氢能 工业 现状 、 技术 进展 、 挑战 及 前景
邹才能 李建明 张茜 金旭 熊波 余晖迪 刘晓丹 王善宇 李轶衡 张琳 苗盛 郑德温 周红军 宋佳妮 潘松圻
中国 石油 勘探 开发 研究院 中国 石油 大学 ( 北京 )
天然气 工业 2022 ( 04 )

摘要 ： 在 中国 实现 “ 碳 达 峰 、 碳 中和 ” 战略 目标 的 要求 下 ， 作为 一 种 可 再生 清洁 高效 二 次 能源 ， 氢气 能源 得益 于 资源 丰富 、 来源 广泛 、 燃烧 热值 高 、 清洁 无 污染 、 利用 形式 多样 、 可 作为 储 能 介质 及 安全性 好 等 优点 ， 将 成为 助 力 能源 、 交通 、 石化 等 多 个 领域 实现 深度 脱 碳 的 现实 途径 ， 也 将 成为 我 国 构建 现代 清洁 能源 体系 重要 的 接替 能源 ， 加快 氢 能 发展 步伐 已 成为 全球 共识 。 为了 给 氢 能 相关 产业 加快 发展 和 能源 公司 加速 转型 提供 理论 支持 ， 并 为 构建 “ 氢 能 中国 ” 提供 依据 和 参考 ， 阐述 了 氢 产业 链 中 制备 、 储运 、 应用 等 重点 环节 主要 关键 技术 进展 ， 分析 了 氢 能 工业化 现状 与 发展 趋势 ， 探讨 了 氢 工业 发展 所 面临 的 挑战 ， 展望 了 氢 能 产业 的 发展 与 未来 。 综合 研究 认为 ： ( 1 ) 我 国 的 氢 能 技术 将 走向 成熟 并 进入 产业化 之 路 ， 氢 能 工业 全 产业 链 体系 正在 逐步 形成 ， 将 逐渐 实现 由 灰 氢 、 蓝 氢 到 绿 氢 的 跨越 式 发展 ； ( 2 ) 加快 推进 制 氢 、 储 氢 、 运 氢 、 氢 燃料 电池 、 加 氢 站 及 其他 用 氢 场景 等 氢 能 全 产业 链 整体 发展 ， 注重 与 油气 工业 深入 融合 协同 ， 将 有效 推进 氢气 工业 体系 快速 高 质量 发展 ； ( 3 ) 推进 和 实施 “ 北 氢 东 输 ” “ 西 氢 东 输 ” “ 海 氢 上岸 ” 等 重大 工程 ， 利用 加油气 站 等 基础 设施 ， 可以 在 产 氢 、 加 氢 等 产业 链 节点 发挥 油气 公司 的 先天 优势 ， 实现 “ 油 、 气 、 氢 、 电 ” 四 站 合建 应用 ， 形成 全国 整体 的 氢 能 资源 保障 系统 ， 加快 谋划 推进 “ 氢 能 中国 ” 战略 。
关键 词 ： 绿 氢 ; 氢 能 工业 ; 氢 制备 ; 氢 储运 ; 氢 能 汽车 ; 氢 能 应用 ; 氢 能 中国 ; 新 能源 革命
作者 简介 ： 邹才能 ， 1963年 生 ， 中国 科学院 院士 ， 正 高级 工程师 ， 李四光 地质 科学 奖 获得者 ， 本 刊 顾问 ; 现任 中国 石油 天然气 集团 有限 公司 新 能源 首席 专家 、 中国 石油 深圳 新 能源 研究院 院长 ; 主要 从事 常规 、 非 常规 油气 地质学 理论 与 实践 以及 能源 发展 战略 方面 的 研究 工作 。 地址 ： （ 100083 ） 北京市 海淀区 学院路 20 号 910 信箱 院办 。 ORCID : 0000 - 0001 - 5912 - 1729 。 E-mail : zcn @ petrochina . com . cn ; * 李建明 ， 1982 年 生 ， 高级 工程师 ， 博士 ; 主要 从事 制氢 材料 技术 研发 工作 。 地址 ： （ 100083 ） 北京市 海淀区 学院路 20 号 910 信箱 。 E-mail : lijm02 @ petrochina . com . cn ; * 张茜 ， 女 ， 1989 年 生 ， 博士 研究生 ; 主要 从事 氢 能 储运 方面 的 研究 工作 。 地址 ： （ 102249 ） 北京市 昌平区 府学路 18 号 。 E-mail : zhangxi2017@petrochina.com.cn ;
收 稿 日期 ： 2022-04-14

0 引言
近年 来 ， 全球 各 地 极端 天气 频发 ， 为了 实现 到 21世纪 末 控制 全球 升温 在 2℃ 以内 的 目标 ， 世界 各 国 正 全方位 努力 推动 能源 体系 向 化石 能源 低 碳化 、 无 碳化 发展 。 尤其是 在 当前 全球 地缘 政治 复杂 和 局部 地区 爆发 冲突 的 背景 下 ， 将 重塑 全球 传统 化石 能源 与 新 能源 的 生产 与 消费 版图 ， 传统 煤炭 与 油气 能源 消费 占比 可能 有所 回升 ， 新 能源 时代 将 提速 加快 到来 。 各 国 将 重新 认识 能源 安全 的 极端 重要性 ， 能源 生产 与 消费 的 被 重视 程度 将 提升 到 前所未有 的 高度 并 重新 布局 ， 新 能源 技术 革命 与 产业化 将 备受 重视 并 进一步 提速 发展 。
氢气 能源 （ 以下 简称 氢 能 ） 作为 一 种 可 再生 的 、 清洁 高效 的 二 次 能源 ， 具有 资源 丰富 、 来源 广泛 、 燃烧 热值 高 、 清洁 无 污染 、 利用 形式 多样 、 可 作为 储 能 介质 及 安全性 好 等 诸多 优点 ， 是 实现 能源 转型 与 碳 中和 的 重要 能源 。 氢 能 技术 不断 成熟 ， 逐渐 走向 产业化 ， 同时 伴随 着 世界 面对 气候 变化 和 自然 灾害 加剧 的 压力 持续 增大 ， 氢 能 得到 了 世界 各 国 的 重点 关注 ， 已 成为 许多 国家 能源 转型 的 战略 选择 。
据 国际 能源署 （ IEA ) 《 Global Hydrogen Review2021 》 报告 和 中国 《 氢能 产业 发展 中长期 规划 （ 2021 — 2035 年 ） 》 的 数据 ， 全球 年产 氢气 9 000×10 4 t 左右 ， 其中 我 国 氢气 的 年 产量 为 3 300×10 4 t （ 达到 工业 氢气 质量 标准 的 约 1 200×10 4 t ） 。 据 H2Stations 对 全球 加 氢 站 的 统计 报告 ， 2021年 全球 新 增 加 氢 站 142 座 ， 累计 达到 685 座 ， 其中 亚洲 保有 量 居 第一 ， 共 有 363 座 且 集中 在 中 日 韩 三 国 ； 欧洲 共 有 228 座 且 集中 在 德国 、 法国 、 英国 、 瑞士 和 荷兰 。 全球 已经 有 超过 20 个 国家 或 联盟 发布 或 制定 了 《 国家 氢 能 战略 》 ， 美国 很 早 就 看好 氢 能 在 未来 能源 系统 中 所 具有 的 得天独厚 的 地位 和 优势 ， 积极 抢占 氢 能 产业链 的 市场 空间 和 各 技术 环节 的 制高点 。 欧盟 早期 通过 清洁 能源 立法 ， 支持 氢能 发展 与 燃料 电池 。 日本 政府 早 在 2017年 就 提出 了 “ 要 领先 全球 ， 实现 氢 能 社会 ” 的 战略 ， 并 出台 了 《 氢 能源 基本 战略 》 。 中国 在 2020年 将 氢 能 纳入 “ 十四五 ” 规划 及 2035 愿景 ， 助 力 我 国 “ 碳达峰 、 碳 中和 ” 战略 目标 （ 以下 简称 “ 双 碳 ” 目标 ） 的 实现 。 尤其 是 ， 我 国 幅员 辽阔 ， 具有 丰富 的 太阳能 、 风能 、 潮汐 能 等 可 再生 能源 资源 ， 已 建成 的 可 再生 能源 装机 容量 位居 全球 第一 ， 在 清洁 低 碳 的 氢 能 供给 上 具有 很 大 的 潜力 。 在 今年 北京 成功 举办 的 第24 届 冬季 奥林匹克 运动会 （ 以下 简称 北京 冬奥会 ） 上 ， 我 国 秉承 绿色 办奥 理念 ， 将 绿色 氢气 作为 火炬 燃料 ， 让 世界 看到 了 中国 兑现 减排 承诺 的 诚意 与 努力 [ 1 ] 。 当前 ， 我 国 已 开启 氢 能 产业 顶层 设计 ， 地方 政府 与 企业 积极 参与 氢 能 布局 ， 氢 能 技术 链 逐步 齐全 完善 ， 氢 能 产业 链 也 正在 逐渐 形成 ， “ 氢 能 中国 ” 战略 已 悄然 浮现 。
为了 给 氢 能 相关 产业 加快 发展 和 能源 公司 加速 转型 提供 理论 支持 ， 并 为 构建 “ 氢 能 中国 ” 提供 依据 和 参考 ， 阐述 了 氢 产业 链 中 制备 、 储运 、 应用 等 重点 环节 主要 关键 技术 进展 ， 分析 了 氢 能 工业化 现状 与 发展 趋势 ， 探讨 了 氢 工业 发展 所 面临 的 挑战 ， 展望 了 氢 能 产业 的 发展 与 未来 ， 以 期 加速 未来 全球 碳 中 和 目标 的 实现 。
1 氢 能 制备
氢 能 产业 链 分为 制氢 、 储 氢 、 运 氢 、 加 氢 、 用 氢 等 环节 。 其中 ， 制氢 技术 包括 化石 能源 制氢 、 电解 水 制氢 、 工业 副 产 氢 和 可 再生 能源 制氢 ， 以下 分 述 之 。
1.1 化石 能源 制氢
化石 能源 制氢 是 指 利用 煤炭 、 石油 和 天然气 等 化石 燃料 ， 通过 化学 热 解 或者 气化 生成 氢气 。 化石 能源 制氢 技术 路线 成熟 ， 成本 相对 低廉 ， 是 目前 氢气 最 主要 的 来源 方式 ， 但 在 氢气 生产 过程 中 也 会 产生 并 排放 大量 的 二氧化碳 。 因此 所 制 得 的 氢气 产品 被 称为 “ 灰 氢 ” 。 借助于 碳 捕 集 与 封存 技术 （ CCS ） ， 可以 有效 降低 该 制氢 方式 的 碳 排放量 ， 将 “ 灰 氢 ” 转变 为 “ 蓝 氢 ” ， 以 实现 未来 能源 的 可持续 发展 。 预计 在 未来 相当 长 一 段 时间 内 ， 化石 能源 制氢 仍然 将 是 氢气 的 最 主要 来源 方式 。
1. 1.1 甲烷 制氢
甲烷 （ CH 4 ） 作为 天然气 的 主要 成分 ， 在 所有 碳氢化合物 中 具有 最高 的 氢 元素 占比 。 因此 以 天然气 为 原料 的 甲烷 制氢 方法 具有 高 制氢 效率 、 最 低 的 碳 排放量 、 适用 于 大 规模 工业 产 氢 等 优点 。 甲烷 制氢 技术 主要 包括 蒸汽 重整 法 （ SRM ） 、 部分 氧化 法 （ POM ） 、 自热 重整 法 （ MATR ） 、 催化 裂解 法 （ MCD ） 。
目前 主要 的 甲烷 制氢 技术 路线 及其 优缺点 对比 如 表 1 所 示 。 从 表 1 可以 看出 ： ① SRM 是 在 750 ～ 920℃ 高温 和 3.5 MPa 高压 条件 下 ， 使用 Ni / Al 2 O 3 催化剂 ， 将 甲烷 和 蒸汽 催化 转化 为 氢气 和 碳 氧化物 [ 2 ] ， 该 工艺 主要 包括 重整 气 或 合成 气 的 生成 ， 水 煤气 变换 ( WGS ) 和 气体 净化 等 主要 步骤 ， 技术 成熟 ； ② POM 是 将 蒸汽 、 氧气 和 甲烷 转化 为 氢气 和 碳氧化物 ， 根据 与 氧气 或 蒸汽 的 反应 分为 催化 与 非 催化 重整 ， 在 催化 过程 中 ， 热量 由 受控 燃烧 提供 ， 甲烷 的 热效率 通常 介于 60% ～ 75% [ 3 ] ； ③ MATR 是 将 放热 的 POM 反应 与 吸热 的 SRM 反应 联 用 ， 通过 反应 体系 自 供热 来 增加 氢气 产量 ， 降低 成本 [ 4 ] ； ④ 在 MCD 反应 中 ， 氢气 的 唯一 来源 便 是 甲烷 本身 ， 无需 另外 引入 蒸汽 和 氧气 ， 不 会 产生 碳 排放 量 且 能耗 更 低 [ 5 ] 。 综 上 可知 ， 以 SRM 为 基础 ， 协同 发展 POM 、 MATR 和 MCD ， 借助于 高 活性 催化剂 研发 、 反应 装置 改进 等 方面 的 技术 突破 ， 体现 效率 与 经济性 的 综合 优势 ， 是 甲烷 制氢 技术 发展 的 趋势 。
