“雙碳”背景下制氫技術前景展望

李冰峰，李婉，張曉勤，賈榮，周再舉

（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川成都 610041）

1 氫能產業發展現狀

氫氣因其無碳無毒、單位質量能量密度高及來源豐富等優點，被視為最具發展前景的二次清潔能源。作為“電能替代”的一種，氫能在交通運輸、工業生產、儲能調配以及建筑等領域有著廣泛的應用前景，是未來能源轉型的重要支柱產業。積極開發利用以氫能為代表的新型清潔能源，對推動我國“雙碳”目標的實現，深入推進能源生產和消費革命，加快能源產業結構的轉型和優化具有深刻的意義。

部分歐美發達國家很早就已經意識到了氫能這一綠色清潔能源在未來能源體系的重要性，并將其作為能源轉型的重要戰略選擇。進入21世紀，我國也在積極布局氫能發展戰略，逐步完善氫能相關的政策體系。在國家和各地政策的扶持與引導下，國內氫能產業駛入高質量發展的“快車道”，雖然起步較晚，但發展勢頭卻十分強勁?，F階段我國正積極開展氫能全產業鏈布局，加快推動氫能全產業鏈融合發展，有望在不久的將來與西方發達國家完成技術接軌甚至反超。

但是，當下我國氫能產業仍然面臨著核心技術亟待突破、自主知識產權數量偏少、基礎設施不完善等等諸多問題[1]。

2 制氫技術簡介及研究進展

當下主流制氫技術分為兩類，一類是熱化學制氫，主要包括煤制氫、天然氣制氫及工業副產氫；一類是可再生能源制氫，主要包括電解水制氫及光解水制氫。根據制取方式及碳排放量的不同，將氫能分為灰氫、藍氫和綠氫三種類型。煤制氫與天然氣制氫碳排放量高，屬于典型的灰氫；在灰氫基礎上耦合碳捕捉和碳封存技術，大大降低碳排放量，這種氫氣就是藍氫，除此之外，工業副產氫也屬于典型的藍氫；利用可再生資源生產的氫氣在生產過程中能夠實現碳凈零排放，這種氫氣被稱為綠氫。

2.1 煤制氫

煤制氫工藝主要包括焦化制氫以及煤氣化制氫。煤炭焦化以制取焦炭為主，含氫的焦爐煤氣屬于工業副產氫的范疇[2]，氣化制氫則是煤制氫的主要技術路線。

煤氣化制氫涉及的工藝流程相當復雜，通常包括高溫氣化生成合成氣（H2+CO）、CO 與水蒸氣變換生成H2和CO2、脫除酸性氣體（CO2+SO2）、氫氣提純等關鍵工藝環節，進而得到產品氫氣。典型煤氣化制氫反應如下：

鑒于我國以煤炭為主要化石能源的能源供應結構，煤氣化制氫的最大優勢在于原料成本低廉，加之相關的技術路線成熟、裝置規模大，因此，現階段乃至未來十年都將是我國大規模制氫的主流技術[3]。另一方面，煤氣化技術也存在工藝流程復雜、配套裝置多、設備投資成本大、氣體分離成本高、產氫效率偏低等缺點。同時，煤制氫還是高二氧化碳和高污水排放行業，對環境有顯著的負面影響[4]。

2.2 天然氣制氫

天然氣制氫技術主要包括蒸汽重整工藝、部分氧化工藝、自熱重整工藝以及近幾年來興起的催化裂解工藝。其中，天然氣蒸汽重整工藝自工業化應用至今仍是應用最廣泛、最成熟的天然氣制氫技術[5]。蒸汽重整工藝的主要反應方程式如下：

脫硫預處理后的天然氣與水蒸氣高溫重整轉化為主要成分為氫氣（H2）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的合成氣，合成氣與水蒸氣經過進一步反應將其中的一氧化碳(CO)轉化為氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)，最后利用變壓吸附(PSA)過程，得到高純度氫氣。

相較于煤制氫技術，天然氣制氫反應過程產生的環境污染較少，碳排放強度（生產1 kg 氫氣排放約10 kg 二氧化碳）也大幅降低，因此北美、中東等擁有豐富石油天然氣資源的地區普遍采用天然氣制氫技術。針對我國石油、天然氣等資源供應緊張的現狀，實際生產中在天然氣資源豐富的地區建設有大型天然氣制氫工程。

2.3 工業副產氫

工業副產氫指的是現有工業，例如氯堿化工、煉廠重整、焦爐煤氣及丙烷脫氫等，在生產目標產品的過程中生成的副產物氫氣，通過簡單的分離提純，即可得到產品氫氣。在所有的工業副產氫中，只有煉廠催化重整副產氫用于后續化工工藝中，其他的工業副產氫在之前很長的一段時間內基本上都沒有得到有效利用：氯堿行業副產氫氣大量空放，焦化行業副產焦爐氣大多“點燈”，資源浪費現象相當嚴重。對這部分工業副產氫進行提純利用，既能提高資源利用率和經濟效益，又能降低污染、改善環境。

2.4 電解水制氫

2.4.1 電解水制氫技術類型及基本原理

根據電解水制氫系統工作環境和電解槽所用的隔膜類型不同，電解水制氫技術主要分為堿性(AEL)水電解、質子交換膜(PEM)水電解，固體聚合物陰離子交換膜(AEM)水電解、固體氧化物(SOEC)水電解四種。不同類型的電解水制氫技術的原理如圖1所示。

