本文圍繞制氫關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，分析了氫能發(fā)展的背景，整理并解讀了當(dāng)前我國與氫能相關(guān)的政策，并調(diào)研了幾項(xiàng)國內(nèi)典型制氫項(xiàng)目。對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈中制氫環(huán)節(jié)應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)原理進(jìn)行了梳理和對(duì)比，包括煤制氫、醇類制氫及電解水制氫技術(shù)的原理、電解槽結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型，并分析了由“灰氫”到“綠氫”轉(zhuǎn)化的重要意義，為我國“綠氫” 制取關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。
1、我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
做好碳達(dá)峰、碳中和工作，即力爭(zhēng)在2030年前使國內(nèi)二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是我國今后一段時(shí)期的重點(diǎn)任務(wù)之一。積極探索新型清潔能源有助于促進(jìn)我國碳達(dá)峰、碳中和工作的加速進(jìn)行，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。氫能作為一種儲(chǔ)量豐富、熱值高、能量密度大、來源多樣的綠色能源，被譽(yù)為21世紀(jì)的“終極能源”。氫能的開發(fā)利用也受到了世界各國的高度重視，美國、日本、澳大利亞等國已制定相關(guān)政策，將氫能列為國家能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，我國也在積極布局氫能發(fā)展戰(zhàn)略，逐步完善氫能政策體系。
2016年，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030 年）》，將氫能列為15項(xiàng)能源技術(shù)革命重點(diǎn)任務(wù)之一，把可再生能源制氫、氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新作為重點(diǎn)任務(wù)。使用可再生能源電解水制氫是氫能產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)，使用棄風(fēng)、棄光、棄水打通制氫環(huán)節(jié)路線，可最大程度避免能源浪費(fèi)，提高電解水制氫的經(jīng)濟(jì)性，符合綠色能源可持續(xù)發(fā)展需求。
2020年5月，中共中央頒布《2020 年政府工作報(bào)告》，提出引導(dǎo)加大氫燃料電池基礎(chǔ)科研投入， 鼓勵(lì)能源企業(yè)建立穩(wěn)定、便利、低成本的氫能供應(yīng)體系，制定國家頂層氫能規(guī)劃。
2020年9月8日，國家發(fā)展改革委、科技部、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部4部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資 培育壯大新增長點(diǎn)增長極的指導(dǎo)意見》，意見指出，加快新能源發(fā)展，加快制氫加氫設(shè)施建設(shè)。隨著氫能相關(guān)政策的頒布和完善，國家還鼓勵(lì)支持了一大批氫能項(xiàng)目的建設(shè)發(fā)展，如表1所示。
隨著我國政策的引導(dǎo)以及大批氫能項(xiàng)目落地實(shí)施，氫能技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)體系逐步完善，我國氫能領(lǐng)域的發(fā)展已加速進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。經(jīng)過多年的工業(yè)積累，中國已經(jīng)是世界最大的制氫國，氫能市場(chǎng)潛力巨大。中國每年僅風(fēng)力、光伏、水電等可再生能源棄電約1000億 kW·h，可用于電解制氫約200萬t，如果能將這些富余的被棄掉的能源用于電解制氫，將會(huì)大大減少能源浪費(fèi)。近年來，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快、覆蓋廣，截至2020年1月，我國已建成加氫站61座（圖1），規(guī)劃和在建的加氫站有84座，內(nèi)蒙古、遼寧、山東、河南、湖北、廣東、四川、安徽等地均有分布。