表 1 主要 甲烷 制氢 技术 路线 及其 优缺点 对比 表
1 . 1.2 煤 制氢
煤 制氢 主要 工艺 是 将 煤 与 氧气 或 蒸汽 混合 ， 在 高温 下 转化 为 以 H 2 和 CO 为主 的 混合 气 ， 后 经 水 煤气 变换 （ WGS ） 、 脱 除 酸 气 、 氢气 提纯 等 流程 ， 获得 具有 高 纯度 的 氢气 产品 [ 6 ] 。 煤气化 制氢 过程 中 主要 发生 的 有效 反应 如下 ：
气化 （ 蒸汽 混合 ） C + H 2 O — →CO + H 2 ( 1 )
气化 （ 氧气 混合 ） C + 1 / 2O 2 — →CO ( 2 )
WGS 变换 CO + H 2 O — →CO 2 + H 2 ( 3 )
在 煤气 化 制氢 的 WGS 变换 步骤 中 ， 不仅 需要 催化剂 具有 可靠 的 活性 和 寿命 ， 而且 由于 煤 中 含有 硫 元素 ， 对 催化剂 的 抗 硫 能力 亦 提出 了 额外 的 要求 。 采用 Co - Mo 催化剂 体系 的 宽 温 耐 硫 变换 工艺 具有 卓越 的 抗 硫 能力 与 宽 适用 温度 范围 （ 200 ～ 550℃ ） ， 目前 被 广泛 用于 煤气 化 制氢 系统 中 。 经 WGS 变换 后 ， 气体 产物 主要 通过 低 能耗 的 低温 甲醇 清洗 ， 同时 实现 对 CO 2 和 含硫 气体 的 脱 除 。
煤 制氢 技术 发展 已经 有 200余 年 ， 技术 已 相当 成熟 ， 是 目前 最 经济 的 大 规模 制氢 技术 之一 ， 尤其 适合于 诸如 中国 等 化石 能源 结构 分布 不 均 、 多 煤炭 而 少 油气 的 国家 。 煤炭 资源 的 丰富 储量 和 低 成本 使得 煤气化 制氢 工艺 具有 更 好 的 经济 优势 ， 其 产 氢 成本 仅 为 8.3 ～ 19.5 元 人民币 （ 下同 ） / kg [ 7 ] 。 但 该 技术 所 需 设备 投资 随着 煤 制氢 规模 的 扩大 而 上升 ， 这 一点 也 不容忽视 ； 此外 ， 大量 CO 2 与 含硫 污染物 的 排放 也 是 一 大 困扰 。 为了 降低 能耗 、 提高 煤 制氢 效率 ， 煤 超 临界 水 气化 将 是 煤 制氢 技术 的 关键 攻关 方向 [ 8 ] 。
1 .1.3 甲醇 制氢
与 天然气 和 煤炭 相比 ， 以 甲醇 为 代表 的 二 次 石化 能源 产品 来源 丰富 且 更 易 储输 。 甲醇 制 氢 具有 反应 温度 低 、 氢气 易 分离 等 显著 优势 ， 近年 来 一直 备受 关注 。 蒸汽 重整 法 是 目前 使用 最为 广泛 的 甲醇 制氢 技术 路线 [ 9 ] ， 甲醇 和 蒸汽 在 高于 200℃ 环境 中 通过 催化剂 床 层 ， 其 主要 化学 反应 式 如下 ：
反应 热力学 和 反应 机理 的 研究 结果 证实 ， 该 反应 是 通过 甲醇 裂解 与 WGS 变换 两 步 反应 完成 的 ：
甲醇 蒸汽 重整 全 流程 需要 吸收 大量 的 热量 ， 必须 保证 外部 热源 平稳 供热 。 适用 于 该 技术 的 催化剂 种类 则 较为 丰富 ， 主要 有 镍 系 、 钯 系 、 铜 系 等 几 大 类型 ， 例如 Cu - Zn - Al 、 Cu - Ni - Al 体系 等 。 对于 氢气 产物 ， 可以 通过 变压 吸附 法 、 WGS 变换 反应 、 钯 膜 分离 技术 、 CO 甲烷 化 等 方式 除去 其中 的 CO 进行 纯化 。
当前 ， 甲醇 制氢 技术 具有 原料 丰富 且 易 储运 、 反应 温度 低 、 技术 成熟 、 氢气 产 率 高 、 分离 简单 等 优势 ， 已 可 满足 氢气 生产 的 技术 需求 ， 尤其 适合于 中 小 规模 的 现场 制氢 。 但 其 所 需 原料 甲醇 属于 二 次 能源 产品 ， 较之 于 天然气 和 煤炭 成本 较 高 ， 不 具有 经济 优势 ， 另外 CO 的 充分 清除 也 是 一 大 挑战 。 未来 该 技术 的 重点 将 集中 在 催化剂 与 反应器 的 开发 上 。 目前 国内 甲醇 制氢 技术 领先 的 企业 有 四川 亚联 高科 、 天采 科技 等 ， 可以 实现 10×10 4 m 3 / h 的 单 装置 制氢 效率 。
1.1.4 化石 燃料 结合 CCS 制 氢
CCS 技术 能够 大幅度 减少 化石 燃料 使用 过程 中 的 CO 2 排放量 。 将 CCS 技术 与 化石 能源 制氢 技术 相 结合 ， 可以 将 “ 灰 氢 ” 转变 为 “ 蓝 氢 ” ， 在 满足 低 成本 、 大 规模 制氢 需求 的 同时 大大 减少 碳 排放量 。
天然气 制氢 ， 如 采用 SRM 路线 并 结合 CCS 技术 ， 以 日 产 氢气 379 t 的 SRM 工厂 为 例 ， 产 氢 成本 将 从 2.08 美元 / kg 上升 至 2.27 美元 / kg 。 而 MATR 路线 与 CCS 技术 的 结合 ， 则 能 使得 蓝 氢 的 成本 降至 1.48 美元 / kg [ 10 ] 。 在 煤炭 制氢 领域 ， Burmistrz 等 [ 11 ] 研究 了 在 不同 煤炭 种类 、 不同 工艺 路线 的 情况 下 ， 煤炭 制氢 技术 与 CCS 耦合 前后 的 制氢 碳 排放 量 情况 ， 分别 为 19.42 ～ 25.28 kg ( CO 2 ) / kg ( H 2 ) 和 4.14 ～ 7.14kg ( CO 2 ) / kg ( H 2 ) 。 另 有 研究 表明 ， 结合 CCS 技术 的 煤炭 制氢 工艺 将 实现 83% 的 温室 气体 减排 率 ， 而 相应 地 制氢 成本 则 仅 上升 8% [ 12 ] 。
受限 于 CCS 技术 的 发展 现状 ， 当前 蓝 氢 项目 极度 依赖 国家 提供 的 巨额 补贴 ， 规模 不 大 ， 主要 由 德国 、 英国 、 美国 、 日本 等 发达 国家 主导 。 在 雪佛龙 、 BP 、 道达尔 等 众多 跨国 油气 公司 的 氢 能 发展 计划 中 ， “ 蓝 氢 ” 都 占有 一席之地 。 韩国 SK E&S 株式会社 宣布 ， 计划 到 2025年 成为 全球 最 大 的 蓝氢 供应商 ， 实现 年 产 蓝氢 25×10 4 t 的 目标 。 对于 现 阶段 蓝 氢 的 制备 ， 应当 积极 开展 与 各 类 主流 化石 能源 制氢 技术 相 配套 的 CCS 技术 ， 大力 开展 基础 研发 与 应用 示范 ， 促进 蓝 氢 成本 的 下降 。 如果 为 化石 能源 制氢 所 产生 的 大量 碳 找到 应用 市场 ， 在 碳 捕 集 封存 技术 的 基础 上 对 其 加以 利用 ， 蓝 氢 的 价格 还 将 进一步 降低 。
1 . 2 电解 水 制氢
电解 水 制氢 是 在 直流电 作用 下 将 水 进行 分解 进而 产生 氢气 和 氧气 的 一 项 技术 ， 其中 阴极 反应 为 析 氢 反应 （ Hydrogen Evolution Reaction ， 缩写 为 HER ） ， 阳极 反应 为 析 氧 反应 （ Oxygen Evolution Reaction ， 缩写 为 OER ） 。 该 技术 可以 采用 可 再生 能源 电力 ， 不 会 产生 CO 2 和 其他 有毒 有害 物质 的 排放 ， 从而 获得 真正 意义 上 的 “ 绿 氢 ” 。 电解 水 理论 转化 效率 高 、 获得 的 氢气 纯度 高 ， 但 目前 在 中国 的 氢 能源 结构 中 ， 电解 水 制氢 仅 占 1% ， 主要 限制 因素 是 高 成本 [ 13 ] ， 其中 电价 占 总 成本 的 60% ～ 70% [ 14 ] 。 电解 水 制氢 技术 主要 分为 碱性 电解 水 、 酸性 质子 交换 膜 电解 水 、 高温 固体 氧化物 电解 水 以及 其他 电解 水 技术 ， 以下 分 述 之 。
1 . 2 . 1 碱性 电解 水
碱性 电解 水 （ Alkaline Water Electrolysis , ALK ） 制氢 技术 已 有 数 十 年 的 应用 经验 ， 单 槽 产 氢 量 最高 可达 1 000 Nm 3 / h [ Nm 3 是 指 在 0 摄氏度 、 1 个 标准 大气压 （ atm ） 下 的 气体 体积 ， 1 atm = 0.101 325 MPa ， 下同 ] 。 其 工作 温度 介于 70 ～ 90℃ ， 工作 压力 介于 1 ～ 3 MPa ， 能源 效率 介于 59% ～ 70% [ 15 ] ， 电流 密度 通常 小于 0.4 A / cm 2 ， 制氢 能耗 介于 4.5 ～ 5.5 kWh [ 16 ] 。 在 碱性 电解 槽中 ， 由 镍 合金 组成 的 正 、 负极 浸没 在 浓度 约 为 30% 的 氢氧化钾 碱性 电解质 中 ， 正 、 负 电极 间 被 石棉 （ 或 尼龙 、 涤纶 布 等 多 孔 材料 ） 隔膜 分隔 。 电解 槽 通电 后 ， 水 分子 在 阴极 得 电子 产生 氢气 和 氢氧 根 离子 ， 隔膜 只 允许 氢氧 根 离子 穿过 ， 随后 氢氧 根 离子 在 阳极 失 电子 被 还原 生成 氧气 。 较之 于 其他 制氢 技术 ， 碱性 电解 水 制氢 可以 采用 非 贵 金属 催化剂 且 电解 槽 具有 15 年 左右 的 长 使用 寿命 ， 因此 具有 成本 上 的 优势 和 竞争力 。 但是 ， 该 技术 使用 的 电解质 是 强 碱 ， 具有 腐蚀性 且 石棉 隔膜 不 环保 ， 具有 一定 的 危害性 ， 加之 其 启动 速度 及 调节 制氢 速度 都 较 慢 ， 因而 与 可 再生 能源 发电 的 适配 性 还 有待于 进一步 提升 。
挪威 Nel 公司 是 碱性 电解 水 制氢 机 的 龙头 制造商 ， 该 公司 研发 的 A 系列 模块 化 碱性 电解 水 制氢 机 ， 产 氢 量 覆盖 50 ～ 3 880 Nm 3 / h ， 最高 日 产 氢 量 超过 8 t ， 模块 化 的 结构 可以 根据 客户 不同 的 应用 需求 提供 有 针对性 的 解决 方案 。 始 于 2015年 的 沽 源 风 电 制氢 综合 利用 示范 项目 是 我 国 首 个 风 电 制氢 工业 应用 项目 ， 该 项目 与 德国 的 Mc Phy 、 Encon 公司 进行 技术 合作 ， 总 投资 20.3亿 元 ， 投 建 10 MW 电解 水 制氢 系统 ， 配合 200 MW 风 电 场 制氢 ， 项目 建成 后 ， 可以 形成 年 制氢 1 752×10 4 Nm 3 的 生产 能力 ， 成为 迄今 我 国 最 大 的 风 电 制氢 示范 项目 。
1 . 2 . 2 酸性 质子 交换 膜 电解 水
酸性 质子 交换 膜 （ Proton Exchange Membrane , PEM ） 技术 近年 来 产业化 发展 迅速 。 其 制氢 原理 与 碱性 电解 水 制氢 原理 相同 ， 但 使用 固态 聚合物 阳 离子 交换 膜 代替 石棉 隔膜 ， 通过 此 交换 膜 分隔 阴阳 两 极 并 传导 导电 氢 离子 。 质子 交换 膜 内 亲 水 相 与 疏 水 相 的 微 相 分离 结构 引起 亲 水 团 簇 的 聚集 ， 从而 形成 了 质子 传输 通道 。 目前 ， PEM 单 槽 产 氢 量 最高 可达 400 Nm 3 / h 。 其 工作 温度 介于 50 ～ 80℃ ， 制氢 能耗 介于 4.4 ～ 5.0kWh [ 17 ] 。 质子 交换 膜 制氢 技术 无 污染 、 运行 电流 密度 高 、 转换 效率 高 、 所 产 氢气 压力 高 ， 便于 氢 的 传输 、 可以 毫秒 级 启动 ， 适应 可 再生 能源 发电 的 波动 性 特征 ， 易于 与 可 再生 能源 消 纳 相 结合 ， 是 目前 电解 水 制氢 的 理想 方案 。 但是 PEM 需要 使用 含 贵 金属 （ 铂 、 铱 ） 的 电 催化剂 和 特殊 膜 材料 ， 成本 较 高 ， 使用 寿命 也 不 如 碱性 电解 水 制氢 技术 。
