本文圍繞制氫關鍵技術的研究進展進行綜述，分析了氫能發(fā)展的背景，整理并解讀了當前我國與氫能相關的政策，并調研了幾項國內(nèi)典型制氫項目。對氫能產(chǎn)業(yè)鏈中制氫環(huán)節(jié)應用現(xiàn)狀及關鍵技術原理進行了梳理和對比，包括煤制氫、醇類制氫及電解水制氫技術的原理、電解槽結構及數(shù)學模型，并分析了由“灰氫”到“綠氫”轉化的重要意義，為我國“綠氫” 制取關鍵技術的發(fā)展提供借鑒和參考。
1、我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
做好碳達峰、碳中和工作，即力爭在2030年前使國內(nèi)二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和，是我國今后一段時期的重點任務之一。積極探索新型清潔能源有助于促進我國碳達峰、碳中和工作的加速進行，加快產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化。氫能作為一種儲量豐富、熱值高、能量密度大、來源多樣的綠色能源，被譽為21世紀的“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政策，將氫能列為國家能源結構的重要組成部分，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)《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030 年）》，將氫能列為15項能源技術革命重點任務之一，把可再生能源制氫、氫能與燃料電池技術創(chuàng)新作為重點任務。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，使用棄風、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，提高電解水制氫的經(jīng)濟性，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 年政府工作報告》，提出引導加大氫燃料電池基礎科研投入， 鼓勵能源企業(yè)建立穩(wěn)定、便利、低成本的氫能供應體系，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、財政部4部委聯(lián)合印發(fā)《關于擴大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資 培育壯大新增長點增長極的指導意見》，意見指出，加快新能源發(fā)展，加快制氫加氫設施建設。隨著氫能相關政策的頒布和完善，國家還鼓勵支持了一大批氫能項目的建設發(fā)展，如表1所示。
隨著我國政策的引導以及大批氫能項目落地實施，氫能技術不斷突破，產(chǎn)業(yè)體系逐步完善，我國氫能領域的發(fā)展已加速進入產(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，氫能市場潛力巨大。中國每年僅風力、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，將會大大減少能源浪費。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，如關鍵技術亟待突破，缺乏自主知識產(chǎn)權，基礎設施仍有待加強等。對此，本文從氫能產(chǎn)業(yè)鏈制氫環(huán)節(jié)關鍵技術切入，分析總結國內(nèi)外制氫技術現(xiàn)狀，并結合我國制氫領域亟待解決的問題，對 3 種主流制氫工藝進行分析，總結現(xiàn)有技術的優(yōu)缺點，最后對氫能未來技術發(fā)展方向進行展望，對我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出建議，以期對我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供指導。
2、制氫關鍵技術
氫氣制備主要技術工藝有熱化學制氫和水電解制氫，其中熱化學制氫技術主要有化石能源制氫及化工原料制氫?；茉粗茪浒ㄋ簹庵茪洹⑻烊粴庵卣茪涞?，目前已經(jīng)進行工業(yè)生產(chǎn)，技術相對成熟，但能量的產(chǎn)出大于投入，若用此法制氫發(fā)電，能量轉換效率低，經(jīng)濟性差，因此傳統(tǒng)能源制氫并非理想的制氫技術。化工原料制氫主要有醇類裂解制氫、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、棄光、棄水）能源水解制氫，還可以大大降低制氫成本，是實現(xiàn)“綠氫”生產(chǎn)的重要技術環(huán)節(jié)， 也是氫能領域投資的重點領域。
表2列出了當前階段不同制氫技術的對比，可以看出：化石能源制氫技術雖然成熟度較高且經(jīng)濟性較好，但碳排放量較大，違背了氫能作為清潔能源的本質，不適合長期發(fā)展；可再生能源電力電解水制氫技術成熟，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)濟性對比。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前制氫環(huán)節(jié)的研究熱點，技術也較為成熟，其他新型制氫法尚未應用于大規(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（即“藍氫”），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容量不斷增大，在西北地區(qū)出現(xiàn)大量棄風棄光現(xiàn)象，如果能夠將棄風棄光所發(fā)電力用于電解水制氫（“綠氫”，即采用風電、光伏等可再生能源電解水制氫），“綠氫”制取經(jīng)濟性也非?？捎^。因此，長遠來看，隨著碳達峰、碳中和工作的推進，“綠氫”將成為氫能應用的主流選擇。
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；光解水和生物質氣化制氫等技術路線仍處于實驗和開發(fā)階段，相關技術難以突破，尚未達到規(guī)?；茪涞男枨蟆?