圖1 不同電解水制氫技術示意圖

AEL 技術（圖1a）以質量分數為30%的KOH 溶液作為電解質溶液，在外加直流電的作用下，水分子在陰極發生析氫反應生成H2和OH-，OH-穿過隔膜進入陽極區，在陽極發生析氧反應生成O2，具體反應方程式如下：

與AEL 不同，PEM 技術（圖1b）則是在直流電源和催化劑的共同作用下，水分子在陽極發生析氧反應生成O2和H+，H+穿過質子交換膜與陰極的電子結合產生H2。具體反應方程式如下：

SOEC 技術（圖1c）是將混有少量氫氣的水蒸氣通入陰極（混氫的目的是保證陰極的還原氣氛，防止陰極材料Ni 被氧化），在陰極發生電解反應分解生成H2和O2-，O2-通過電解質層到達陽極，在陽極發生氧化反應生成O2。反應過程如下：

AEM 技術（圖1d）基本原理以及陰、陽極反應與AEL 技術相似，不同的是前者電解質溶液只需弱堿性水或純水。在結構方面，AEM 電解槽與PEM 電解槽相似，由陰離子交換膜將雙極板分隔于膜兩側，緊湊布置。而且AEM 電解槽可以使用鎳基等非貴金屬催化劑，因此有效降低了材料成本。相對于AEL電解槽和PEM 電解槽，AEM 電解槽結合了AEL 的經濟性、PEM 的高電流密度和高響應能力等技術優點。不同電解水制氫技術示意見下圖1。

2.4.2 電解水制氫技術比較及應用現狀

在以上四種電解水制氫技術中，AEL 作為最早實現產業化的電解水制氫技術，已有超過70 a 的運行數據和應用經驗，其技術儲備最為豐富。從最初的航空航天工業，到后來的燃煤電廠發電機冷卻用氫，再到如今的大規?？稍偕茉瘩詈现茪?，基本采用了AEL 技術。AEL 技術主要應用優勢在于：①工藝路線成熟；②制造成本低，關鍵零部件已基本實現國產化，在國際上具備較強的競爭力，同等單機規模的AEL 電解槽生產成本只有PEM 電解槽的25%左右。但該技術存在電解效率低、冷啟動速度慢、不適合頻繁啟停等缺點，導致其難以與具有快速波動特性的新能源電力系統直接耦合。此外，生成的氫氣里面還夾雜著堿液和水汽，需要額外的輔助設備除去雜質。為降低制氫成本、降低電解能耗、解決電解效率低等問題，當下主要的解決方法包括：①研制高性能隔膜，提高隔膜電導率；②開發高性能電極涂層，降低過電勢；③改進電解槽結構，如流道設計；④增加電解小室數量。針對冷啟動慢，難以與光伏風電直接耦合的難題，大規?！熬G氫”項目通常增設電化學儲能單元，來維持供電的穩定性。

與AEL 電解槽相比，PEM 電解槽設備結構更加緊湊，電解效率更高；工作模式更為靈活，“綠電”適應性更好；產氫純度更高，僅需脫除少量水汽；同時耐差壓強度更大，壓力調控范圍更廣?；谝陨蟽烖c，近年來PEM 技術迅速興起，并大規模商業化推廣應用。

PEM 制氫設備在技術指標上優于AEL 制氫設備，但考慮到 PEM 電解水設備高昂的單位造價和暫未被攻克的技術問題，國內大規?！熬G電”制氫在中短期仍是以AEL 技術為主。中長期來看，離網制氫將逐步成為主流，而PEM 技術較AEL 技術更加適合在不穩定電源供電情況下制氫，更適配離網制氫模式。未來在制氫設備的選擇上，PEM 技術與AEL 技術混合制氫有望成為多數選擇，這樣的優化組合將發揮堿性電解水制氫的經濟優勢和PEM 電解水制氫的快速響應能力。

目前，AEM 電解水制氫正逐步從小規模研究應用到商業化示范過渡階段，但是從成本、能效及壽命方面來看，距離大規模商業化應用還有很長的路要走。陰離子交換膜是制約AEM 制氫技術發展的關鍵因素，因其制備方法復雜、電化學性能及化學穩定性較差，嚴重影響了AEM 電解槽的使用壽命。當前國內陰離子交換膜制備技術尚未實現突破性進展，嚴重依賴國外進口，提高了制備成本。

2.5 光解水制氫

光解水制氫具備裝置簡單、反應條件溫和等優點，但相關研究還停留在實驗室研究層面。目前熱門的光解水制氫體系是粉末光催化體系，也就是將催化劑粉末直接分散在水溶液中，通過光照射水溶液產生氫氣。

3 展望

在“十四五”期間，化石燃料制氫仍是大規模制氫的主要方式，因此，提高化石燃料的制氫效率，減少化石燃料制氫過程中產生的污染是我們必須持續關注的問題?？稍偕茉措娊馑茪浼夹g能實現氫能的清潔制造，盡管在氫能發展初期受制于轉化效率低和成本高等問題，但是從長遠看，該技術將在我國制氫產業技術路徑中發揮主導作用。

在未來，氫能將逐漸成為支撐我國經濟發展的重要戰略能源。不論是電解水制氫、光解水制氫、工業副產氫或是化石燃料制氫，依靠單一路徑制備的氫源遠遠滿足不了未來社會發展的需求。最終將形成以可再生能源電解制氫技術為主，光解水制氫、工業副產氫、化石能源制氫為輔的多元化發展的供氫模式，構建綠色低碳的制氫技術路徑。