质子 交换 膜 作为 PEM 制氢 技术 的 核心 材料 被 国外 企业 占据 主导 ， 全球 市场 占有率 超过 90% 。 其中 ， 商业化 应用 数量 最多 的 是 美国 杜邦 公司 的 Naﬁon 系列 全 氟磺酸 质子 膜 ， Naﬁon 211 在 60℃ 电 导率 达 140 m S / cm 。 美国 Proton Onsite 公司 是 PEM 制氢 机 的 领先 生产 企业 ， 该 公司 可 量产 单 电 堆 2 MW 的 电解 槽 ， 其 业务 遍及 全球 72 个 国家 ， 已 交付 电解 水 制氢 装置 超过 2 000 套 ， 拥有 70 % 的 PEM 电解 水 制氢 市场 占有率 。 我 国 的 质子 交换 膜 制造 企业 面临 技术 、 市场 、 人才 和 资金 的 四 大 壁垒 ， 目前 山东 东岳 集团 已 研制 出 接近 杜邦 Naﬁon 性能 的 产品 。 在 PEM 电解 槽 制造 方面 ， 阳光 电源 成立 了 氢 能 事业部 ， 与 中国 科学院 大连 化学 物理 研究所 合作 ， 于 2021 年 4 月 推出 SEP50 PEM 电解 槽 ， 功率 为 250 kW ， 是 目前 国内 具备 量产 能力 的 PEM 电解 槽 。
1 . 2 . 3 高温 固体 氧化物 电解 水
高温 固体 氧化物 （ Solid Oxide Electrolysis Cell , SOEC ） 电解 水 制氢 技术 目前 还 处于 前期 研究 阶段 ， 包含 质子 — 固体 氧化物 、 氧 离子 — 固体 氧化物 以及 二氧化碳 联合 电解 共计 3 种 方式 。 他们 都 可以 使用 固态 陶瓷 作为 电解质 ， 需要 在 500 ～ 1 000℃ 的 高温 下 反应 。 由于 高温 会 使 反应 的 吉布斯 自由 能 变化 量 降低 ， 电解 需要 的 平衡 电压 也 较 低 。 例如 ， 在 800℃ 、 0.1 MPa 的 条件 下 ， 电解 水蒸气 的 平衡 电压 只 需 0.85V [ 18 ] ， 因而 可以 省 电 降 成本 。 此外 ， 固体 氧化物 制氢 技术 的 动力学 性能 优秀 ， 可以 达到 或 接近 100 % 的 转换 效率 ， 使用 的 催化剂 不 依赖 于 贵重 金属 。 但 目前 该 技术 的 缺陷 包括 ： ① 电极 的 机械 性能 在 高温 下 不 够 稳定 ； ② 高温 还 会 导致 电解 槽中 玻璃 — 陶瓷 密封 材料 寿命 缩短 ； ③ 在 与 波动 性 高 、 输出 不 稳定 的 可 再生 能源 电力 匹配 方面 ， 高温 反应 条件 的 升温 速率 也 亟待 突破 。
1 ） 质子 — 固体 氧化物 技术 使用 质子 导 通 型 钙 钛 矿 作为 阳极 、 镍 — 陶瓷 作为 阴极 ， 较之 于 氧 离子 — 固体 氧化物 ， 前者 产 氢 不 需要 额外 的 干燥 过程 。 这 可以 简化 系统 的 结构 并 节约 成本 [ 19 ] 。 此外 ， 该 技术 可以 在 相对 较 低 的 温度 中 （ 500 ～ 700℃ ） 保持 高效 电解 [ 20 ] 。 这 可以 使 耐用性 得以 提高 ， 弱化 由 腐蚀 和 污染 引起 的 材料 退化 等 不足 [ 21 ] 。
2 ） 氧 离子 — 固体 氧化物 技术 常见 的 阳极 材料 有 掺 锶 亚 锰 酸 镧 （ LSM ） 、 钇 稳定 氧化 锆 （ YSZ ） 等 [ 22 - 23 ] ； 阴极 可 采用 镍 — 钇 稳定 氧化 锆 （ Ni - YSZ ） 。 该 技术 存在 的 问题 是 长期 稳定性 差 和 层 间 扩散 等 。 Kim 等 [ 24 ] 引入 了 混合 固体 氧化物 电解 池 的 概念 ， 以 BZCYYb 作为 电解液 ， 将 质子 SOEC 和 氧 离子 SOEC 结合 起来 ， 实现 了 60 h 的 优异 稳定性 ， 同时 也 保持 了 超高 的 电化学 产 氢 性能 。
3 ） 二氧化碳 联合 电解 可 将 水蒸气 和 二氧化碳 直接 以 电化学 的 方式 转化 为 氢气 、 一氧化碳 或 氢气 加 一氧化碳 的 合成 气 。 此 项 技术 可以 捕获 水蒸气 和 二氧化碳 ， 再 循环 合成 人类 必需 的 化工 产品 ， 如 汽油 、 甲醇 和 氨 [ 25 ] 。 该 技术 在 反应 中 有 可能 形成 碳 沉积 ， 影响 电极 的 微观 结构 ， 使 电解 槽 性能 退化 [ 15 ] 。 Xing 等 [ 26 ] 已 制备 了 铜 浸渍 的 LSCM 阴极 ， 对 蒸汽 和 二氧化碳 的 联合 电解 进行 了 评估 ， 该 电极 可以 承受 在 750℃ 下 进行 的 超过 50 h 的 联合 电解 耐久性 测试 。
1 . 2 . 4 其他 电解 水
其他 的 电解 水 技术 例如 碱性 阴 离子 交换 膜 （ Anion Exchange Membrane , AEM ） 电解 水 技术 ， 其 与 PEM 的 根本 区别 在于 将 膜 的 交换 离子 由 质子 换为 氢氧 根 离子 。 氢氧 根 离子 的 相对 分子 质量 是 质子 的 17 倍 ， 这 使得 其 迁移 速度 比 质子 慢 得 多 。 该 技术 工作 温度 较 低 ， 介于 40 ～ 60℃ 的 范围 内 ， 工作 压力 低于 3.5 MPa ， 能源 效率 介于 60% ～ 79% ， 电流 密度 介于 1 ～ 2 A / cm 2 [ 16 ] 。 AEM 的 优势 是 不 存在 金属 阳 离子 ， 不 会 产生 碳酸盐 沉淀 堵塞 制氢 系统 。 AEM 中 使用 的 电极 和 催化剂 是 镍 、 钴 、 铁 等 非 贵 金属 材料 且 产 氢 纯度 高 、 气 密 性 好 、 系统 响应 快速 ， 与 目前 可 再生 能源 发电 的 特性 十分 匹配 。 不过 AEM 目前 仍然 存在 着 以下 不足 ： ① 膜 的 氢氧 根 离子 导 通 率 较 低 ； ② 膜 的 机械 稳定性 不 高 ； ③ AEM 中 电极 结构 和 催化剂 动力学 需要 优化 。 碱性 阴 离子 交换 膜 制氢 技术 主要 处于 实验室 研发 阶段 ， 商品化 的 阴 离子 膜 不 多 ， 基本上 都 来自 外国 厂商 ， 例如 日本 Tokuyama 公司 的 A201 ， 膜 厚 28µm ， 拉伸 强度 可达 96 MPa ， 氢氧 根 离子 传导 率 为 42 mS / cm 。 此外 ， 加拿大 Ionomr 公司 AEMI - ON 系列 中 的 部分 型号 的 传导 率 更加 突出 ， 可以 超过 80 mS / cm [ 27 ] 。
1 . 3 工业 副 产 氢
氯 碱 工业 、 煤焦 化 工业 等 生产 过程 中 都 会 产生 大量 的 副产 氢气 ， 但 这 类 资源 尚 未 被 充分 开发 利用 ， 主要 原因 是 副产 氢气 纯度 不 高 、 提纯 工艺 对 设备 与 资金 要求 高 以及 下游 市场 对 氢气 的 需求量 目前 还 较 少 。 随着 氢 能 行业 的 蓬勃 发展 和 氢气 提纯 技术 及 相关 工业 技术 的 进步 ， 工业 副 产 氢 将 逐渐 具备 经济性 上 的 竞争力 。
1. 3.1 焦炉 气 副 产 氢
焦炉 气 （ COG ） 是 炼 焦 工业 中 的 副产品 ， 主要 成分 为 氢气 （ 含量 介于 55% ～ 60% ） 、 甲烷 （ 含量 介于 23% ～ 27% ） 和 少量 CO 、 CO 2 等 。 通常 每 吨 干煤 可 生产 300 ～ 350 m 3 焦炉 气 ， 是 副 产 氢 的 重要 来源 之一 [ 28 ] 。
在 炼 焦 工业 中 湿 法 熄 焦 方法 较为 常用 ， 即 通过 用 水 喷淋 高温 焦炭 的 方式 对 其 实现 降温 ， 该 过程 会 发生 WGS 变换 生成 大量 的 氢气 。 这 部分 氢气 的 产生 不 需要 额外 的 生产 流程 ， 可以 直接 净化 、 分离 和 提纯 。 目前 炼焦厂 主要 采用 变压 吸附 （ PSA ） 技术 从 焦炉 煤气 中 分离 获取 高 纯度 氢气 。 大 规模 的 焦炉 气 制氢 则 一般 采取 深 冷 分离 与 PSA 相 结合 的 方法 来 实现 氢气 分离 。 另外 ， 金属 膜 分离 技术 的 耗能 更 少 且 能够 连续 操作 ， 也 有望 应用 于 大 规模 从 焦炉 气中 分离 氢气 [ 29 ] 。 此外 ， 焦炉 气 分离 出 氢气 后 的 主要 组分 为 甲烷 ， 可以 将 其 进行 提纯 ， 结合 SRM 技术 可 进一步 实现 焦炉 气 中 氢 能 资源 的 最大化 提取 。
当前 焦炉 气 制氢 技术 已 具有 相当 的 规模 ， 可 产 氢 1 000 Nm 3 / h [ 30 ] 。 我 国 副 产 煤气 可 提供 811×10 4 t / a 的 氢 产 能 ， 氢 源 占比 为 20.0% 。 焦炉 气 直接 分离 氢气 成本 相对 较 低 ， 利用 焦炉 气 转化 的 甲烷 制氢 亦 能 实现 有效 利用 ， 焦炉 气 副 产 氢 比 天然气 和 煤炭 制氢 等 方式 更 具 经济 优势 。 焦炉 气 制氢 应用 发展 的 关键 在于 氢气 提纯 技术 的 发展 和 炼焦 行业 下游 综合 配套 设施 的 健全 。
1 .3.2 氯 碱 工业 副 产 氢
氯 碱 工业 是 最 基本 的 化学 工业 之一 。 在 氯 碱 工业 中 ， 通过 电解 饱和 NaCl 溶液 的 方法 制取 烧碱 ( 一般 指 氢氧化钠 ) 和 氯气 ， 同时 得到 副产品 氢气 ， 可 通过 PSA 技术 进行 纯化 分离 [ 31 ] 。 每 制取 1 t 烧碱 便 会 产生 大约 280 Nm 3 （ 质量 约 为 25 kg ） 的 副 产 氢气 [ 32 ] 。 其 反应式 如 下 ：
氯 碱 产 氢 反应 的 化学 原理 和 生产 过程 与 电解 水 制氢 类似 ， 氢气 纯度 可达 98.5% ， 其中 主要 杂质 为 反应 过程 中 混入 的 氯气 、 氧气 、 氯化氢 、 氮气 以及 水蒸气 等 ， 一般 通过 PSA 技术 进行 纯化 分离 获得 高 纯度 氢气 [ 31 ] 。 大型 先进 氯 碱 装置 的 产 氢 成本 可以 控制 在 1.3 ～ 1.5 元 / Nm 3 ， 成本 接近 于 煤炭 、 天然气 等 化石 能源 制氢 。 但 从 CO 2 气体 减排 效果 进行 分析 ， 氯 碱 副 产 氢 全 生命 周期 CO 2 气体 排放量 为 1.3 ～ 9.8kg ( CO 2 ) / kg ( H 2 ) ， 比 SRM 制氢 技术 低 了 20% ～ 90% , CO 2 减排 优势 显著 [ 33 ] 。 氯 碱 副 产 氢 具有 产品 纯度 高 、 原料 丰富 、 技术 成熟 、 减排 效益 高 以及 开发 空间 大 等 优势 。 大力 发展 对 这 类 工业 副 产 氢 的 纯化 与 利用 ， 可以 使 氯 碱 企业 加入 到 氢 能 行业 的 发展 潮流 中 ， 走上 从 耗能 到 造 能 的 转变 之 路 。
1 .3.3 石化 副 产 氢
石化 副 产 氢 主要 包括 炼油 重整 、 丙烷 脱 氢 、 乙烯 生产 等 副 产 氢 。 丙烷 催化 脱 氢 生产 丙烯 （ PDH ） 技术 是 指 在 高温 催化 条件 下 ， 丙烷 分子 上 相邻 两 个 C 原子 的 C — H 键 发生 断裂 ， 脱 除 一 个 氢气 分子 得到 丙烯 的 过程 （ 反应 式 8 ） 。 该 过程 原料 来源 广泛 、 反应 选择性 高 、 产物 易 分离 ， 副 产 气体 中 的 氢气 占比 高 、 杂质 含量 少 ， 具有 重要 的 收集 利用 价值 ， 越来越 受到 人们 的 青睐 。
