氫能技術現狀及未來發展趨勢

一． 氫能背景和意義

回顧人類所消耗的能源形式，遠古時代的鉆木取火、農耕時代開始使用的煤炭、工業時代大規模應用的石油與天然氣，人們不斷的開發和利用新型清潔能源，相對于太陽能、風能和水能通常會受到地理位置和季節的限制，而核能一旦泄露也會帶來嚴重的環境問題，氫能由于自身的高燃燒熱值、可持續性、儲量豐富、零污染等優點進入人們的視野，發展氫能源能夠實現真正的綠色、清潔、可持續發展。當前，我國碳達峰、碳中和發展目標的提出，將進一步提速減碳的過程。氫氣作為零碳的能源載體，正在得到越來越多的關注：2050年世界上20%的CO2減排可以通過氫能替代完成，氫能消費將占世界能源市場的 18%。

2021年國家重點研發計劃啟動實施“氫能技術”重點專項，目標是以能源革命、交通強國等重大需求為牽引，到2025年實現我國氫能技術研發水平進入國際先進行列，關鍵產業鏈技術自主可控，描繪出我國氫能產業發展技術路徑的目標愿景。“氫能技術”重點專項指南中，擬圍繞氫能綠色制取與規模轉存體系、氫能安全存儲與快速輸配體系、氫能便攜改質與高效動力系統及“氫進萬家”綜合示范4個技術方向，啟動“光伏/風電等波動性電源電解制氫材料和過程基礎”等19個指南任務。

二． 上游制氫技術路線

雖然氫是地球上最多的元素，但自然狀態下的游離態氫卻較為匱乏，因此需要一定的制氫技術將氫氣從含氫原料中大規模制備出來，以滿足日益增長的氫氣需求。目前主要的制氫技術路線有以下幾種：

1. 化石能源重整制氫

目前中國最常見的制氫方法是以煤炭、天然氣為主的石化燃料化學重整技術。煤制氫主要分為煤焦化和煤氣化兩種方式。煤的氣化技術制取氫氣是我國當前制取氫氣最主要的方法之一，煤氣化制氫是將煤與氣化劑在一定的溫度、壓力等條件下發生化學反應而氣化為以氫氣和CO為主要成分的氣態產品，然后經過CO變換和分離、提純等處理而獲得一定純度的產品氫，該技術成熟高效，成本較低；天然氣制氫技術主要有:蒸汽轉化法、部分氧化法、催化裂解法、甲烷自熱催化重整法等，其中以蒸汽轉化制氫較為成熟，其他國家也有廣泛應用。但化石能源重整制氫技術消耗儲量有限的化石燃料不能擺脫對傳統能源的依賴，也會對環境造成污染。

2. 電解水制氫

電解水制氫技術主要有堿性水電解槽（ALK）、質子交換膜水電解槽（PEM）和固體氧化物水電解槽（SOEC）。目前為止，工業上大規模的電解水制氫基本上都是采用堿性水電解槽制氫技術，但其電能消耗較大，制氫成本高。

質子交換膜水電解槽（PEM）：不需要液態電解液，這很大程度上簡化了設計過程。電解液為酸性聚合膜。該技術的主要缺點是隔膜使用期有限。與堿性電解法不同的是，薄膜電解是由于沒有電解液（由于更高的密度和更高的運行壓力，需要更嚴謹的設計），安全性更強。由于相對成本高、容量小、效率低和使用期短，薄膜電解法目前不像堿性電解法一樣成熟可用，還需要進一步改進原料和電池堆設計來改善性能。

固體氧化物水電解槽（SOEC）：高溫電解法基于高溫燃料電池技術，是固體氧化物燃料電池(SOFC)的逆向應用。一種典型的技術是固體氧化物電解池。固體電解質高溫水蒸氣電解槽的操作溫度約1000℃，它由多孔的陽極、陰極、固體電解質和連接材料等組成。固體電解質通常由氧化釔摻雜的氧化鋯陶瓷構成。1000℃的高溫水蒸氣通過陰極板上時被離解為氫氣和氧離子，氧離子通過陰極板，固體電解質到達陽極，在陽極上失去電子生成氧氣。