但是，我國氫能產(chǎn)業(yè)還存在諸多問題，如關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，基礎(chǔ)設(shè)施仍有待加強(qiáng)等。對(duì)此，本文從氫能產(chǎn)業(yè)鏈制氫環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)切入，分析總結(jié)國內(nèi)外制氫技術(shù)現(xiàn)狀，并結(jié)合我國制氫領(lǐng)域亟待解決的問題，對(duì) 3 種主流制氫工藝進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)氫能未來技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行展望，對(duì)我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出建議，以期對(duì)我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供指導(dǎo)。
2、制氫關(guān)鍵技術(shù)
氫氣制備主要技術(shù)工藝有熱化學(xué)制氫和水電解制氫，其中熱化學(xué)制氫技術(shù)主要有化石能源制氫及化工原料制氫?；茉粗茪浒ㄋ簹庵茪?、天然氣重整制氫等，目前已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，技術(shù)相對(duì)成熟，但能量的產(chǎn)出大于投入，若用此法制氫發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率低，經(jīng)濟(jì)性差，因此傳統(tǒng)能源制氫并非理想的制氫技術(shù)?；ぴ现茪渲饕写碱惲呀庵茪?、醇類重整制氫，如甲醇水蒸氣重整制氫。水電解制氫法即利用光伏、風(fēng)電等新能源電力電解水制氫，這種制氫方式近零碳排放，可充分利用“三棄”（棄風(fēng)、棄光、棄水）能源水解制氫，還可以大大降低制氫成本，是實(shí)現(xiàn)“綠氫”生產(chǎn)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)， 也是氫能領(lǐng)域投資的重點(diǎn)領(lǐng)域。
表2列出了當(dāng)前階段不同制氫技術(shù)的對(duì)比，可以看出：化石能源制氫技術(shù)雖然成熟度較高且經(jīng)濟(jì)性較好，但碳排放量較大，違背了氫能作為清潔能源的本質(zhì)，不適合長期發(fā)展；可再生能源電力電解水制氫技術(shù)成熟，且環(huán)保性好、碳排放少，但是其制氫成本較高，可以考慮采取“三棄”能源制氫， 以大幅降低制氫成本。不同制氫技術(shù)所使用的制氫原料及制氫工藝大有不同。
2.1 制氫原料
圖2給出了目前全球制氫原料占比和主流制氫方法的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。由圖2a)可以看出，在所有制氫原料中，天然氣使用最為廣泛，占比達(dá)到48%， 其次是醇類（占比為30%），電解水使用較少，占比僅為4%。
目前，全球制氫技術(shù)的主流選擇是化石能源制氫和化工原料制氫，這主要是由于化石能源制氫和化工原料制氫的成本較低（圖2b））。此外，由于清潔性好、效率高、成本低，采用天然氣重整制氫具有較大利潤空間。采用電解水制氫是當(dāng)前制氫環(huán)節(jié)的研究熱點(diǎn)，技術(shù)也較為成熟，其他新型制氫法尚未應(yīng)用于大規(guī)模制氫。
從制氫原料占比來看，近期我國仍將主要采用化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫+碳捕集、利用與封存（carbon capture, utilization and storage，CCUS）技術(shù)（即“藍(lán)氫”），助力化石能源制氫降低碳排放。而隨著我國可再生能源裝機(jī)容量不斷增大，在西北地區(qū)出現(xiàn)大量棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，如果能夠?qū)夛L(fēng)棄光所發(fā)電力用于電解水制氫（“綠氫”，即采用風(fēng)電、光伏等可再生能源電解水制氫），“綠氫”制取經(jīng)濟(jì)性也非常可觀。因此，長遠(yuǎn)來看，隨著碳達(dá)峰、碳中和工作的推進(jìn)，“綠氫”將成為氫能應(yīng)用的主流選擇。
2.2 制氫工藝
現(xiàn)有主要制氫方式如圖3所示，其中：較為成熟的技術(shù)路線有3種，即使用煤炭、天然氣等化石能源重整制氫，以醇類裂解制氫技術(shù)為代表的化工原料高溫分解重整制氫，以及電解水制氫；光解水和生物質(zhì)氣化制氫等技術(shù)路線仍處于實(shí)驗(yàn)和開發(fā)階段，相關(guān)技術(shù)難以突破，尚未達(dá)到規(guī)模化制氫的需求。
表3給出了典型制氫工藝中各類能源的能量轉(zhuǎn)換效率與碳排放量。
由表3可以看出：雖然化石能源制氫工藝成熟且原料價(jià)格低廉，但是會(huì)排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成污染，因此環(huán)境成本極高；而電解水制氫工藝幾乎無碳排放，符合綠色發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保理念。
2.2.1 化石能源重整制氫
