高校。之后北京化工大学化学工程学院、安徽工业大学材料科学与工程学院、郑州轻工业大学新能源学院、临沂大学机械与车辆工程学院、盐城师范学院化学与环境工程学院相继开设了氢能科学与工程专业。

2.2　部分高校氢能学科研究方向

伴随着氢能产业的高速发展，氢能产业链中氢制备、氢储运、氢应用以及氢安全的部分关键核心技术问题凸显，高校相继开展氢能技术研究。氢制备方面：华北电力大学和天津大学围绕电解水制氢技术开展研究，北京科技大学围绕化石原料制氢技术开展研究，浙江大学围绕太阳能光电催化分解水制氢技术开展研究，西安交通大学围绕太阳能光谱耦合分解水制氢等新兴制氢技术开展研究。氢储运方面：华北电力大学开展金属氧化物储氢研究，北京科技大学开展催化剂修饰储氢材料优化改性研究，上海交通大学围绕镁基固态储氢开展研究。氢应用方面：燃料电池技术是氢能走向应用的关键，华北电力大学、北京科技大学、天津大学、武汉理工大学、南京大学、中国科学院大连化学物理研究所等高校或机构围绕燃料电池技术开展深层次基础理论及应用技术研究，以实现应用基础研究与工程化、产业化开发的有机衔接和整合，打造完全自主化的“经济、高效、耐久”燃料电池产品，助推燃料电池技术在移动电源、分布式电站等领域的规模化应用。

2.3　部分高校氢能研究平台建设

氢能是新能源领域的重点方向，氢能的发展对我国“双碳”目标的实现具有重要意义。为实现国家“双碳”目标，保障能源安全，加速我国氢能产业发展，加快对先进制氢技术、储氢技术、氢安全、氢能装备关键技术、氢能燃料电池等关键领域的创新和研究，各大研究平台相继成立，如图2所示。有高校独立建设的研究平台，如天津大学氢能动力工程研究中心、山东大学氢能研究中心、浙大德清氢能实验室、武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室、中国科学院大连化学物理研究所氢能与先进材料研究部等。同时也有企业、政府同高校联合建设的氢能实验室、创新平台、研究中心等，依托企业优越的能源条件和高校在科技创新、人才培养等方面的雄厚实力加强产学研深度融合，促进研究成果转化，对关键技术进行攻关。如华北电力大学与三峡集团联合建设的华北电力大学-三峡集团氢能联合实验室，陕西氢能与西安交通大学联合建设的陕西氢能-西安交大氢能联合实验室，南京大学、昆山市、陕西延长石油集团共建“氢能与燃料电池产业创新中心”，长城氢能检测与北京科技大学联合共建“氢能研究院”等。

图2 部分氢能研究平台

3 氢能相关其他学术建设情况

3.1　氢能领域部分书籍

氢能领域书籍大致包含以下4个方面：氢制备、氢储运、氢应用以及氢安全。氢制备方面书籍包括：电解水制氢方面的《水电解制氢技术新进展及应用》等；化石燃料制氢方面的《天然气利用新技术》《煤催化热解制氢技术》等；工业副产氢制氢方面的《制氢催化剂制备与性能研究》等；其他氢制备的相关问题可参考《氢能利用关键技术系列：制氢工艺与技术》等。氢储运方面书籍包括：《液氢技术与装备》《加氢站技术规范与安全管理》、《氢能利用关键技术系列：氢气储存和输运》《储氢技术与材料》等。除了《氢能源及综合利用技术》外，氢应用在工业、建筑、交通等方面都有较为详细的书籍，分别为《氢冶金技术进展及关键问题》、Hydrogen in Engineering Metallic Materials、《氢能利用关键技术系列：氢燃料电池》等。氢安全在氢气技术运用的整个过程起到关键性的导向作用，《氢安全技术及其应用》《氢能利用关键技术系列：氢安全》《氢安全工程基础》等书在氢安全方面均起到了比较系统的指导作用。此外，《氢与氢能》(第二版)《氢能技术导论》《氢能百科全书》等书则系统全面详细地介绍了氢制备、氢储运、氢应用以及氢安全等各方面内容。部分氢能相关书籍详细信息如表1所示。加快建设满足氢能人才培养需要的专业教材，对于切实推进氢能学科建设、提高氢能领域工程科技人才培养质量具有重要意义。