我國目前堿性水電解槽（ALK）制氫技術成熟，市場份額高，但在制氫效率等重要技術指標上仍與國外存在一定差距。質子交換膜水電解槽（PEM）技術剛剛起步，性能尤其是壽命尚缺乏市場驗證，整體上落后于歐美。

另外，值得一提的是，近年來以中國科學院大連化學物理研究所李燦院士團隊為主導的“液態陽光”能源轉化利用新機制已經逐漸從基礎研究走向初步工業化規模生產。“液態陽光”是利用太陽能等可再生能源產生的電力電解水生產“綠色”氫能，并利用產生的氫氣進行二氧化碳加氫來生產“綠色”甲醇等液體燃料。目前，全球首個規模化（千噸級）合成綠色甲醇示范裝置已經在甘肅省蘭州新區的綠色化工園區先行先試，提供了一條從可再生能源到綠色液體燃料甲醇生產的全新途徑。

3. 生物制氫

生物制氫法是以生物活性酶催化為主要機理來分解有機物和生物質制氫，其主要優勢是來源廣且沒有污染，反應環境是常溫常壓，生產費用低，完全顛覆了傳統的能源的生產過程。目前常用的 生物制氫方法可歸納為4種：光解水、光發酵、暗發酵與光暗發酵耦合制氫。

生物制氫領域存在一些問題限制了其產業化發展：（1）暗發酵制氫雖穩定、快速，但由于揮發酸的積累會產生反饋抑制，從而限制了氫氣產量。（2）在微生物光解水制氫中，光能轉化效率低是主要限制因素。憑借基因工程手段，通過改造或誘變獲得更高光能轉化效率的制氫菌株，具有重要的意義。（3）光暗耦合發酵制氫中，兩類細菌在生長速率及酸耐受力方面存在巨大差異。暗發酵過程產酸速率快，使體系pH值降低，從而抑制光發酵制氫細菌的生長，使整體制氫效率降低。如何解除兩類細菌之間的產物抑制，做到互利共生，是一項亟待解決的問題。

4. 工業副產氣制氫

工業副產制氫開發空間較大，可以在提高資源利用效率和經濟效益的同時降低大氣污染。同時中國生產大量焦炭產生的焦爐煤氣，年產量基本穩定在3000萬-3500萬噸之間的燒堿產生的合成氣，甲醇及合成氨工業、丙烷脫氫項目的合成氣都為工業副產提純制氫提供了大量原料，且提純成本較低。

獲取燃料氫氣的技術難點主要在于提純，99.999%的工業高純氫都很難達到燃料氫氣對于微量雜質的要求。在氫氣純度上，99.99%的高純氫氣可滿足燃料氫氣99.97%的要求，但難點在于氫氣中的微量雜質，尤其是CO≦0.2ppm是99.99%的工業純氫甚至99.999%的工業高純氫都難以達到的。工業氫氣關注氫氣純度，而燃料氫氣關注特定雜質含量。CO是氫氣所含雜質中處理難度最大的，微量CO會導致燃料電池催化劑Pt的中毒失活，要想達到CO≦0.2ppm的要求，就需要同時將燃料氫氣中含量要求不高的N2和Ar等雜質一并脫除至很低的水平，結果就是損失了收率導致燃料氫氣成本升高。

5. 可再生能源制氫

制氫路線上由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫，大規模低成本氫氣是關鍵，利用可再生能源制取氫氣的技術近年來備受關注，研究成果和示范項目也在不斷涌現（表1）。“可再生能源+水電解制氫”潛力較大，綠色環保、副產高價值氧氣，并可以有效地消納風電、光伏發電等不穩定，實現富余波谷儲能，未來“可再生能源+水電解制氫”有望成為大規模制氫發展趨勢。