丙烷 脱 氢 工艺 一般 在 循环 流 化 床 或 固定 床 反应器 中 进行 ， 只 需 配套 相应 的 PSA 或 膜 分离 装置 ， 即 可 得到 高 纯度 氢气 （ 含量 大于 等于 99.999% ） 。 以 年产 60×10 4 t 规模 的 丙烷 脱 氢 生产线 为 例 ， 其 副 产 粗 氢 量 大约 可达 3.33×10 8 Nm 3 。 预期 到 2023 年 ， 国内 的 丙烷 脱 氢 副 产 氢 规模 可达 44.54×10 4 t / a 。 从 丙烷 脱 氢 工艺 产出 的 氢气 无需 额外 的 制氢 原料 ， 并且 氢气 净化 再 投入 也 相对 较 少 ， 因而 具有 较 好 的 成本 优势 ， 成本 可以 控制 在 0.89 ～ 1.43 元 / Nm 3 的 水平 [ 30 ] 。 随着 丙烷 脱 氢 工艺 的 持续 发展 和 成本 的 逐步 降低 ， 该 技术 在 丙烯 合成 工业 上 的 占比 也 将 日益 加大 。 此外 ， 随着 例如 乙烷 高温 裂解 脱 氢 合成 乙烯 等 石化 副 产 氢 工艺 的 逐渐 发展 ， 协同 各 类 新型 气体 分离 与 纯化 技术 ， 这 类 工业 副 产 氢 的 利用 将 愈发 凸显 价值 [ 34 ] 。
1.4 可 再生 能源 制氢
1 . 4.1 光 催化 制氢
光 催化 制氢 技术 旨 在 利用 光 合成 技术 驱动 化学 反应 ， 从 水 或 有机物 中 制取 氢气 ， 目前 研究 最为 广泛 亦 最 具 前景 的 是 光 解水 制氢 技术 。 光 解 水 制氢 技术 的 实质 是 利用 半导体 材料 作为 催化剂 驱动 水 的 分解 。 根据 固体 材料 的 能 带 理论 ， 当 入 射 光子 的 能量 大于 半导体 光 催化剂 的 带 隙 时 ， 电子 可以 从 价 带 （ VB ） 激发 到 导 带 （ CB ） ， 并 分别 产生 光 生 空穴 和 电子 对 ， 空穴 将 水 中 的 OH - 氧化 得到 O 2 ， 电子 将 水 中 的 H + 还原 生成 H 2 [ 35 ] 。 以 典型 的 纳米 Ti O 2 催化剂 为 例 [ 36 ] ， 光 解 水 制 氢 反应 如下 ：
光 解 水 制氢 的 关键 在于 光 催化剂 的 开发 设计 ， 其 需 同时 兼具 高 光 吸收 效率 、 快 载 流 子 分离 、 高 表面 催化 活性 及 长效 光 化学 稳定性 。 日本 在 光 催化 制氢 技术 研究 领域 中 最为 领先 ， 东京 大学 Domen 团队 近期 开展 了 一 项 100 m 2 规模 的 太阳能 光 催化 水 制氢 示范 研究 ， 可 在 数 月 内 安全 运行 。 中国 石油 勘探 开发 研究院 与 泊菲莱 科技 公司 合作 ， 开发 了 一 套 可以 稳定 运行 的 5 m 2 级 光 解 水 反应 系统 ， 达到 国内 领先 水平 。 而 在 基础 研究 方面 ， 国内外 差距 不 大 。 近年 来 研究者 们 已 在 光 催化剂 的 基础 研究 方面 取得 了 一些 进展 ， 例如 ， Liu 等 [ 37 ] 在 Ti O 2 上 实现 了 铜 单 原子 的 大 规模 高 分散 负载 （ 质量 分数 超过 1% ） ， 其 在 光 解 水 反应 中 具有 101.7 mmol / ( g · h ) 的 H 2 生成 速率 ， 并 在 365nm 处 表现 出 高达 56% 的 表 观 量子 效率 。 Domen 等 [ 38 ] 设计 并 制备 了 一 种 改 性 铝 掺杂 钛酸 锶 ( SrTiO 3 : Al ) 催化剂 ， 在 350 ～ 360 nm 波长 光照 下 实现 了 具有 高达 96% 量子 产 率 的 光 解 水 反应 。 然而 ， 目前 最 好 的 光 催化 制氢 效率 仅 在 4 % 左右 ， 离 实际 应用 还 存在 着 一定 的 距离 。
1 . 4.2 光电 催化 制氢
光电 催化 是 指 在 光 照射 下 ， 半导体 光 阳极 吸收 光子 产生 电子 — 空穴 对 ， 其中 空穴 直接 在 光 阳极 将 OH - 氧化 得到 氧气 ， 而 光 生 电子 则 在 外加 偏 压 下 流经 导线 到达 金属 对 电极 ， 并 在 对 电极 上 还原 H + 产生 氢气 。 该 技术 可以 有效 减少 电子 — 空穴 对 的 复合 ， 从而 提高 产 氢 效率 。 早 在 1972 年 ， 日本 东京 大学 的 Fujishima 和 Honda 利用 Ti O 2 半导体 单晶 薄 膜 作为 电极 ， 首次 实现 了 光电 催化 水 分解 生成 氢气 [ 39 ] 。 光电 催化 水 分解 反应 过程 如下 [ 40 ] :
光电 催化 制氢 技术 的 关键 在于 寻求 具有 适宜 禁 带 宽度 、 灵敏 光 响应 、 高 表面 活性 的 半导体 光电 极 催化 材料 。 另外 ， 借助于 对 光电 化学 池 结构 的 设计 与 改进 、 电解液 配方 的 优化 、 助 催化剂 的 引入 等 途径 ， 也 是 提高 光电 催化 制氢 效率 的 主要 研究 方向 [ 41 ] 。 同 光 催化 制氢 一样 ， 光电 催化 制氢 仍然 停留 在 实验室 基础 研究 阶段 。 日本 在 该 领域 研究 时间 最 长 、 技术 最为 领先 。 国内 如 中国 科学院 赵进才 院士 、 李灿 院士 等 团队 在 光电 解 水 制氢 研究 方向 上 亦 达到 了 世界 前沿 水平 。 例如 ， Li 等 [ 42 ] 使用 梯度 Mg 掺杂 来 提高 Ta 3 N 5 材料 的 电荷 分离 效率 ， 实现 了 0.4 V 的 低 起始 电位 与 3.25±0.05% 的 高 光电 效率 。 李灿 院士 团队 [ 43 ] 设计 了 一 种 Co 4 O 4 / pGO / BiVO 4 / SnO x 复合 材料 作为 光 阳极 ， 与 有机 聚合物 PBDB - T : ITIC : PC 71 BM 光 阴极 联 用 得到 高达 4.3% 的 产 氢 效率 。 尽管 光电 催化 制氢 技术 还 未 达到 产 氢 效率 10% 的 商业化 应用 要求 ， 但 其 仍然 是 绿 氢 制备 领域 的 一 个 重要 前沿 研究 热点 。
1 . 4 .3 微生物 制氢
微生物 制氢 工艺 流程 简单 、 原料 丰富 ， 是 一 种 极 具 潜力 的 产 氢 技术 。 根据 能量 来源 不同 ， 微生物 制氢 方法 可以 分为 光合 法 与 发酵 法 两 类 [ 44 ] 。 微生物 光合 法 制氢 的 能量 来源 是 太阳能 ， 一些 藻类 以及 光 合 菌类 能够 在 厌 氧 条件 下 ， 利用 光合 作用 分解 底 物 获得 氢气 ； 绿 藻 等 微 藻类 与 一些 蓝 细菌 ， 可以 发生 由 氢 酶 催化 的 光 解 水 反应 ； 而 对于 一些 光合 自养 细菌 ， 在 厌 氧 有 光 状态 下 可 发生 光 发酵 反应 ， 将 有机 酸 分解 为 H 2 和 CO 2 。 微生物 发酵 制氢 大多 利用 有机质 的 发酵 分解 来 获取 氢气 ， 其 能量 来源 是 生物 质 能 和 化学 能 ， 如 富含 有机 底 物 的 工业 废水 或 农业 废料 ， 常见 的 发酵 产 氢 微生物 主要 有 各 类 产 氢 梭菌 、 嗜 热 细菌 以及 大肠杆菌 等 。
截至 目前 ， 全球 共 有 25 个 国家 进行 了 生物 制氢 方面 的 研究 ， 中 美 两 国 处于 绝对 领先 的 位置 。 但 关于 生物 制氢 的 研究 基本上 还 处于 实验室 阶段 ， 离 大 规模 商业化 应用 还 有 较 长 的 距离 。 国内 达到 产业化 规模 并 实现 盈利 的 生物 制氢 系统 尚 未 出现 ， 只有 个别 实验室 进入 到 中 试 放大 阶段 。 例如 ， 哈尔滨 工业 大学 的 任南琪 团队 近期 建成 了 国内 首 座 100 m 3 的 有机 废水 暗 发酵 制氢 的 生产性 示范 工程 ， 日 产 氢 量 高 达 322 m 3 。 在 基础 研究 方面 ， Nissilä 等 [ 45 ] 通过 热处理 纤维素 植物 和 堆肥 废料 ， 得到 富含 Thermoanaerobacterceae 类 发酵 产 氢 细菌 的 富 集 培养 物 ， 用于 己糖 发酵 产 氢 ， 实现 了 1 . 4 mol ( H 2 ) / mol ( 底 物 ) 的 产 氢 效率 。 Mann 等 [ 46 ] 培养 了 一 种 细菌 / 藻类 细胞 群落 聚集 体 ， 将 有 氧 呼吸 和 低 氧 光合 作用 协同 结合 ， 实现 了 168 h 的 长 时间 连续 产 氢 。 微生物 制氢 技术 的 发展 有待于 未来 在 培育 筛选 技术 、 制氢 工艺 改进 及 制氢 机理 研究 等 方面 的 持续 突破 。
1.5 各 类 制氢 技术 对比
综上所述 可 得出 以下 认识 ： ① 化石 燃料 制氢 技术 成熟 、 成本 低廉 ， 将 在 一定 时期 内 占据 市场 的 主要 份额 ， 其 发展 重点 在于 结合 CCS / CCUS 技术 减少 碳 排放 量 ， 实现 由 灰 氢 向 蓝 氢 的 转变 ； ② 工业 副 产 氢 资源 丰富 ， 可 发展 空间 大 ， 核心 在于 气体 分离 纯化 技术 的 发展 与 配套 设施 的 完善 ； ③ 电解 水 与 可 再生 能源 发电 耦合 制氢 技术 ， 是 未来 绿 氢 大 规模 制取 的 主要 方式 ， 重点 在于 降低 可 再生 能源 电 价 及 提升 电解 水 制氢 效率 、 降低 产 氢 成本 ； ④ 光 催化 、 光电 催化 等 新型 制氢 技术 还 未 达到 大 规模 工业化 应用 的 需求 ， 需要 加强 基础 研究 与 示范 应用 推广 。
氢气 是 氢 能 产业 的 基础 ， 氢 工业 能否 规模 发展 利用 所 取决 的 主要 因素 之一 就 是 制氢 成本 。 表 2 列举 了 主要 制氢 技术 的 成本 计算 结果 [ 33 , 47 - 48 ] 。 从 表 2 可以 看出 ： ① 当前 ， 化石 能源 制氢 依然 在 成本 上 有 着 难以 比拟 的 优势 ， 结合 CCS 技术 后 成本 有所 上升 ， 但 仍旧 具有 成本 优势 ； ② 工业 副 产 氢 与 微生物 发酵 制氢 的 成本 与 化石 能源 制氢 大致 持平 ， 但 规模 有限 ； ③ 电解 水 制氢 成本 为 化石 能源 制氢 的 2 ～ 3 倍 ， 差距 较 大 ， 需要 大幅度 降低 电力 成本 、 提升 电解 水 容量 和 降低 系统 造价 成本 。 随着 光 伏 电 价 的 下降 ， 预计 到 2035 年 和 2050 年 ， 在 碱性 电解 水 制氢 生产 中 ， 电费 成本 将 分别 下降 37% 和 50% ， 相应 的 氢气 成本 则 分别 为 18.7 元 / kg 和 14.8 元 / kg ， 可 与 化石 能源 制氢 成本 持平 。
表 2 不同 制氢 技术 的 成本 计算 结果 表
针对 各 类 制氢 技术 在 氢 能 行业 的 发展 布局 与 规划 ， 应当 综合 考虑 技术 水平 、 碳 排放量 和 产 氢 成本 这 3 个 方面 的 因素 ， 稳步 推进 从 灰 氢 到 蓝 氢 再 到 绿 氢 的 转变 ， 铸 就 低 碳 环保 的 氢 能 行业 基石 ， 支撑 起 氢 能 全 产业 链 发展 ， 助力 构建 “ 氢 能 中国 ” 。
2 氢能 储运