表1 氢能领域部分书籍

3.2　氢能领域部分期刊

氢能技术已在各个领域都成为热门研究内容，备受中外期刊的关注，涵盖燃烧、化工、能源、材料、综合等各个方面，如图3所示。其中，燃烧方面有Combustion and Flame、Combustion Science and Technology与《燃烧科学与技术》等高水平期刊；化工方面有Inorganic Chemistry Frontiers、Journal of Colloid and Interface Science、Nature Chemistry、Chemical Engineering Science，《化工学报》也对氢能技术的发展尤为关注；能源方面有International Journal Of Hydrogen Energy、《国际氢能杂志》、Fuel Processing Technology、ACS Energy Letters、Nature Energy、Energy & Environmental Science与《中国电机工程学报》等影响力较高的期刊；材料方面有Nature Materials、Advanced Energy Materials与《复合材料学报》等期刊；而综合期刊中Nature、Science与《中国科学》等也多次发表氢能有关研究成果。期刊是学者们分享、交流、评价与合作的主要平台，氢能领域研究成果在期刊的发表，对提升氢能领域技术研究、推动氢能学科发展起到了至关重要的作用。

图3 氢能领域部分期刊

3.3　氢能领域相关协会

为促进氢能相关科技工作者之间开展学术交流、推广氢能应用、推动氢能产业间交叉合作等，国际、国内以及地方相继成立各种氢能领域相关协会，如图4所示，各种协会以不同形式助力氢能发展。国际上，如国际氢能学会(IAHE)，其创立了《国际氢能杂志》，该杂志内容包含氢能相关各个领域，如氢的制取、氢能的储存与运输、氢的应用等，目前该杂志已经成为氢能领域最具代表性的期刊；由国际氢能协会主办的世界氢能技术大会(WHTC)与世界氢能源大会(WHEC)并称为氢能领域的双子星大会，是各国顶尖学者、领袖企业、政府机构同台交流合作的国际顶会，被誉为“国际氢能产业发展风向标”；国际氢安全协会(IA-Hysafe)定期组织召开国际氢安全会议(ICHS)，该会议已成为分享氢安全相关政策、数据，展示与交流氢安全相关研究成果的平台。在国内，中国可再生能源学会氢能专业委员会每年召开一次全国氢能大会，每两年召开一次全国可再生能源学术年会氢能分会，同时每年不定期召开专题研讨会以开展学术交流，促进氢能发展；中国产业发展促进会氢能分会，每年定期组织召开“国际氢能产业发展与创新论坛”；中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟(简称“中国氢能联盟”)定期发布《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，从政策、技术、产业、应用4个方面梳理分析我国氢能产业进展。除此之外，国内很多地方成立氢能产业联盟，推动当地氢能产业发展。

图4 氢能领域部分协会

4 氢能学科建设探索及人才培养

4.1　高等院校氢能学科体系建设

与传统意义上的两个不同领域的学科交叉不同，氢能作为新型交叉学科，综合性较强，涉及动力工程及工程热物理、化学工程与技术、材料科学与工程、安全科学与工程等不同学科领域，与多个一级学科交叉，学科交叉特征显著。目前，氢能领域尚无完备的学科体系。氢能人才队伍大多来自于动力工程及工程热物理、化学工程与技术、材料科学与工程、安全科学与工程等领域人才，氢能领域人才的培养面临氢能专业学科基础知识不足、知识结构单一、对前沿技术不了解等问题。对于氢能领域的人才培养，亟须融合多学科交叉的、健全的、专业化的氢能学科体系。如图5所示，在氢能自身领域的研究中，氢能领域人才的培养需包含对氢制备、氢储运、氢应用、氢安全方向中氢能原理、制氢技术、氢能燃烧电池技术、氢能实践应用等专业基础知识的学习，同时也应加强对质子交换膜技术、生物质制氢、可逆燃料电池等前沿技术的研究。与此同时，氢能领域人才的培养也应涉及动力工程及工程热物理、化学工程与技术、材料科学与工程、安全科学与工程等交叉学科中工程热力学、化学基本原理等知识的学习，从而培养出适应社会对氢能发展需求的复合型氢能专业人才。目前，氢能专业开设院校仅有六所，远远不能满足国家对氢能人才的需求，需继续健全氢能学科体系，加大氢能领域专业人才培养，以推动我国氢能产业发展。