三． 中游儲運氫氣

1. 儲氫技術

目前主要的儲氫材料與技術有高壓氣態儲氫、液體儲氫、固體儲氫等。

高壓氣態儲氫：具有充放氫速度快、容器結構簡單等優點，是現階段主要儲氫方式，分為高壓氫瓶和高壓容器兩大類。其中鋼質氫瓶和鋼質壓力容器技術最為成熟，成本較低。碳纖維纏繞高壓氫瓶的開發應用，實現了高壓氣態儲氫由固定式應用向車載儲氫應用的轉變。目前最常用的氣態氫儲存罐是鋼罐，今后的研究熱點是利用抗高壓輕質復合材料罐和玻璃微球儲氫。

復合材料罐儲氫的研究重點是：（1）運用新技術研究材料脆裂力學性能；（2）增強材料性能，降低材料成本，尤其是碳纖維；（3）發展高效、清潔（無油）1000巴的壓縮罐（可考慮利用太陽能或廢熱的實用型氫化物壓縮罐）；（4）在車輛運行過程中回收壓縮能的技術。

玻璃微球儲氫研發重點是：（1）開發性能更強的玻璃微球；（2）開發特殊的低成本生產技術；（3）開發氫氣滲透性最優的涂層技術；（4）通過其他加熱方法（如磁力、電氣、微波）開發滲透控制技術。

液態儲氫：可分為低溫液態儲氫和有機液體儲氫，具有儲氫密度高等優勢。低溫液態儲氫將氫氣冷卻至-253℃，液化儲存于低溫絕熱液氫罐中，儲氫密度可達70.6kg/m3，但液氫裝置一次性投資較大，液化過程中能耗較高。國內液氫已在航天工程中成功使用。有機液體儲氫利用某些不飽和有機物（如烯烴、炔烴或芳香烴）與氫氣進行可逆加氫和脫氫反應，實現氫的儲存，加氫后形成的有機氫化物性能穩定、安全性高，儲存方式與石油產品類似。但存在反應溫度較高、脫氫效率較低、催化劑已被中間產物毒化等問題。目前最有前景的液態氫儲存方法是：超低溫液態氫、NaBH4溶液和有機液體。

超低溫液態氫氣主要研發重點有：（1）開發更有效的液化方法（氫化物壓縮機、磁性和聲波冷卻等）；（2）降低成本，改進隔熱容器；（3）開發自動捕捉氣化燃料再液化系統。

NaBH4溶液的研發重點：（1）通過優化反應所需的水，研究如何達到理想的能源密度（10.9wt.%），以及開發從燃料電池中獲得水的方法；（2）開發可行的NaBO2轉移、再生和置換方法；（3）開發一種直接的硼氫化物燃料電池。

有機液體的研發重點有：（1）開發可低溫脫氫的有機系統和在可行的壓力下產氫；（2）研發最佳的金屬脫氫催化劑和車載系統；（3）研發再氫化工藝。

固體儲氫：是以金屬氫化物、化學氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學吸附和物理吸附的方式實現氫的存儲。固態儲氫具有儲氫密度高、儲氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優勢，其體積儲氫密度高于液氫。但主流金屬儲氫材料中儲氫率仍低于3.8wt%，重量儲氫率大于7wt%的輕質儲氫材料還需解決吸放氫溫度偏高、循環性能較差等問題。國外固態儲氫已在燃料電池潛艇中商業應用，在分布式發電和風電制氫規模儲氫中得到示范應用，國內固態儲氫已在分布式發電中得到示范應用。