氢 的 储运 技术 可 分为 物理 储 运 氢 和 化学 储 运 氢 两 大 类别 。 其中 前者 包括 高压 气态 、 低温 液化 、 管道 、 物理 吸附 等 。 后者 包括 无机 储 氢 材料 和 有机 储 氢 材料 ， 其中 无机 储 氢 材料 包括 金属 氢化 物 、 络 合 氢化 物 、 复合 氢化 物 和 化学 氢化 物 ； 有机 储 氢 材料 包括 环烷烃 、 氮 杂 环 、 液 氨 、 甲酸 和 甲醇 等 。 以下 分述 之 。
2.1 物理 储运 氢
2.1.1 高压 气态 储运 氢
高压 气态 储 氢 是 一 种 最 简单 直接 的 储存 方式 ， 是 将 氢气 压缩 储存 在 高压 瓶 当中 ， 一般 储存 压力 介于 35 ～ 75 MPa 。 该 方式 具有 充放 氢 速度 快 、 技术 相对 成熟 、 常温 操作 以及 成本 低 等 优点 ， 但 缺点 是 能量 密度 低 ， 常压 下 仅 为 0.003 kWh ( LHV Hydrogen ) / L ( LHV Hydrogen 表示 氢 的 低位 热值 ， Lower Heating Value of Hydrogen , 1 LHV hydrogen = 33.3 kWh / kg ) , 70 MPa 压力 下 能量 密度 可 增加 至 1.2 kWh ( LHV Hydrogen ) / L ， 稍 高于 锂 电池 的 平均 能量 密度 0.5 kWh ( LHV Hydrogen ) / L [ 49 ] 。 另 一 方面 ， 由于 氢气 密度 比较 低 ， 较之 于 储存 相同 重量 的 汽 柴油 ， 前者 所 占 体积 十分 庞大 。 为了 避免 氢气 泄漏 和 容器 破裂 ， 高压 储 氢 通常 都 需要 耐压 厚重 的 容器 [ 50 ] 。 车载 储 氢 瓶 主要 使用 由 碳纤维 外层 和 铝 / 塑料 内胆 构成 的 新型 轻 质 耐压 储 氢 容器 [ 51 ] 。 70 MPa 碳纤维 缠绕 IV 型 瓶 在 国外 已 被 广泛 使用 ， 如 美国 Impco 公司 采用 的 超 轻 型 Trishield 可 进行 70 MPa 储 氢 ， 质量 储 氢 密度 为 7.5% ； 加拿大 Dynetek 公司 已 投入 工业化 生产 的 70 MPa 高压 储 氢 瓶 ， 采用 铝合金 内 胆 和 碳纤维 / 树脂 基体 复合 增强 外 包 层 ； 法国 Faurecia 公司 的 IV 型 储 氢 瓶 采用 优化 的 碳 纤维 结构 设计 可 减 重 15% ～ 20% 等 。 国内 由于 高端 碳纤维 技术 不 够 成熟 ， 无法 规模化 生产 且 复合 材料 成本 较 高 ， 目前 主要 以 35 MPa III 型 瓶 为主 ， 所以 低 成本 高压 临 氢 环境 用 新 材料 将 是 研发 的 重点 [ 52 ] 。 固定 式 高压 气态 储 氢 主要 使用 的 是 大 直径 储 氢 长 管 和 钢 带 错 绕 式 储 氢 罐 ， 石家庄 安瑞科 气体 机械 有限 公司 开发 的 45 MPa 储 氢 瓶 组 、 浙江 大学 与 巨化 集团 有限 公司 制造 生产 的 2 台 98 MPa 立式 高压 储 罐 均 已 应用 于 国内 加 氢 站 中 [ 53 ] 。 高压 气态 储 运 氢 的 应用 场景 主要 是 面对 制氢 厂 、 加 氢 站 或 化工厂 等 地 ， 以及 不 超过 500 km 的 短 距离 用量 不 大 、 用户 分散 的 氢气 需求 地 。
2.1.2 低温 液化 储运 氢
低温 液化 储 氢 是 指 将 氢气 在 低温 高压 条件 下 ， 基于 高压 氢气 绝热 膨胀 原理 ， 液化 后 储存 在 容器 中 的 储 氢 方式 。 低温 液化 储 氢 具有 质量 密度 高 、 储存 容器 体积 小 等 优点 ， 适用 于 重型 公路 运输 、 海上 运输 和 部分 航空 领域 。 目前 其 质量 储 氢 密度 和 体积 储 氢 密度 可 达到 5.5% 和 71 kg/m 3 [ 54 ] 。 由于 氢气 的 相 变 焓 为 0.45 MJ / kg ， 将 氢气 从 气 相 变为 液 相 需要 消耗 大量 的 冷却 能量 ， 理论 上 液化 1 kg 氢气 需要 耗费 4 ～ 10 kWh 的 电 ， 约 占 其 储存 能量 的 30% 。 另外 ， 为了 保证 液 氢 湿度 始终 保持 在 20 ～ 30 K 之间 ， 防止 储存 过程 中 因 温度 升高 导致 的 汽化 现象 ， 需要 液 氢 储存 容器 必须 达到 苛刻 的 绝热 条件 ， 生产 技术 变 得 更加 复杂 ， 储 氢 成本 增加 [ 55 ] 。 因此 ， 如何 降低 液化 与 贮存 成本 是 低温 液态 储 氢 产业化 的 发展 方向 。 目前 ， 在 欧 、 美 、 日 等 国家 和 地区 液 氢 技术 的 发展 已经 相对 成熟 ， 液 氢 储运 等 环节 已 进入 规模 化 应用 阶段 。 我 国 液氢 技术 主要 应用 在 航天 领域 ， 民用 领域 尚 处于 起步 阶段 ， 氢 液化 系统 的 核心 设备 仍然 依赖 于 进口 。
2 . 1.3 管道 储运 氢
管道 储运 氢气 可以 分为 纯 氢 管道 运输 和 利用 现有 天然气 管道 掺 氢 运输 两 种 模式 。 低压 纯 氢 管道 适合 大 规模 、 长 距离 的 运 氢 方式 。 由于 氢气 需 在 低压 状态 （ 工作 压力 介于 1 ～ 4 MPa ） 下 运输 ， 因此 较之 于 高压 运 氢 ， 管道 输 氢 的 能耗 更 低 ， 但 管道 建设 的 初始 投资 较 大 。 全球 管道 输 氢 迄今 已 有 80余 年 的 历史 ， 美国 、 欧洲 已 分别 建成 2 400 km 、 1 500 km 的 氢 管道 [ 56 ] ， 并且 欧洲 还 开展 了 “ 欧洲 氢 能 主体 计划 ” 项目 ， 预计 2040 年 完工 近 4×10 4 km 的 氢气 管道 。 目前 ， 我 国 已 有 多 条 输 氢 管道 在 运行 ， 如 济源 — 洛阳 的 氢气 输送 管道 全长 为 25 km ， 年 输 气 量 为 10.04×10 4 t ， 设计 压力 为 4 MPa ， 管材 为 L245 无缝 钢管 ； 巴陵 — 长岭 输 氢 管道 全长 42 km ， 投资额 1.9亿 元 ， 管材 为 裂化 碳 素 无缝 钢管 ； 乌海 — 银川 焦炉 煤气 输 气 管线 管道 全长 为 216.4 km ， 年 输 气 量 达 16.1×10 8 m 3 ， 设计 压力 为 3 MPa ， 管材 为 L245 直 缝 双面 埋 弧 焊 钢管 ； 金陵 — 扬子 氢气 管道 全长 超过 32 km ， 设计 压力 为 4 MPa ， 管材 为 20 号 钢 [ 56 ] 。
基于 现有 基础 设施 的 优势 ， 将 氢气 掺 混入 天然气 管道 网络 也 被 视为 可行 的 氢气 运输 解决 方案 。 在 氢 的 混合 比例 较 低 （ 体积 分数 介于 5% ～ 10% ） 情况 下 可以 与 现有 管道 大部分 兼容 ， 但 更 高 的 混合 比例 是否 可行 ， 在 很 大 程度 上 取决于 每 条 管道 的 具体 情况 ， 以及 其 终端 应用 设备 应对 气体 特性 变化 的 适应 能力 [ 57 - 58 ] 。 目前 ， 德国 天然气 网络 中 的 氢 混合 容量 为 10% ， 目标 是 到 2025年 将 容量 增加 到 20% ， 并 将 升级 部分 天然气 管道 ， 以 满足 未来 100% 氢气 输送 的 需求 。
2 . 2 化学 储运 氢
2.2.1 固态 金属 氢化 物 储运 氢
固态 金属 氢化 物 储 运 氢 是 利用 储 氢 合金 在 一定 温度 和 压力 条件 下 的 可逆 吸 / 放 氢 反应 来 实现 氢气 储 运 的 。 氢 在 储 氢 合金 表面 分解 为 氢原子 ， 扩散 进入 合金 内部 与其 发生 反应 生成 金属 氢化 物 ， 氢 即 以 原子 态 储存 在 金属 内 的 四面 体 与 八 面 体 间隙 位置 [ 59 ] 。 金属 氢化 物 具有 储 氢 体积 密度 大 、 安全 、 氢气 纯度 高 、 操作 容易 、 运输 方便 、 成本 较 低 等 优势 。 固态 金属 储 氢 的 商业 应用 主要 为 潜艇 、 核电站 、 发电站 、 加 氢 站 、 便携式 测试 设备 等 （ 表 3 ） ， 如 德国 GKN Hydrogen 公司 有 10 ～ 265 kg 不同 型号 的 固态 储 氢 系统 ， 可 低压 运行 并 100% 可 回收 ， 无 容量 损失 （ 材料 消耗 ） 等 优势 ； 美国 ECD Ovonic 公司 采用 轻 质 碳 纤维 包 卷 形成 的 储 氢 罐 ， 所 含 的 金属 氢化 物 可 储存 约 3 kg 的 氢气 ； 丰田 公司 的 氢 动力 汽车 均 采用 了 ECD Ovonic 公司 的 技术 。 目前 ， 国内 金属 氢化 物 储 氢 应用 还 较 少 ， 正 处于 研发 与 示范 阶段 ， 提高 金属 氢化 物 的 储 氢 量 、 降低 材料 成本 、 提高 金属 氢化 物 的 可 循环 性 等 将 是 未来 的 研究 重点 [ 60 ] 。
表 3 固态 金属 储 氢 应用 项目 统计表
资料 来源 ： 据 本 文 参考 文献 [ 61 - 64 ] 整理 归纳 。
2 . 2 . 2 液态 有机 化合物 储运 氢
有机 储 氢 材料 通常 为 液态 ， 因而 也 被 称为 液态 有机 储 氢 载体 （ Liquid Organic Hydrogen Carrier , LOHC ) [ 65 ] 。 LOHC 是 利用 液态 有机 化合物 可逆 的 加 氢 与 脱 氢 反应 来 实现 氢气 的 存储 与 释放 ， 通常 具有 约 50 g / L 的 体积 储 氢 密度 且 储存 、 运输 、 维护 、 保养 安全 方便 ， 便于 利用 现有 储油 和 运输 设备 ， 同时 还 具有 多 次 循环 使用 等 优点 。 代表性 的 物质 有 ： 甲苯 [ 66 ] 、 乙基咔唑 [ 67 ] 、 二苄基甲苯 [ 68 - 69 ] 等 。 日本 于 2022 年 2 月 利用 甲 基 环 己 烷 （ MCH ） 储运 从 文莱 进口 的 氢气 ， 通过 海运 方式 运送 到 日本 ENEOS 炼油厂 ； 德国 Hydrogenious Technologies 公司 采用 二 苄 基 甲苯 作为 液态 储 氢 载体 ， 计划 在 Dormagen 化学 园区 建成 世界 上 最 大 的 绿 氢 存储 中 试 工厂 ， 每 年 大约 可以 在 LOHC 中 储存 1 800 t 氢气 。 这 类 储 氢 材料 不仅 可以 用于 氢 燃料 电池 车 ， 而且 在 大 规模 储 能 、 长 距离 氢 运输 方面 也 具有 显著 的 优势 ， 但 目前 还 存在 着 脱 氢 能耗 大 、 高效 低 成本 脱 氢 催化剂 技术 等 瓶颈 有待于 突破 。
2.2.3 液 氨 储运 氢
氨 作为 富 氢 分子 ， 用 它 作为 能量 载体 ， 是 氢气 运输 的 另 一 种 方式 。 哈伯—博 施 法 是 生产 氨 最 常见 的 工艺 ， 至今 已 有 100 多 年 的 历史 ， 现在 仍 主要 用于 化肥 生产 。 氨 可以 在 -33℃ 的 温度 下 进行 液化 [ 70 - 71 ] 。 另外 ， 氨 也 可以 在 20℃ 环境 温度 和 约 0.9 MPa 的 压力 下 液化 。 在 常规 的 氨 运输 中 ， 通常 选择 冷却 和 加压 存储 的 组合 。 液 氨 的 氢 体积 密度 是 液化氢 本身 的 1.5 倍 [ 72 - 73 ] 。 因此 较之 于 液 氢 ， 同等 体积 的 氨 可以 输送 更 多 的 氢 。 目前 海上 运输 或 管道 进行 工业 级 的 氨 运输 已经 发展 得 很 成熟 ， 在 全球 大约 有 120 个 港口 设有 氨 进出口 设施 [ 74 ] ， 如 美国 的 NuStar 氨 系统 管道 ， 全长 约 3 200 km ； 俄罗斯 的 Togliatti - Odessa 氨 管道 ， 全长 约 2 000 km 。 但 氨 是 有毒 的 化学 物质 ， 皮肤 摄 入 、 吸入 或 接触 后 ， 即使 剂量 很 小 ， 也 具有 破坏性 或 致死 性 。 氨 用作 氢 载体 时 ， 其 总 转化 效率 比 其他 技术 路线 要 低 ， 因为 氢 必须 首先 经 化学 转换 为 氨 ， 并 在 使用 地点 重新 转化 为 氢 。 两 次 转化 过程 的 总体 效率 约 为 35% ， 与 液化氢 30% ～ 33% 的 转化 效率 基本 接近 [ 75 ] 。