天然氣制氫技術(shù)中，蒸汽重整制氫較為成熟， 是國外主流制氫方式。其原理是：先對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理，甲烷和水蒸汽在轉(zhuǎn)化爐中反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣等；經(jīng)余熱回收后，在變換塔中，一氧化碳和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣。該技術(shù)是在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。在變換塔中，在催化劑存在的條件下，控制反應(yīng)溫度， 轉(zhuǎn)化氣中的一氧化碳和水反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳。主要反應(yīng)式為
目前，國內(nèi)天然氣重整制氫、高溫裂解制氫主要應(yīng)用于大型制氫工業(yè)。天然氣制氫過程的原料氣也是燃料氣，無需運(yùn)輸，但天然氣制氫投資比較高，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。一般制氫規(guī)模在5000m3/h以上時(shí)選擇天然氣制氫工藝更經(jīng)濟(jì)。此外，天然氣原料占制氫成本的70%以上，天然氣價(jià)格是決定氫價(jià)格的重要因素，而我國富煤、缺油、少氣的能源特點(diǎn)，制約著天然氣制氫在我國的實(shí)施。
煤氣化制氫是工業(yè)大規(guī)模制氫的首選，也是我國主流的化石能源制氫方法。該制氫工藝通過氣化技術(shù)將煤炭轉(zhuǎn)化為合成氣（CO、CH4、H2、CO2、N2 等），再經(jīng)水煤氣變換分離處理以提取高純度的氫氣，是制備合成氨、甲醇、液體燃料、天然氣等多種產(chǎn)品的原料，廣泛應(yīng)用于石化、鋼鐵等領(lǐng)域。煤制氫技術(shù)路線成熟高效，可大規(guī)模穩(wěn)定制備，是當(dāng)前成本最低的制氫方式。
2.2.1 甲醇水蒸氣重整制氫
甲醇水蒸氣重整制氫，即甲醇和水在一定溫度、壓力和催化劑作用下轉(zhuǎn)化生成氫氣、二氧化碳以及少量一氧化碳和甲烷的混合氣體，該方法產(chǎn)物中氫氣體積分?jǐn)?shù)是甲醇制氫法中最高的。甲醇水蒸氣重整制氫具有反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物氫氣體積分?jǐn)?shù)高、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)（＜2%）較甲醇分解制氫法低等優(yōu)點(diǎn)。因此，目前開發(fā)的甲醇制氫技術(shù)主要采用甲醇水蒸氣重整制氫工藝，其反應(yīng)機(jī)理見式(3)，工藝流程如圖4所示。甲醇水蒸汽重整制氫裝置已經(jīng)廣泛用于航空航天、精細(xì)化工、制藥、小型石化、特種玻璃、特種鋼鐵等行業(yè)。
2.2.3 電解水制氫
化石能源重整制氫、甲醇水蒸氣重整制氫過程均有含碳化合物的排出，不符合可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的環(huán)保理念，而電解水制氫過程為水電解生成氫氣和氧氣，無含碳化合物的排出，綠色環(huán)保。目前，我國正處于能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，將可再生能源（太陽能、風(fēng)能等）轉(zhuǎn)化為氫氣或者含氫燃料的能源載體，有助于推進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程，促進(jìn)我國能源多元化發(fā)展。
可再生能源電解水制氫技術(shù)路線如圖5所示。
圖5中，根據(jù)電解質(zhì)種類，電解槽可分為堿性電解槽、質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，PEM）電解槽、固體氧化電解槽（solid oxide electrolyzecells，SOEC）3種。不同電解水制氫技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)對(duì)比見表4。
由表4可以看出：堿性電解水制氫技術(shù)是目前市場(chǎng)化最成熟、制氫成本最低的技術(shù)；質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)較為成熟，具有寬范圍的運(yùn)行電流密度，可以更好地適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性，是國外發(fā)展的重要方向，我國應(yīng)加大質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的研發(fā)力度，加強(qiáng)與國外領(lǐng)先單位的合作研發(fā)；固體氧化物電解水制氫技術(shù)是能耗最低、能量轉(zhuǎn)換效率最高的電解水制氫技術(shù)，國外學(xué)者在Science上發(fā)表的文章指出，固體氧化物電解槽可在動(dòng)態(tài)電力輸出下工作，并不會(huì)有明顯衰減。因此，固體氧化物電解水制氫技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的氫氣供應(yīng)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并提前進(jìn)行技術(shù)和專利布局。
以PEM電解槽為例，其工作原理如圖6所示。