2. 氫輸運技術

氫運輸方式與氫氣的存儲方式類似，可以分為氣態、液態和固體運輸三種。

氣態輸運：分為長管拖車和管道運輸兩種方式。高壓長管拖車是氫氣近距離運輸的重要方式，技術較為成熟，國內常以20MPa長管拖車運氫，單車運氫約300公斤，國外則采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車運氫，單車運氫可提高至700公斤。管道運輸更適用于氫氣大規模、長距離運輸，運行壓力一般為1.0-4.0MPa，具有輸氫量大、能耗小和成本低等優勢，但管道一次性投資較大。

液態輸運：通常適用于距離較遠、運輸量較大的場合。采用液氫儲運能夠減少車輛運輸頻次，提高加氫站單站供應能力。日本、美國已將液氫罐車作為加氫站運氫的重要方式之一。我國尚無民用液氫輸運案例。

固態輸運：輕質儲氫材料（如鎂基儲氫材料）兼具高的體積儲氫密度和重量儲氫率，作為運氫裝置有較大潛力。

目前，我國氫能示范應用主要圍繞工業副產氫和可再生能源制氫產地附近（小于200公里）布局，氫能儲運以高壓氣態方式為主。《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》預計2030年氫能市場發展中期車載儲氫將以氣態、低溫液態為主，多種儲氫技術相互協同。氫的運輸將以高壓、液態氫罐和管道運輸共同完成。

四． 下游加氫及終端應用

1. 加氫基礎設施

加氫基礎設施是氫能利用和發展的中樞環節，是為燃料電池車充裝燃料的專門場所，不同來源的氫氣經氫氣壓縮機增壓后，儲存在高壓儲罐內，再通過氫氣加注機為氫燃料電池車加注氫氣。加氫站作為氫能源戰略中十分關鍵的一環，以其氫燃料的儲備輻射周邊區域，使得車輛能夠及時補充能源，形成良好的循環，才能推動燃料電池的發展。根據中國氫能聯盟的數據，截止至2020年底，我國已建成運營加氫站127座，新增61座，顯著超過《節能與新能源汽車路線》中規劃的100座目標。

加氫站具有三大核心裝備，為氫氣壓縮機、儲氫系統（國內目前均為高壓儲氫系統）和氫氣加注機。

2. 燃料電池

2.1 燃料電池技術

燃料電池是氫能高效利用的重要途徑。氫燃料電池原理就是氫與氧結合生成水的同時將化學能轉化為電能和熱能，該過程不受卡諾循環效應的限制，理論效率可達90%以上，具有很高的經濟性。燃料電池的陽極和陰極中間有一層堅韌的隔膜以隔絕氫氣和氧氣，有效規避了氫氣和氧氣直接接觸發生燃燒和爆炸的危險。氫氣進入燃料電池的陽極，在催化劑的作用下分解成氫離子和電子。隨后，氫離子穿過隔膜到達陰極，在催化劑的作用下與氧氣結合生成水，電子則通過外部電路向陰極移動形成電流。

目前，燃料電池技術主要有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和質子交換膜燃料電池。從商業應用上來看，熔融碳酸鹽燃料電池、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池是最主要的三種技術路線。其中，質子交換膜燃料電池由于其工作溫度低、啟動快、比功率高等優點，非常適合應用于交通和固定式電源領域，逐步成為現階段國內外主流應用技術。固體氧化物燃料電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態、模塊化組裝、零污染等優點，常用在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯供領域作為固定電站。中國則主要集中在質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池領域開展研發和產業化。

自“十五”新能源汽車重大科技專項啟動以來，在國家一系列重大項目的支持下，燃料電池技術取得了一定的進展，初步掌握了燃料電池電堆與關鍵材料、動力系統與核心部件、整車集成等核心技術；部分關鍵技術實驗室水平已接近國際先進水平，但工程化、產業化水平滯后，總體技術水平落后于日本、韓國等國家。具體而言，質子交換膜燃料電池隨著終端應用的逐步推廣，膜電極、雙極板、質子交換膜等已具有國產化的能力，但生產規模較小；電堆產業發展較好，但輔助系統關鍵零部件產業發展較為落后；系統及整車產業發展較好，配套廠家較多且生產規模較大，但大多采用國外進口零部件，對外依賴度高。