图5 氢能学科体系

4.2　高等院校氢能专业学科方向建设

氢能专业学科方向情况，如图6所示，涵盖了氢能源行业产业链的全过程，包括氢制备、氢储运、氢应用、氢安全四大方向。氢能在制取侧，有电解水制氢、化石燃料制氢、工业副产氢制氢以及其它新兴制氢技术，其中电解水制氢主要采用碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜电解水制氢(PEM)以及固体氧化物电解水制氢(SOEC)三种方式，电解水制氢具有零碳排放量的优点，成本是其推广的制约因素；化石燃料制氢为国内规模最大的制氢方式，主要采用煤气化制氢以及天然气蒸汽重整制氢，其成本低、技术路线成熟，但存在碳排放量高、化石燃料不可再生等问题；工业副产氢制氢主要为氨、甲醇、氯碱等合成过程中产生副产物氢气；其他新兴如生物质和热化学等制氢技术，还处于实验和开发阶段，需要重点进行基础机理研究；氢能在氢气储运侧，可分为气态、液态、固态储氢，通过车船容器、长输管道等对氢进行运输，储氢技术是氢能迈向实际应用的关键技术，目前，高压气态储氢技术的发展较为成熟，主要应用于车用氢能领域。高储存容量、高安全性、低储存成本以及长寿命的储氢技术开发是目前氢储运方向面临的难题，高容量储氢材料的研发是储氢技术发展的关键；氢能在应用侧，广泛应用于工业、交通、建筑、电力等领域，氢气可应用于燃料电池汽车，替代车用燃油消费，也可以用于家用热电联产，减少电力和热力需求，还可以直接燃烧或者将氢气掺入到天然气管网直接燃烧。此外，氢还可以直接作为化工原料，代替油气和煤，例如氢能炼钢等。氢能在安全侧，有氢气风险评估、供氢系统安全、氢安全保障报警系统等方向，保障制氢、储运、应用的安全进行，氢安全是氢能应用和大规模商业化推广的重要前提，但国内氢安全研究还处于初级阶段，氢安全系统综合风险评价机制仍为氢安全领域的难点。目前，中国氢能产业链中部分技术与国外先进技术相比较还存在较大差距，一些产业链中的关键零部件仍需进口，氢能专业学科方向应围绕国内氢能产业链中的薄弱环节加强建设，加大相关方向人才培育力度。

图6 氢能专业学科方向

4.3　高等院校氢能学科专业人才培养

氢能学科专业人才的培养旨在培养一批理论基础扎实，工程实践能力强，具有国际视野、创新创业精神和竞争意识，系统掌握氢制备、储运、利用、安全等方面专业知识，能在氢能领域从事科学研究、技术开发、设计制造、运行控制、教学、管理等工作的高素质专业人才。氢能学科专业人才培养可采用“学科交叉、产教融合、科教协同、国际交流”的人才培养模式(图7)：首先，要加强学科交叉融合，掌握系统全面的知识体系是培养人才的关键，氢能专业人才除掌握氢能相关专业知识外，还应掌握其他相关领域交叉学科专业知识，以达到能够更加全面系统地解决工程问题的目的，培养氢能产业综合型人才；其次，要强化产教融合，健全多元化办学体制,逐步提升企业与行业的办学参与度，全面推行校企协同育人，与产业紧密结合，完善产教协同机制，培养更多适应氢能产业需求的人才；然后，要推动科教协同，深化产学研合作，打造高水平科技创新平台，强化教育教学与科技创新双向互动，突出学科交叉融合特征，不断增强自主创新能力，突破氢能领域共性和瓶颈技术，培养氢能产业创新型人才；最后，要深化国际交流合作，氢能人才的培养不仅要对标国内，更要树立全球视野，对标氢能学科世界一流高校，主动地融入全球创新网络，在开放合作中提升氢能人才培养能力，培养氢能产业国际化人才。