PEM電解槽由膜電極組件（MEA）、氣體擴(kuò)散層（GDL）及帶有流道的隔板（雙極板）組成。電解槽中，水經(jīng)過電解在陽極產(chǎn)生氧氣，在陰極產(chǎn)生氫氣，因此在產(chǎn)生的氣體出口設(shè)置了流量計(jì)。典型的堿性電解槽考慮溫度影響的U-I特性曲線模型及電解槽制氫量相關(guān)模型可以用式(4)表示。
式中：Uc為電壓常數(shù)；T是溫度，單位K；R1、R2是電解液的歐姆電阻參數(shù)，Ωm2；s是與穩(wěn)定相關(guān)的過電壓系數(shù)，V；t也是與穩(wěn)定相關(guān)的過電壓系數(shù)，K/A；nac(H2)指實(shí)際制氫量；ηF為法拉第效率；Nc為系統(tǒng)中電解槽的個(gè)數(shù)；F為法拉第常數(shù)。PEM電解槽的電流由可再生能源發(fā)電的輸出功率及電解槽相關(guān)特性參數(shù)決定。
通過利用可再生能源發(fā)電的棄水、棄光、棄風(fēng)電力，電解水制氫可平抑風(fēng)力、光伏等發(fā)電輸出的波動(dòng)性，并減少能源浪費(fèi)，解決棄電問題。另一方面，可以通過遠(yuǎn)距離輸運(yùn)氫燃料，將可再生能源從資源豐富的地區(qū)高效轉(zhuǎn)移到用能負(fù)荷中心，利用氫氣發(fā)電增強(qiáng)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性和可靠性，有效解決可再生能源供需存在的區(qū)域錯(cuò)配問題。上述整個(gè)過程清潔環(huán)保，幾乎不產(chǎn)生二氧化碳。但是，可再生能源電解制氫成本較高，因此，“綠氫”的制取亟需可再生能源電解水制氫技術(shù)的進(jìn)一步攻關(guān)，降低制氫成本，助力碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)的推進(jìn)。
綜合對(duì)比以上3種制氫技術(shù)：煤、天然氣制氫技術(shù)最為成熟，尤其煤制氫在我國具有較大成本優(yōu)勢(shì)，但此法制得的“灰氫”不符合能源向低碳轉(zhuǎn)型的綠色發(fā)展需求；電解水制氫技術(shù)可以制得“綠氫”，能源效率高，但是成本較高，經(jīng)濟(jì)性較差。3種制氫工藝的技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表5。
煤或天然氣制得的“灰氫”通過CCUS技術(shù)可轉(zhuǎn)化為“藍(lán)氫”，該技術(shù)也是我國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要一環(huán)。隨著碳達(dá)峰、碳中和工作的深入進(jìn)行，制氫領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)將是實(shí)現(xiàn)無碳或碳中性（“綠氫”或“藍(lán)氫”）的技術(shù)（目前通過電解水制取“綠氫”來替代），并將這些技術(shù)以更大規(guī)模推廣應(yīng)用，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。
3 、結(jié)語
氫能是一種理想的新型能源，通過風(fēng)光等新能源電力制氫，并將氫與燃料電池結(jié)合發(fā)電，以此形成氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈有助于保障我國能源安全，加快構(gòu)建清潔化、低碳化的氫能供應(yīng)體系，對(duì)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。氫儲(chǔ)能可以作為儲(chǔ)能系統(tǒng)新思路，解決可再生能源消納能力不足及新能源并網(wǎng)問題。氫結(jié)合燃料電池發(fā)電是氫能全生命周期應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，氫氣發(fā)電可以產(chǎn)出多種有直接經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品（如純氧），達(dá)到大量減少二氧化碳排放的目的，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
氫能應(yīng)用前景廣闊，但有部分難題亟待解決。氫氣擴(kuò)散能力強(qiáng)，易燃易爆，與金屬接觸容易導(dǎo)致氫脆，不好儲(chǔ)存，因此妥善解決氫能的儲(chǔ)運(yùn)問題是氫能安全高效使用的關(guān)鍵。此外，電解水制氫成本較高?；谏鲜鰡栴}，提出以下建議：
1）今后應(yīng)緊緊圍繞氫能的制、儲(chǔ)、運(yùn)、用4個(gè)環(huán)節(jié)，著力建設(shè)完善氫能體系，加大氫能源與電網(wǎng)的互動(dòng)性，促進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型；
2）明確氫能發(fā)展定位，給予氫能產(chǎn)業(yè)完善的政策支持；
3）大力發(fā)展電解水制氫技術(shù)，利用棄風(fēng)、棄光、棄水資源制取“綠氫”，解決電解水制氫經(jīng)濟(jì)性難題及能源浪費(fèi)問題；
4）大力發(fā)展可再生能源（如風(fēng)電與太陽能）與氫氣儲(chǔ)能結(jié)合，促進(jìn)氫能在儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展，加速推進(jìn)我國碳達(dá)峰、碳中和工作。