國內外質子交換膜燃料電池系統技術指標對比

2.2 燃料電池應用

隨著燃料電池技術的不斷成熟，相關產品已逐步進入商業化應用階段，在交通領域逐步應用于汽車、船舶、軌道交通等，可降低能源對外依存度以及化石能源污染物和碳的排放。燃料電池商用車率先商業應用，未來鋰電與燃料電池將成為互補關系，歐陽明高院士曾提出“鋰離子電池更適合替代汽油機，氫燃料電池系統更適合替代柴油機”。氫燃料電池目前成本還達不到民用可接受的水平，相比于純電動車和汽油車，氫燃料電池車在購置成本和使用成本上不占優勢，未來隨著應用量提升，整車成本及氫氣成本均有望顯著下降，國內技術還有很大的提升空間。

五． 未來發展趨勢

碳達峰、碳中和戰略下脫碳成為全球氫能發展的第一驅動力，低碳清潔氫成為實現碳中和路徑的重要抓手。

各國制氫技術路線重點圍繞可再生能源電解水制氫技術、化石能源制氫+CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術進行項目示范和產業布局。此外，針對燃料電池汽車終端應用場景，開展氫氣純化與氫氣品質研究工作，確保氫氣高品質供應。我國在CCUS技術集成、海底封存和工業應用與國際先進水平差距較大，且CCUS大規模示范項目數量和整體規模均遠低于發達國家。

氫氣純化技術方面，美國與日本立足本國能源結構和技術優勢，分別聚焦小型天然氣重整制氫場景與氨分解重整制氫、有機液體解析氫氣場景，開展燃料電池車用氫氣純化技術研究，包括高效小型變壓吸附技術、有機膜分離、無機膜分離和全屬鈀膜分離技術。我國的氫氣來源廣泛，尤其是副產氣雜質種類多且含量分布寬，單一純化技術路線難以滿足實際需求。尤其在燃料電池車用氫氣純化領域，我國起步較晚，缺乏系統性研究。

氫儲存技術方面，目前我國對儲氫材料的研究比較活躍，研究內容涉及到了高壓儲氫、碳納米管儲氫、新型合金儲氫、有機化合物儲氫、碳凝膠儲氫、玻璃微球儲氫、氫漿儲氫、層狀化合物儲氫等當前國際氫儲存技術研發的主要方面，并在金屬氫化物儲氫、碳納米管儲氫、復雜化合物儲氫等方面具有優勢。

加強氫燃料電池技術和氫燃料電池汽車以及相關基礎設施的研發。發展氫經濟的一個重要方面是發展氫能交通運輸體系和氫能基礎設施建設。在氫燃料電池方面，我國可重點發展：大功率質子交換膜燃料電池技術、中低溫固體氧化物燃料電池技術、基于燃料電池的系統集成技術、質子交換膜技術、電催化劑技術、先進的膜電極組件技術、無鉑催化劑技術等。

部分參考資料：

1. 《中國氫能源及燃料電池產業白皮書2019》；

2. 鮑金成等，氫能技術發展趨勢綜述，汽車文摘，2019；

3. 國家重點研發計劃《“氫能技術”重點專項2021年度項目申報指南》；

4. 國家重點研發計劃《“新能源汽車”重點專項2021年度項目申報指南》；

5. 開源證券《我國氫能加速發展，燃料電池氣體系統直接受益》，2021；

6. 《中國氫能源及燃料電池產業白皮書2020》；

7. 《中國氫能及燃料電池產業手冊》，中國氫能聯盟；

8. 《碳基能源化學》，廈門大學出版社，2021；

9. 《氫能技術調研報告》；

10. 《國內制氫技術現狀調研》。