表3給出了典型制氫工藝中各類能源的能量轉換效率與碳排放量。
由表3可以看出：雖然化石能源制氫工藝成熟且原料價格低廉，但是會排放大量的溫室氣體，對環(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：先對天然氣進行預處理，甲烷和水蒸汽在轉化爐中反應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生成二氧化碳和氫氣。該技術是在天然氣蒸汽轉化技術的基礎上實現(xiàn)的。在變換塔中，在催化劑存在的條件下，控制反應溫度， 轉化氣中的一氧化碳和水反應，生成氫氣和二氧化碳。主要反應式為
目前，國內(nèi)天然氣重整制氫、高溫裂解制氫主要應用于大型制氫工業(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以上時選擇天然氣制氫工藝更經(jīng)濟。此外，天然氣原料占制氫成本的70%以上，天然氣價格是決定氫價格的重要因素，而我國富煤、缺油、少氣的能源特點，制約著天然氣制氫在我國的實施。
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將煤炭轉化為合成氣（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，廣泛應用于石化、鋼鐵等領域。煤制氫技術路線成熟高效，可大規(guī)模穩(wěn)定制備，是當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)物中氫氣體積分數(shù)是甲醇制氫法中最高的。甲醇水蒸氣重整制氫具有反應溫度低、產(chǎn)物氫氣體積分數(shù)高、一氧化碳體積分數(shù)（＜2%）較甲醇分解制氫法低等優(yōu)點。因此，目前開發(fā)的甲醇制氫技術主要采用甲醇水蒸氣重整制氫工藝，其反應機理見式(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，我國正處于能源轉型的關鍵階段，將可再生能源（太陽能、風能等）轉化為氫氣或者含氫燃料的能源載體，有助于推進我國能源轉型進程，促進我國能源多元化發(fā)展。
可再生能源電解水制氫技術路線如圖5所示。
圖5中，根據(jù)電解質種類，電解槽可分為堿性電解槽、質子交換膜（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參數(shù)及特點對比見表4。
由表4可以看出：堿性電解水制氫技術是目前市場化最成熟、制氫成本最低的技術；質子交換膜電解水制氫技術較為成熟，具有寬范圍的運行電流密度，可以更好地適應可再生能源的波動性，是國外發(fā)展的重要方向，我國應加大質子交換膜電解水制氫技術的研發(fā)力度，加強與國外領先單位的合作研發(fā)；固體氧化物電解水制氫技術是能耗最低、能量轉換效率最高的電解水制氫技術，國外學者在Science上發(fā)表的文章指出，固體氧化物電解槽可在動態(tài)電力輸出下工作，并不會有明顯衰減。因此，固體氧化物電解水制氫技術有望實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的氫氣供應，應重點關注并提前進行技術和專利布局。
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)生的氣體出口設置了流量計。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)定相關的過電壓系數(shù)，V；t也是與穩(wěn)定相關的過電壓系數(shù)，K/A；nac(H2)指實際制氫量；ηF為法拉第效率；Nc為系統(tǒng)中電解槽的個數(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、棄風電力，電解水制氫可平抑風力、光伏等發(fā)電輸出的波動性，并減少能源浪費，解決棄電問題。另一方面，可以通過遠距離輸運氫燃料，將可再生能源從資源豐富的地區(qū)高效轉移到用能負荷中心，利用氫氣發(fā)電增強電網(wǎng)的協(xié)調性和可靠性，有效解決可再生能源供需存在的區(qū)域錯配問題。上述整個過程清潔環(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的進一步攻關，降低制氫成本，助力碳達峰、碳中和任務的推進。
綜合對比以上3種制氫技術：煤、天然氣制氫技術最為成熟，尤其煤制氫在我國具有較大成本優(yōu)勢，但此法制得的“灰氫”不符合能源向低碳轉型的綠色發(fā)展需求；電解水制氫技術可以制得“綠氫”，能源效率高，但是成本較高，經(jīng)濟性較差。3種制氫工藝的技術水平及經(jīng)濟性對比見表5。
煤或天然氣制得的“灰氫”通過CCUS技術可轉化為“藍氫”，該技術也是我國實現(xiàn)碳中和目標技術組合的重要一環(huán)。隨著碳達峰、碳中和工作的深入進行，制氫領域面臨的挑戰(zhàn)將是實現(xiàn)無碳或碳中性（“綠氫”或“藍氫”）的技術（目前通過電解水制取“綠氫”來替代），并將這些技術以更大規(guī)模推廣應用，進而降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。
3 、結語
氫能是一種理想的新型能源，通過風光等新能源電力制氫，并將氫與燃料電池結合發(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，加快構建清潔化、低碳化的氫能供應體系，對我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。氫儲能可以作為儲能系統(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。氫結合燃料電池發(fā)電是氫能全生命周期應用的關鍵技術環(huán)節(jié)，氫氣發(fā)電可以產(chǎn)出多種有直接經(jīng)濟效益的產(chǎn)品（如純氧），達到大量減少二氧化碳排放的目的，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。
氫能應用前景廣闊，但有部分難題亟待解決。氫氣擴散能力強，易燃易爆，與金屬接觸容易導致氫脆，不好儲存，因此妥善解決氫能的儲運問題是氫能安全高效使用的關鍵。此外，電解水制氫成本較高。基于上述問題，提出以下建議：
1）今后應緊緊圍繞氫能的制、儲、運、用4個環(huán)節(jié)，著力建設完善氫能體系，加大氫能源與電網(wǎng)的互動性，促進我國能源轉型；
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，利用棄風、棄光、棄水資源制取“綠氫”，解決電解水制氫經(jīng)濟性難題及能源浪費問題；
4）大力發(fā)展可再生能源（如風電與太陽能）與氫氣儲能結合，促進氫能在儲能領域的發(fā)展，加速推進我國碳達峰、碳中和工作。