图7 氢能学科专业人才培养模式

4.4　高等院校氢能学科专业课程体系

课程体系建设是学科专业发展的基础，是培养学科专业人才的关键因素。为适应社会经济发展和氢能相关行业技术进步需求，完善高校氢能学科专业课程体系的建立健全势在必行。高校应以全面服务“双碳”为目标，结合自身学科专业的优势，寻找优势学科与氢能学科的融合点，利用优势学科的强大资源支撑氢能学科专业的发展，发挥学科融合优势建设氢能学科本科、硕士、博士专业课程体系，如图8所示。氢能本科课程分为必修和选修课程两大部分：必修课包括公共与工程基础类课程、专业基础课程、专业核心课程以及集中实践四部分，选修课包括专业选修和通识教育两部分。其中专业基础课程是必修课程设置的关键，应涵盖学科领域学习所需的基础知识和理论，为专业核心课程学习奠定必要的基础。基于氢学科交叉学科的特性，除开设氢能相关基础课程如氢能概论等，高校可根据自身学科优势及氢学科学生培养方向，选择重点交叉的一级学科专业基础课程作为氢能专业学生必修专业基础课程，为氢能专业核心课程的学习奠定基础，例如：可开设化学工程与技术类课程中的物理化学、化工原理等课程，为制氢原理、氢燃料电池技术等学习提供基础知识；可开设材料科学与工程类课程中的材料科学基础等课程，为储氢材料制备、氢能储存与输运等学习提供支撑；可开设动力工程及工程热物理类课程中的工程热力学、工程流体力学等课程，为氢能储存与输运、氢能系统及应用等学习奠定基础。对于专业核心课程，高校可面向氢能全产业链条，根据自身氢学科重点培养研究方向从氢制备、氢储运、氢应用、氢安全四个方向选取一个或者多个方向开设相关课程。

图8 氢能学科专业课程体系

氢能硕士学位理论课程分为学位课和非学位课两部分：学位课包括公共课、基础理论课、学科基础课以及学科专业课，非学位课包括必修课程与必修环节、选修课。氢能博士学位理论课程分为学位课以及必修环节。

5 结论

氢能学科建设与人才培养对氢能产业发展以及能源低碳转型具有十分重要的推动作用。建设氢能学科是一项涉及多学科交叉、需要政产学研用多方努力的复杂系统工程，目前，氢能学科建设还处于初级阶段，相关学科专业尚待健全、科技创新能力尚待提升、人才培养体系尚待完善，需要不断完善氢能学科建设体系、不断加强氢能技术研究、不断提升氢能人才培养质量。围绕氢能学科建设以及人才培养，提出如下建议。

（1）学科方向建设：鉴于氢能多学科交叉的特性，高校氢能学科建设应与自身行业特色相结合，着力打造专属学科建设体系，如华北电力大学氢能学科建设侧重氢电结合方向，安徽工业大学(前身为马鞍山钢铁学院)侧重氢冶金方向；应以产业需求和国家战略为导向，加强科研攻关协同，努力突破氢能领域技术瓶颈，攻关氢能领域核心技术。

（2）学科专业课程体系建设：高校应结合自身现有资源及优势，合理分配各类课程设置比例。应结合氢能产业工程实际中面临的重点问题，聚焦某一个或某几个重点方向，设置专业核心课程；应扩大其他专业选修与通识教育课程可选范围，使学生能够根据自身需求选择课程，进而达到拓宽学生视野、增强学生综合素质的目的；应适当加大实践类课程比重，借助校企联合实验室、创新平台、研究中心等场所，开展实地教学，以提升学生的实践能力。

（3）人才培养：要加强学科交叉融合，优势互补，打造氢能领域综合性人才；要强化产教融合，精准培育氢能产业需求人才；要推动科教协同，深化产学研，打造氢能领域创新型人才；要深化国际合作，对标世界一流，培育氢能领域世界一流人才。

第一作者：马美倩（1987—），女，硕士，工程师，研究方向为能源电力学科建设，E-mail：xkmmq@ncepu.edu.cn；

通讯作者：沈国清，副教授，研究方向为能源电力人才培养，E-mail：shenguoqing@ncepu.edu.cn。

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《储能科学与技术》推荐|马美倩 等：氢能学科建设探索与人才培养研究

1 我国氢能产业发展概况

2 我国氢能学科建设情况

2.1 高校氢能学科专业设置情况

2.2 部分高校氢能学科研究方向

2.3 部分高校氢能研究平台建设

3 氢能相关其他学术建设情况

3.1 氢能领域部分书籍

3.2 氢能领域部分期刊

3.3 氢能领域相关协会

4 氢能学科建设探索及人才培养

4.1 高等院校氢能学科体系建设

4.2 高等院校氢能专业学科方向建设

4.3 高等院校氢能学科专业人才培养

4.4 高等院校氢能学科专业课程体系

5 结论

《储能科学与技术》推荐|马美倩等：氢能学科建设探索与人才培养研究

2.1　高校氢能学科专业设置情况

2.2　部分高校氢能学科研究方向

2.3　部分高校氢能研究平台建设

3.1　氢能领域部分书籍

3.2　氢能领域部分期刊

3.3　氢能领域相关协会

4.1　高等院校氢能学科体系建设

4.2　高等院校氢能专业学科方向建设

4.3　高等院校氢能学科专业人才培养

4.4　高等院校氢能学科专业课程体系