2.3 氢能 储运 技术 及 产业 发展 趋势
物理 运输 气态 氢 是 最 简单 的 氢 储 运 形式 ， 将 氢气 混入 现有 的 天然气 管道 中 ， 或 使用 专用 的 氢气 管道 ， 或 利用 加压 容器 运输 氢气 是 当前 最为 现实 的 氢 储 运 技术 路线 。 不过 ， 由于 气态 氢 的 体积 能量 密度 低 ， 加上 运输 距离 有限 ， 其他 形式 的 氢 运输 需求 不 可 避免 地 会 相应 增加 。 像 所有 其他 气体 一样 ， 氢气 也 可以 低温 液化 后 ， 以 冷 液 形式 进行 运输 。 此外 ， 化学 存储 形式 ， 例如 转化 为 氨 或 使用 液态 有机 氢 载体 （ LOHC ） ， 也 构成 了 其他 具有 高 发展 潜力 的 氢 存储 和 氢 物流 技术 。
目前 制约 氢 能 储运 产业 发展 的 重要 因素 之一 就 是 氢气 的 储运 成本 ， 并且 随着 运输 距离 的 增加 ， 成本 也 必然 随 之 增加 。 高压 气态 运输 氢气 是 成本 最高 的 运输 方式 ， 而 管道 长 距离 大 输 量 运输 氢气 则 是 成本 最 低 的 运输 方式 ， 如 图 1 所 示 [ 76 ] ； 虽然 液态 有机 化合物 储 氢 载体 和 管道 （ 100 t / d ） 、 液 氨 与 液氢 储 氢 成本 均 相当 ， 但 液态 有机 储 氢 载体 和 液 氨 在 终端 转化 为 气态 氢 也 还 需要 一定 的 成本 ， 如 图 2 所 示 [ 76 ] 。 未来 随着 氢气 需求量 的 增加 、 技术 的 突破 和 基础 设施 的 完善 ， 氢气 的 储运 成本 才 有 可能 进一步 降低 。
图 1 几 种 储运 技术 成本 与 运输 距离 关系 图
图 2 液氨 与 LOHC 终端 氢气 转化 成本 图
目前 氢气 主要 是 自产 自用 ， 如 在 靠近 炼油厂 、 化肥厂 等 用 氢 地方 生产 氢气 。 未来 以 可 再生 能源 为 基础 的 氢 能 产业 将 依赖 于 大 规模 的 氢 能 储 运 技术 ， 因为 制氢 项目 不 一定 在 使用 地点 ， 解决 氢 储 运 的 问题 将 会 变得 更加 重要 ， 氢气 的 高效 输送 和 储存 难度 较 大 ， 低 成本 、 高 密度 、 安全 的 储 运 技术 将 是 助 推 氢 能 产业化 的 关键 。
油气 行业 拥有 成熟 的 能源 安全 管理 经验 、 完善 的 网络 站点 体系 ， 拥有 资源 规划 、 炼化 生产 、 油气 储运 及 零售 终端 建设 、 运维 等 多 方面 的 技术 基础 与 整合 能力 ， 可以 利用 已 有 的 经验 和 基础 设施 等 优势 ， 快速 进入 并 规模化 发展 氢 能 储运 产业 。 在 长 距离 运输 方面 ， 可以 利用 已 有 管道 运输 及 维护 经验 ， 进行 不同 比例 的 掺 氢 输送 示范 与 评估 ， 并 随着 氢气 需求量 的 增加 着手 建设 纯 氢 管道 ； 陆地 中 短 距离 方面 ， 利用 已 有 的 CNG 、 LNG 储 运 经验 ， 根据 具体 的 距离 、 经济性 、 氢气 纯度 等 需求 来 决定 不同 的 储运 方式 ， 如 液 氢 、 液 氨 、 有机 化合物 储 氢 载体 、 固态 储 氢 、 高压 气态 氢 等 ； 在 沿海 城市 可以 考虑 利用 液 氨 、 液 氢 、 液态 有机 化合物 储 氢 等 方式 进行 国际 船运 。
3 氢 能 应用
氢 能 的 开发 利用 是 更 快 实现 碳 中 和 目标 、 保障 国家 能源 安全 、 实现 低 碳 转型 的 重要 途径 之一 。 氢 能 目前 主要 应用 在 能源 、 钢铁 冶金 、 石油 化工 等 领域 ， 随着 顶层 政策 设计 和 氢 能 产业 技术 的 快速 发展 ， 氢 能 的 应用 领域 将 呈现 多元化 拓展 ， 在 储 能 、 燃料 、 化工 、 钢铁 冶金 等 领域 应用 必 将 越来越 广泛 。
3.1 氢 储 能
我 国 可 再生 能源 资源 丰富 ， 应 大力 开发 风能 、 太阳能 光 伏 发电 ， 实现 可 再生 能源 到 氢 能 的 转化 。 但 风 电 和 光 伏 发电 的 间歇 性 和 随机性 ， 影响 了 其 并网 供电 的 连续性 和 稳定性 ， 同时 也 削弱 了 电力 系统 的 调 峰 力度 。 随着 氢 能 技术 及 产业 链 的 发展 和 完善 ， 氢 储 能 系统 的 加入 可以 提高 可 再生 能源 发电 的 安全性 和 稳定性 [ 77 ] 。 利用 风 电 和 光 伏 发电 制取 绿 氢 ， 不仅 可以 有效 利用 弃风 、 弃光 ， 而且 还 可以 降低 制氢 成本 ； 既 提高 了 电网 灵活性 ， 又 促进 了 可 再生 能源 消 纳 。 此外 ， 氢 能 亦 可 作为 能源 互联网 的 枢纽 ， 将 可 再生 能源 与 电网 、 气网 、 热 网 、 交通网 连为 一体 ， 加速 能源 转型 进程 。
3 . 2 氢 燃料
氢 能 可以 作为 终端 能源 应用 于 电力 行业 ， 通过 氢 燃料 电池 （ FC ） 将 化学 能 转化 成 电能 ， 或者 通过 燃气 轮机 将 化学 能 转化 为 动能 。 氢 燃料 电池 具有 能量 密度 高 、 能量 转化 效率 高 、 零 碳 排放 等 优点 ， 主要 包括 质子 交换 膜 燃料 电池 （ PEMFC ） 和 固体 氧化物 燃料 电池 （ SOFC ） 两 大 类 。
3 . 2 . 1 质子 交换 膜 燃料 电池
PEMFC 主要 由 膜 电极 、 双 极 板 、 电解质 和 外部 电路 等 组成 ， 具有 工作 温度 低 、 启动 快 、 功率 范围 宽 、 稳定性 强 等 优势 ， 在 汽车 动力 电源 领域 发展 迅速 。 作为 燃料 电池 和 电解 槽 的 关键 组件 ， 质子 交换 膜 需要 具备 质子 传导 电阻 小 、 电流 密度 大 、 机械 强度 高 等 特点 ， 其 决定 了 PEMFC 的 效率 和 品质 。 目前 ， 商业化 应用 最 广泛 的 是 美国 杜邦 公司 的 Naﬁon 系列 膜 以及 Ballard 公司 的 BAM 型 膜 等 。 此 类 膜 的 局限性 在于 其 易 发生 化学 降解 ， 温度 升高 使 质子 传导 性能 变 差 ， 成本 也 较 高 。 针对 此 问题 ， 我 国 东岳 集团 有限 公司 、 科润新 材料 股份 有限 公司 等 经过 10余 年 研发 攻关 ， 不仅 提高 了 膜 材料 的 性能 ， 还 实现 了 国产 质子 交换 膜 的 工业化 生产 ， 降低 了 成本 。 此外 ， 在 政策 方面 ， 我 国 高度 重视 PEMFC 技术 的 研发 ， 《 能源 技术 革命 创新 行动 计划 （ 2016 — 2030 年 ） 》 要求 ， 到 2030 年 实现 额定 输出 功率 达 50 ～ 100 kW 、 系统 比 功率 大于 等于 300 Wh / kg 、 电 堆 比 功率 达到 3 000 W / L 以上 ， PEMFC 分布式 发电 系统 使用 寿命 超过 1×10 4 h ； 同时 通过 建立 分布式 发电 产业化 平台 ， 实现 千瓦 至 百 千瓦 级 PEMFC 系统 在 分布式 电站 等 领域 的 应用 。
PEMFC 用途 广泛 且 多元化 。 日本 和 韩国 拥有 相对 成熟 的 氢 燃料 电池 汽车 技术 ， 已 应用 于 乘用 车 、 商业 车 、 叉车 、 列车 等 [ 78 ] 。 例如 ， 丰田 在 2020 年底 发布 了 第二 代 Mirai 氢 能 燃料 汽车 ， 通过 增加 氢 负载 将 续航 里程 提高 了 30% [ 79 ] 。 东 日本 铁路 公司 发布 了 以 氢 燃料 电池 和 蓄电池 为 混合 动力 的 试验 列车 “ 云雀 ” ， 加 氢 一 次 即 可 行驶 140 km 。 国内 以 捷氢 科技 、 新源 动力 、 潍柴 动力 为主 的 大型 电堆 供应商 在 自主 研发 方面 也 取得 了 较 大 进展 。 2021年 ， 捷氢 科技 自主 研发 的 大 功率 氢 燃料 电池 额定 功率 达到 了 117 kW ， 同时 系统 及 电 堆 一 级 零部件 实现 了 100% 国产化 [ 80 ] 。 潍 柴 动力 发布 了 新 一 代 120 k W 、 寿命 超 3×10 4 h 的 燃料 电池 发动机 ， 助 力 行业 零 碳 发展 [ 81 ] 。 2022 年 北京 冬奥会 期间 ， 张家口 赛区 投运 的 氢 燃料 电池 汽车 达 710 辆 ， 其中 ， 氢 燃料 电池 公交车 续航 里程 可 达 406 km [ 82 ] 。
3 . 2 . 2 固体 氧化物 燃料 电池
SOFC 是 全 固态 发电 装置 ， 由 阳极 、 阴极 、 电解质 、 密封 材料 以及 连结 材料 等 组成 。 其中 ， 电解质 决定 了 SOFC 的 工作 温度 和 功率 ， 是 SOFC 的 核心 部件 。 虽 受 限于 600 ～ 1 000℃ 的 高 工作 温度 和 低 启动 速度 ， SOFC 因 其 燃料 选择 范围 广 、 能量 转化 效率 高 、 无需 催化剂 等 优点 拥有 广阔 的 发展 前景 。 当前 ， 欧 美 日 等 发达 国家 和 地区 SOFC 技术 成熟 ， 处于 商业化 推广 前期 。 其中 美国 和 日本 分别 发展 了 百 千瓦 级 大型 固定 式 电站 和 千瓦 级 家用 热电 联 供 系统 ， 均 实现 了 大 规模 的 商业化 运行 。 其中 的 领军 企业 包括 美国 Bloom Energy 公司 （ 常压 平板 式 ） 以及 日本 三菱 重工 （ 加压管 式 ） 等 。 较之 于 国外 ， 国内 SOFC 发展 差距 较 大 ， 还 处于 实验室 研究 与 样机 研制 阶段 ， 尚 未 形成 商业化 的 SOFC 系统 ， 企业 参与度 不 够 ， 并且 SOFC 的 产业链 不 完整 ， 所 需 核心 产品 均 属于 定制 产品 ， 暂 无 专业 厂家 可以 提供 核心 零部件 。
SOFC 适用 于 大型 商用 分布式 、 固定 式 发电 和 热电 联产 等 领域 。 例如 ， 将 SOFC 作为 通信 基站 的 备用 电源 甚至 是 主 电源 ， 可以 满足 5G 基站 的 高 能耗 并 解决 环境 和 噪音 污染 等 问题 。 2022年 2月 ， 为了 给 离 网 基站 提供 持续 电力 保障 ， 由 福大 紫金 开发 的 3 kW 级 氨 — 氢 燃料 电池 发电站 实现 成功 发电 并 稳定 运行 ， 为 氢 燃料 电池 在 大 规模 通信 基站 备用 电源 领域 的 推广 奠定 了 基础 。
3 . 2 . 3 氢 燃气 轮机
燃气 轮机 是 将 燃料 的 化学 能 转化 为 动能 的 内燃 式 动力 机械 ， 是 发电 和 船 舰 领域 的 核心 装备 。 较之 于 燃煤 发电 机组 ， 燃气 轮机 具有 发电 效率 高 、 污染物 排放量 低 、 建造 周期 短 、 占地 面积 小 、 耗 水量 少 和 运行 调节 灵活 等 优点 [ 83 ] 。 目前 ， 燃气轮机 电站 发电量 约 占 全球 总 发电量 的 23.1% [ 84 ] 。 燃气 轮机 的 常用 燃料 是 天然气 ， 会 造成 大量 的 碳 排放 且 其中 的 杂质 易 积聚 ， 甚至 对 机器 造成 腐蚀 ， 致使 能量 转化 效率 和 使用 寿命 降低 。 而 氢气 的 火焰 传播 速度 约 为 天然气 的 9 倍 ， 15 min 左右 便 可以 将 负荷 从 零 拉升 至 全 满 [ 85 ] ， 用 氢气 替代 天然气 ， 除了 可以 提高 热值 和 降低 碳 排放量 外 ， 还 可以 使 燃气 轮机 具有 更 高 的 负荷 调节 能力 。
目前 ， 多 个 电力 巨头 已经 开展 了 氢 能 燃气 轮机 的 相关 研究 工作 。 如 通用 电气 （ GE ） 的 首 台 混合 氢 燃气 轮机 已 落地 广东 ， 混 氢 比例 为 10% 的 燃气 轮机 将 提供 1.34 GW 的 电力 [ 86 ] 。 此外 ， GE 还 将 建造 美国 第一 座 燃 氢 发电厂 ， 争取 10 年 内 实现 100% 燃 氢 。 日本 三菱 重工 已经 成功 研制 30% 混 氢 比例 的 燃气 轮机 ， 西门子 能源 在 德国 开展 了 100% 氢 能 燃气 轮机 原型机 的 试验 ， 日本 和 欧盟 EU Turbines 已经 承诺 在 2030 年 前 推出 100% 燃 氢 重型 燃气 轮机 。 然而 ， 目前 市场 上 还 没有 可以 处理 纯 氢 燃料 的 、 长期 可 运行 的 燃气 轮机 。 大力 发展 氢 能 燃气 轮机 ， 需要 解决 燃 氢 过程 中 产生 的 回火 和 温度 过 高 等 问题 。 在 这 方面 我 国 与 国外 差距 较 大 ， 需要 加强 政策 扶持 力度 、 深化 科研 攻关 ， 尽早 为 氢 能 燃气 轮机 国产化 进程 铺平 道路 。
3 . 3 氢 化工 原料
目前 全球 约 55% 的 氢 需求 用于 氨 合成 ， 25% 用于 炼油厂 加 氢 生产 ， 10% 用于 甲醇 生产 ， 10% 用于 其他 行业 [ 87 ] 。 随着 我 国 科技 、 工业 水平 的 不断 发展 ， 在 石油 炼制 等 石化 领域 将 会 越来越 多 地 用到 加 氢 技术 。
3 . 3.1 石油 化工 加 氢
加 氢 技术 是 生产 清洁 油品 、 提高 产品 品质 的 主要 手段 ， 是 炼油 化工 一体化 的 核心 。 石油 化工 中 用到 的 加 氢 技术 主要 包括 重油 加 氢 裂化 生产 芳烃 及 乙烯 、 渣 油 加 氢 脱 硫 生产 超 低 硫 燃料 、 劣质 催化 柴油 及 汽油 加 氢 转化 生产 高 辛 烷 值 汽油 、 C 3 馏分 加 氢 脱 丙炔 与 丙二烯 、 重 质 芳烃 加 氢 脱 烷 基 、 苯 加 氢 制 环己烷 等 。 加 氢 技术 目前 仍然 存在 着 投资 和 操作 成本 高 、 能耗 高 等 问题 。 开发 新 的 活性 组分 体系 、 新 的 载体 以及 新型 纳米 催化剂 ， 提高 加 氢 催化剂 的 活性 与 选择性 ， 降低 工艺 工程 中 的 氢 耗 和 成本 ， 是 石油 化工 加 氢 领域 研究 的 重点 [ 88 ] 。
3.3.2 合成 化工 产品
氢 用作 原料 合成 化工 产品 ， 例如 氨 、 尿素 等 。 氨 主要 是 通过 哈伯—博 施法 合成 获得 ， 具有 比 氢 更 高 的 能量 密度 ， 可 用于 储存 能量 和 发电 ， 并且 完全 不 会 排放 二氧化碳 [ 89 ] 。 氨 可以 在 室温 和 10 atm 下 作为 液体 储存 ， 适合于 运输 。 此外 ， 还 有 完善 的 运输 和 处理 液 氨 的 基础 设施 ， 便于 氨 的 规模 利用 。 氨 还 可以 与 CO 2 结合 得到 尿素 ， 既 是 一 种 重要 的 氮肥 也 是 一 种 可 持续 的 氢 载体 [ 90 ] ， 它 稳定 、 无毒 、 对 环境 无害 且 更 易于 储存 。 哈伯—博 施 法 合成 氨 自 100 年 前 发明 以来 ， 工艺 已经 发展 得 相当 成熟 ， 目前 仍然 是 全球 合成 氨 的 最 主流 方法 ， 但 一直 以来 生产 氨 所 需 的 氢气 主要 源于 化石 燃料 制氢 所 获得 ， 碳 排放量 大 。 目前 合成 氨 产业 在 尝试 开发 新 的 制备 工艺 ， 如 固氮 酶 合成 氨 、 光 催化 合成 氨 、 电 催化 合成 氨 、 循环 工艺 法 合成 氨 以及 超 临界 合成 氨 等 。 这些 新生 的 合成 氨 工艺 尚 不 成熟 ， 存在 着 效率 不 高 、 反应 过程 不 稳定 、 经济性 较 低 等 问题 ， 仍 需要 进一步 验证 与 完善 。 未来 的 发展 方向 将 使用 可 再生 资源 生产 的 氢气 ， 并 由此 可以 显著 地 改善 现有 工艺 并 降低 温室 气体 排放量 。
3 . 3.3 合成 燃料
氢气 同样 可以 通过 与 二氧化碳 反应 合成 简单 的 含碳 化合物 ， 如 甲醇 、 甲烷 、 甲酸 或 甲醛 等 。 这些 化合物 液化 后 易 存储 、 方便 运输 、 能量 密度 高 、 不 易 爆炸 ， 并且 作为 液态 燃料 实质上 可以 达成 零 碳 排放 ， 是 一 种 适合于 除 输电 之外 的 可 再生 能源 储存 和 运输 模式 。
甲醇 是 重要 的 化工 原料 ， 用于 生产 甲醛 、 二甲醚 、 丙烯 、 乙烯 和 汽油 等 ， 市场 需求量 大 。 甲醇 具有 12.6% （ 质量 分数 ） 的 高 氢 含量 和 5.53 kWh / kg 的 高 能量 密度 ， 是 重要 的 液态 燃料 和 氢 能 载体 ， 既 可以 转化 回 氢气 和 一氧化碳 用于 质子 交换 膜 燃料 电池 ， 也 可以 直接 用于 甲醇 燃料 电池 ， 还 可 直接 用作 内燃机 、 涡轮 机 和 燃料 电池 的 燃料 。 目前 工业 上 二氧化碳 加 氢 制 甲醇 技术 正在 从 工业 示范 走向 大 规模 商业化 应用 ， 日本 、 冰岛 、 美国 等 均 已 建成 中 试 装置 ， 冰岛 的 碳 循环 利用 公司 （ CRI ） 采用 的 ETL 专有 绿色 甲醇 合成 工艺 ， 能够 利用 可 再生 能源 制氢 ， 并且 每 年 制取 约 4 000 t 甲醇 ， 是 目前 能 用于 商业 运行 的 相对 较为 先进 技术 。 我 国 河南 顺成 集团 已 与 冰岛 碳 循环 利用 公司 签署 合作 协议 ， 引进 CRI 技术 建设 10万 吨 级 二氧化碳 加 氢 制 甲醇 项目 。 采用 氢气 合成 甲醇 、 甲烷 或 碳氢化合物 ， 可以 有效 地 存储 和 输运 可 再生 能源 制备 得到 的 氢气 ， 破解 氢 能 产业 “ 制 、 储 、 运 ” 过程 中 的 安全性 和 成本 难题 ， 有助于 更加 便利 地 利用 清洁 能源 ， 为 绿色 能源 转型 提供 了 解决 方案 。
3 . 4 氢 还原 剂
钢铁 冶炼 过程 中 ， 采用 焦炭 作为 铁矿 的 还原 剂 ， 会 产生 大量 的 碳 排放 及 多 种 有害 气体 。 钢铁 冶金 作为 我 国 第二 大 碳 排放 来源 ， 亟待 发展 深度 脱 碳 工艺 。 用 氢气 代替 焦炭 作为 还原 剂 ， 反应 产物 为 水 ， 可以 大幅度 降低 碳 排放量 ， 促进 清洁 型 冶金 转型 。 目前 全球 已 有 少数 国家 发布 了 氢 冶金 技术 案例 ， 例如 瑞典 HYBRIT 项目 、 萨尔茨吉特 SALCOS 项目 、 奥钢联 H2FUTURE 项目 以及 德国 Carbon2Chem 项目 等 。 国内 部分 钢铁 企业 也 发布 了 氢 冶金 规划 ， 建设 示范 工程 并 投产 ， 但 有关 示范 工程 尚 处于 工业性 试验 阶段 ， 基础 设施 不 完善 、 相关 标准 空白 、 成本 较 高 、 安全 用 氢 等 问题 依然 存在 。 当前 ， 制约 氢 能 炼钢 的 主要 因素 是 制氢 成本 ， 根据 瑞典 钢铁 公司 HYBRIT 项目 的 经验 ， 氢 能 炼钢 会 使 成本 提高 20% ～ 30% [ 91 ] ， 导致 其 在 市场 上 没有 任何 竞争 优势 。 但 在 “ 双碳 ” 目标 的 背景 下 ， 发展 氢 能 炼钢 已 迫在眉睫 。 在 实际 生产 中 ， 最 适合 炼钢 的 是 绿 氢 ， 若 绿 氢 生产 成本 得以 降低 ， 则 可 加快 绿色 冶金 的 推进 ， 最终 所 获得 的 环保 效益 会 覆盖 其 额外 成本 。 利用 氢 能 进行 钢铁 冶金 是 钢铁 行业 实现 深度 脱 碳 目标 的 必 行 之 路 。
4 挑战 与 展望
在 “ 双 碳 ” 目标 的 背景 下 ， 需要 探讨 氢气 能源 战略 意义 ， 分析 氢 能 制备 、 储运 和 应用 中 的 技术 进展 以及 存在 的 挑战 与 机遇 ， 积极 推动 “ 氢 能 中国 ” 战略 的 实现 。
4.1 主要 挑战
目前 全球 氢 能 行业 总体 处于 发展 初期 ， 在 终端 能源 消费量 中 占比 仍然 很 低 。 尽管 目前 开展 氢 能 行业 布局 国家 的 合计 经济 总量 已 占据 全球 的 75% ， 但 受 限于 多 方面 的 制约 因素 ， 氢 能 行业 尚 未 形成 全 产业 链 与 合力 ， 未 能 全面 推动 生产 生活 进步 ， 其 原因 主要 如下 ：
1 ） 氢 能 关键 材料 及 设备 零部件 要求 苛刻 、 工艺 复杂 、 成本 高昂 ， 并且 不同 国家 、 不同 部门 之间 的 技术 差距 明显 。 尤其 对于 我 国 来说 ， 一些 关键 技术 仍然 被 国外 所 垄断 。 如 PEM 制氢 技术 中 的 核心 部件 质子 交换 膜 ， 目前 美国 杜邦 公司 的 Naﬁon 全 氟磺酸 膜 在 全球 市场 具有 超过 90% 占有率 ， 技术 突破 难度 大 。
2 ） 电解 水 制氢 技术 是 实现 绿 氢 大 规模 生产 的 最 有 希望 的 途径 ， 但 其 成本 过 高 ， 主要 由 电 价 导致 ， 短期 仍 无法 完全 替代 碳 排放量 较 高 的 化石 燃料 制氢 。 目前 电解 水 制氢 在 我 国 氢 能源 结构 中 占比 不 到 2 % ， 短期 内 仍 需 依靠 煤 制氢 来 保障 氢 能 行业 的 供给 。
3 ） 受限 于 我 国 可 再生 能源 资源 的 分布 状况 ， 制氢 端 与 用 氢 端 往往 存在 着 较 大 的 时间 和 空间 错位 性 ， 尚 未 形成 完善 的 氢气 存储 和 输运 网络 渠道 。 我 国 西北 地区 拥有 丰富 的 风 、 光 资源 ， 而 具有 大 规模 用 氢 需求 的 则 主要 是 经济 发达 及 人口 密集 的 东南 地区 。
4 ） 较之 于 石化 能源 产业 ， 氢 能 属于 新兴 能源 ， 目前 缺乏 相应 基础 设施 整体 布局 。 例如 城市 加氢站 、 输 氢 管道 、 工业 副 产 氢 纯化 系统 等 支撑 设施 严重 不足 。 因此 ， 目前 氢 能 全 产业 链 体系 上下游 难以 形成 有效 联动 ， 尚 未 健全 。
5 ） 当前 用 氢 端 需求 关注 方向 过于 单一 ， 主要 集中 在 氢 燃料 电池 及其 交通 载具 方面 ， 目前 成熟 度 偏 低 、 规模 不 大 。 而 氢 能 作为 能源 载体 ， 在 传统 能源 密集型 产业 及 新型 氢 能 应用 场景 中 ， 需求 尚 未 得到 全面 开发 。
6 ） 氢 能 技术 标准 不 完善 ， 涉及 氢 品质 、 储运 、 加 氢 站 和 安全 等 内容 的 技术 标准 较 少 。 例如 在 可 再生 能源 制氢 、 液态 储 氢 、 工业 用 绿 氢 等 新型 氢 能 领域 的 技术 工艺 、 装置 设备 及 生产 运营 环节 ， 急 需 一 套 健全 的 国际 、 国家 或 行业 标准 ， 以 此 来 规范 氢 能 行业 市场 健康 发展 。
4.2 未来 展望
4.2.1 氢能 产业链 发展 展望
与 当前 构建 天然气 工业 一样 ， 我 国 正在 构建 制氢 、 储 氢 、 运 氢 、 加 氢 、 用 氢 等 氢气 能源 工业 体系 （ 图 3 ) [ 92 ] 。 针对 氢 能 行业 在 技术 、 经济性 及 布局 规划 上 的 挑战 ， 结合 产业链 各 个 环节 ， 对 氢 能 未来 发展 进行 如下 展望 。
1 ） 在 制取 氢 方面 ， 氢 能 作为 二 次 能源 ， 要 实现 真正 意义 上 的 零 碳 排放 ， 它 的 发展 不 可 避免 地 将 依赖 于 太阳能 、 风能 等 可 再生 能源 技术 的 突破 。 通过 电力 成本 与 设备 成本 的 协同 降低 ， 方 可 体现 绿 氢 的 经济 优势 。 较之 于 日本 、 韩国 等 国家 ， 我 国 幅员 辽阔 ， 具有 广阔 的 沙漠 、 戈壁 、 荒漠 、 草原 及 海域 资源 ， 可以 提供 丰富 的 太阳能 、 风能 、 潮汐 能 等 可 再生 能源 资源 ， 在 发展 绿 氢 方面 具有 先天 优势 ， 可以 加快 实现 “ 氢 能 中国 ” 战略 。
图 3 以 绿 氢 为 核心 的 氢 能 全 产业 链 示意图
（ 资料 来源 ： 本 文 参考 文献 [ 92 ] )
2 ） 在 储 运 氢 方面 ， 氢 的 长 距离 储 运 将 以 天然气 管道 掺 氢 或 新建 纯 氢 管道 输 氢 为主 ， 中 短 距离 要 多 种 储 运 技术 结合 ， 并 因地制宜 地 发展 。 随着 制氢 端 的 技术 突破 ， 通过 输 氢 网络 交 联 ， 在 氢 能 的 下游 如 工业 、 交通 和 建筑 等 领域 大 规模 普及 ， 绿色 “ 氢 经济 ” 的 概念 将 转变 为 现实 。
3 ） 在 应用 氢 方面 ， 随着 行业 聚焦 与 技术 发展 ， 期待 很 高 的 是 氢 燃料 电池 ， 带动 交通 领域 应用 的 变革 。 在 各 类 需要 用 氢 的 化工 领域 ， 如 炼油 、 合成 氨 、 甲醇 生产 以及 炼钢 行业 ， 绿 氢 将 逐步 取代 灰 氢 。 在 其他 诸多 传统 能源 密集型 产业 ， 氢 能 也 将 代替 化石 能源 作为 能量 载体 进行 供 能 。 在 建筑 领域 ， 采用 绿色 氢 能 的 分布式 冷 热电 联 供 系统 ， 也 是 节能 减排 的 重要 方式 。 同时 ， 更 多 的 氢 能 应用 场景 将 得以 逐渐 开发 。
4.2.2 “ 氢 能 中国 ” 战略 的 实施 路径
根据 能源 转型 委员会 （ Energy Transitions Commission , ETC ） 预测 ， 全球 在 2050 年 ， 仅 工业 及 氢 燃料 电池 领域 将 有 3.6×10 8 t 的 氢能 需求量 [ 93 ] 。 目前 氢能 已 成为 欧盟 、 美国 、 日本 、 韩国 等 发达 经济体 能源 转型 的 战略 方向 。 全球 氢 能 产业 链 正 逐渐 形成 ， 对 氢 能 的 高效 利用 已然 成为 全球 的 共识 。
我 国 正在 积极 跟进 氢能 行业 发展 大势 ， 加大 氢 能 制备 与 应用 领域 技术 与 相关 设备 自主 研发 ， 加快 实施 “ 氢 能 中国 ” 战略 。
1 ） 加大 可 再生 能源 制氢 领域 技术 攻关 ， 积极 推动 试点 示范 ， 在 玉门 、 新疆 、 青海 、 大庆 、 吉林 等 风 、 光 资源 丰富 地区 ， 推进 清洁 、 低 碳 、 低 成本 氢 能 制备 产业 体系 建设 ， 形成 绿 氢 制备 大 规模 发展 ， 并 持续 开展 电解 海水 制氢 、 光 催化 制氢 、 微生物 制氢 等 技术 研究 ， 逐步 提升 “ 绿 氢 ” 在 终端 能源 消费 中 的 比重 。 具体 做法 包括 ： ① 加大 可 再生 能源 电解 水 制氢 、 光 解 水 制氢 等 科学 机理 及 氢 脆 失效 、 低温 吸附 、 泄漏 / 扩散 / 燃爆 等 氢 能 安全 基础 规律 研究 ， 储备 自主 研发 核心 技术 ； ② 重点 开展 低 成本 、 高 效率 、 长 寿命 的 质子 交换 膜 电解 水 制氢 、 固体 氧化物 电解 水 制氢 成套 工艺 、 大 功率 碱水 电解 制氢 等 关键 技术 开发 ； ③ 在 我 国 西北 地区 风 、 光 资源 丰富 地区 打造 “ 零 碳 ” 产业 园 ， 开展 清洁 、 低 碳 、 低 成本 氢 能 制备 产业 体系 建设 与 试点 示范 ； ④ 探索 利用 氢 能 实现 季节性 储能 ， 提高 弃 风 、 弃 光 利用率 ， 增强 电网 系统 调 峰 力度 ， 将 可 再生 能源 与 电网 、 气 网 、 热 网 和 交通网 连 为 一体 ， 解决 可 再生 能源 生产 与 消 纳 错位 的 问题 。
2 ） 依托 能源 行业 丰富 的 基础 建设 与 储运 经验 ， 探索 固态 、 深 冷 高压 、 有机 液体 等 储运 方式 应用 ， 统筹 推进 氢 能 基础 设施 建设 ， 布局 中 长 距离 输 氢 管 网 建设 ， 在 重型 卡车 多 的 码头 与 运输 高速 路线 上 构建 加 氢 站 网络 ， 加快 构建 安全 、 稳定 、 高效 的 全国 氢 能 供应 体系 ， 逐步 构建 便捷 和 低 成本 的 氢气 运输 网络 。 具体 做法 包括 ： ① 加大 固态 、 深 冷 高压 、 有机 液体 等 关键 技术 攻关 ， 开展 天然气 管道 掺 氢 、 纯 氢 管道 输送 等 试点 示范 ， 利用 管道 实现 氢气 安全 高效 输运 ； ② 统筹 布局 建设 加 氢 站 ， 有序 推进 加 氢 网络 体系 建设 ， 利用 现有 加油 加 气 站 场地 设施 改 扩建 加 氢 站 ， 探索 站 内 制氢 、 储 氢 和 加 氢 一体化 加 氢 站 新 模式 ； ③ 发挥 氢 燃料 电池 汽车 加 氢 时间 短 、 续航 里程 长 、 低 碳 无 污染 等 优势 ， 推动 氢 燃料 电池 汽车 在 重载 及 长途 交通 运输 等 领域 先行 示范 。
3 ） 配合 我 国 的 东北 、 华北 北部 和 西北 地区 （ 简称 “ 三 北 ” 地区 ） 绿 氢 规模 发展 与 东部 沿海 “ 海 氢 上岸 ” 布局 ， 积极 引导 氢 能 在 化工 、 炼钢 、 交通 、 储 能 、 发电 等 高 能耗 高 排放 行业 替代 ， 加大 氢 能 应用 领域 技术 与 相关 设备 自主 研发 ， 结合 工业 领域 替代 化石 燃料 应用 ， 构建 以 绿 氢 为 核心 的 “ 氢 工业 ” 全 产业 链 体系 。 具体 做法 包括 ： ① 开展 以 氢 作为 还原 剂 的 氢 冶金 技术 研发 与 应用 ， 探索 氢 能 在 工业 生产 中 作为 高 品质 热源 的 应用 ； ② 扩大 氢 能 替代 化石 能源 应用 规模 ， 积极 引导 合成 氨 、 合成 甲醇 、 炼 化 、 煤 制 油气 等 行业 ， 由 高 碳 工艺 向 低 碳 工艺 转变 ； ③ 推动 氢 作为 二 次 能源 介质 ， 在 大 规模 储 能 及 分布式 发电 、 备用 电源 、 移动 式 电源 、 家用 热电 联 供 系统 等 领域 取得 应用 突破 。
4.2.3 油气 公司 在 “ 氢 能 中国 ” 战略 实施 过程 中 的 作用
谋划 “ 氢 能 中国 ” 战略 对于 实现 “ 双 碳 ” 目标 具有 重大 意义 。 油气 公司 将 在 “ 氢 能 中国 ” 战略 的 实施 过程 中 将 发挥 举足轻重 的 作用 。
1 ） 各 油气 公司 可 利用 油气田 地区 丰富 的 风 、 光 等 资源 ， 大力 发展 可 再生 能源 制氢 ， 保 供 绿 氢 市场 。 结合 电解 水 制氢 技术 的 突破 开发 离 网 光伏 制氢 、 压差 发电 制氢 等 应用 场景 ， 油气 公司 可 大 规模 开展 可 再生 能源 制氢 试点 示范 ， 支撑 示范 油气田 清洁 用 能 替代 和 绿色 转型 发展 。 东部 海上 油田 丰富 的 潮汐 能 、 波浪 能 、 海上 太阳能 和 风能 等 可 再生 能源 ， 也 将 助 力 “ 海 氢 上岸 ” ， 拓展 氢 能 全 产业 链 布局 。
2 ） 油气 公司 炼厂 副 产 氢 则 可 在 绿 氢 市场 成熟 之前 参与 氢能 供应 。 中国 石油 天然气 股份 有限 公司 （ 以下 简称 中国 石油 ） 华北 石化 分公司 已 建成 500 Nm 3 / h 副 产 氢 提纯 装置 ， 每 天 满负荷 生产 可 产出 纯度 接近 100% 的 氢气 4 750 ～ 5 500 kg ， 可以 为 近 千 辆 氢 燃料 电池 车 提供 服务 [ 94 ] 。
3 ） 油气 公司 在 氢 能 基础 设施 建设 ， 具备 先天 后 发 优势 。 通过 研究 我 国 天然气 管道 掺 加 氢气 先例 与 基础 ， 油气 公司 将 继续 建设 天然气 管道 掺 氢 、 纯 氢 管道 等 试点 示范 ， 利用 管道 实现 氢气 的 安全 高效 输运 。
4 ） 油气 公司 具备 建设 健全 氢 能 供应 体系 的 坚实 基础 。 油气 公司 将 利用 加油气站 网络 优势 ， 统筹 布局 已 有 加油气站 的 改造 与 新 加 氢 站 的 建设 ， 有序 推进 加 氢 网络 体系 建设 。 通过 探索 站 内 制氢 、 储 氢 和 加 氢 一体化 的 加 氢 站 等 新 模式 ， 可 进行 “ 油 、 气 、 氢 、 电 ” 四 站 合建 。 在 此 基础 上 ， 将 加速 形成 多元 互补 融合 的 现代 能源 供应 体系 。
我 国 主要 油气 公司 正在 积极 全 链条 布局 氢 能 主业 。 中国 石油 按照 “ 清洁 替代 、 战略 接替 、 绿色 转型 ” 三 步 走 总体 部署 ， 协同 发展 氢能 产业链 、 风能 、 太阳能 、 地热能 等 可 再生 新 能源 。 未来 ， 中国 石油 还 将 在 全 国 范围 大力 发展 氢能 工业 ， 布局 绿氢 生产 、 储运 、 加注 与 利用 等 ， 走出 一 条 “ 绿色 低碳 ” 高 质量 跨越式 发展 的 “ 石油 路径 ” 。 通过 油气 公司 在 氢 能 全 产业 链 示范 与 区域 规划 及 布局 ， 实现 “ 油 、 气 、 氢 、 热 、 电 、 储 ” 的 融合 发展 ， 助力 “ 氢 能 中国 ” 战略 实现 。
5 结束语
总之 ， 在 “ 双碳 ” 目标 下 ， 氢 能 行业 将 迎来 大 发展 是 必然 趋势 。 我 国 具有 发展 氢 能 的 先天 优势 ， 正在 构建 成熟 的 氢 能 技术 链 与 产业 链 ， 并 加快 实施 “ 氢 能 中国 ” 战略 。 油气 公司 是 实现 “ 氢 能 中国 ” 的 重要 力量 ， 正在 支撑 当前 、 引领 未来 ， 带动 国内 氢 能 行业 发展 。 随着 技术 的 进步 与 行业 布局 的 完善 ， 氢 能 作为 一 种 有 着 诸多 无可比拟 优势 的 能源 ， 将 在 我 国 以及 全球 实现 能源 转型 与 碳 中 和 目标 中 承担 重要 的 战略 地位 。
本 文 的 观点 与 数据 是 基于 目前 的 初步 认识 和 引用 ， 或 有 不妥 与 不 完善 之 处 。 随着 世界 科技 与 管理 创新 、 全球 政治 与 经济 格局 等 变化 ， 相关 认识 也 势必 不断 完善 和 发展 。
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