中國(guó)綠氫的制取與應(yīng)用前景展望

喬?hào)|偉　陶志杰　郭向軍　段帥帥　王彥峰

關(guān)鍵詞：氫能;能源;電解水;綠氫

氫作為重要的工業(yè)原料和能源載體，被廣泛應(yīng)用于交通、冶金、石油、化工、化肥、電子、食品、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，對(duì)社會(huì)的發(fā)展起重要作用[1-2]?；茉吹拈_發(fā)和使用面臨嚴(yán)峻的環(huán)境與資源短缺問題[3]。世界能源發(fā)展機(jī)構(gòu)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，截至2020年第二季度，世界能源消費(fèi)仍以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主。其中，石油占比31.2%、煤炭占比27.2%、天然氣占比24.7%，化石能源占世界能源消費(fèi)總量的83.1%。按照當(dāng)前人們開采和使用一次能源的速度計(jì)算，儲(chǔ)備的石油在30年內(nèi)會(huì)被采盡，煤炭可開采的年限不足200年，天然氣也會(huì)在200年內(nèi)耗盡[4]。按照來源可以將氫分為3類：灰氫、藍(lán)氫和綠氫?；覛涫侵?6.0%的氫氣源于化石燃料，藍(lán)氫是灰氫的技術(shù)升級(jí)產(chǎn)品[5]，綠氫來自水電解[6]。下面將對(duì)綠氫的制備以及應(yīng)用潛力做深入分析與討論。

作為能量載體，氫可以與電發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，使人類對(duì)能源的利用更加靈活。目前的電解水技術(shù)將電能轉(zhuǎn)換為氫能的成本較高[7]，對(duì)電能的大量消耗嚴(yán)重阻礙了電解水制氫的發(fā)展，這就要求人們尋找一種更好的電能來源，以降低氫氣的生產(chǎn)成本。2020年，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電的棄電量達(dá)到166.1億kWh，占據(jù)風(fēng)力發(fā)電總量的3.5%;光伏發(fā)電的利用率為98.0%，棄電量達(dá)到52.6億kWh。若將所棄電量用于電解水，將極大地降低電解成本。

1氫氣制取技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

氫氣的來源極其廣泛（見圖1）且低碳環(huán)保，符合習(xí)近平主席提出的“碳達(dá)峰與碳中和”雙碳減排的能源與環(huán)境戰(zhàn)略目標(biāo)。目前，世界上制取氫氣主要有3種路線并向可再生能源制氫的技術(shù)路線過渡：（1）以煤炭、石油、天然氣為氫源的化石能源技術(shù)路線;（2）將焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫等工業(yè)廢氣回收的制氫方法;（3）以水為氫源的電解水制氫方法。

1.1化石燃料制氫

煤炭經(jīng)液化處理后會(huì)形成大量富氫液體，通過水蒸氣轉(zhuǎn)化處理實(shí)現(xiàn)氫資源的生產(chǎn)與利用[8]，原理為控制液化富氫液體的溫度，對(duì)液體中的不同組分進(jìn)行蒸餾分離出氫[9]。天然氣制取氫氣的技術(shù)路線與煤炭液化和再生技術(shù)路線類似。石油制氫的方法主要包括催化裂化、熱裂化、焦化、加氫裂化及催化重整與純化等過程[10]。

1.2工業(yè)氣體回收制氫

利用廢氣回收技術(shù)，將工業(yè)廢氣中的有害氣體回收再利用，不僅解決了工業(yè)廢氣破壞自然環(huán)境的問題，還能緩解自然資源不足的問題。焦?fàn)t煤氣制氫采用變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）技術(shù)提取氫氣，原理是利用固體吸附材料對(duì)不同氣體的親和力，通過吸附和提純制取產(chǎn)品氫。整個(gè)PSA工藝流程分為4步[11]：（1）除去氣源中的雜質(zhì)氣體，增大反應(yīng)系統(tǒng)壓力，提高純凈碳?xì)浠衔锏暮?（2）通過去壓脫附將固體材料中的氫氣解析出來;（3）利用催化劑材料將解析出的氫氣脫硫;（4）對(duì)脫硫后的氫氣再次進(jìn)行純化并交付。

1.3水電解制氫

現(xiàn)階段，主要有堿性電解水、固體氧化物電解水和質(zhì)子交換膜電解水3種能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的技術(shù)路線。技術(shù)最成熟、占比最大的是堿性電解水，堿性電解水采用以非貴金屬為主的極板和催化劑在90℃以下工作，使用成本較低[3]。堿性電解槽的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由多孔結(jié)構(gòu)的陰極和陽(yáng)極板及中間隔膜組成。電解液對(duì)電解過程中的能耗及氣體品質(zhì)也有較大的影響，KOH因?qū)щ娦阅芰己帽桓嗟貞?yīng)用在堿式電解槽中。在外部施加的電壓下，水分子中的氫氧鍵被打開，生成H⁺和OH^-，H⁺在陰極板處得到電子生成氫氣，而OH^-在陽(yáng)極板處失去電子生成氧氣。目前，堿性電解水主要使用陰離子交換膜作為隔膜為OH^-的移動(dòng)提供通道，以增大電流密度、降低電解時(shí)的過電位。堿性電解水技術(shù)在氫氣制取成本方面有一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有目前難以克服的劣勢(shì)，例如在較低負(fù)載下產(chǎn)氧率低，易造成氫氧混合而增大氣體的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，電解液阻力過大造成工作電流密度小以及電解液會(huì)造成氫氧兩側(cè)的壓力差增加導(dǎo)致氣體互相擴(kuò)散等問題。高溫固體氧化物電解電池（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC）電解水制氫技術(shù)[12]，陰極材料多采用Ni/YSZ多孔的金屬材料、陶瓷材料[13]，陽(yáng)極則以鈣鈦礦氧化物為主，電解質(zhì)采用YSZ陽(yáng)離子導(dǎo)體。將混有少量氫氣的水蒸氣從陰極導(dǎo)入，水分子在陰極發(fā)生電離生成H₂和O^2-，O^2-通過固體電解質(zhì)層到達(dá)陽(yáng)極失去電子生成O₂。SOEC有較好的電解性能，但制造成本較高，在使用過程中電極性能退化嚴(yán)重等問題也是目前制約其發(fā)展的主要因素。最能實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的電解水技術(shù)是純水質(zhì)子交換膜（ProtonExchange Membrane，PEM）技術(shù)。以高分子聚合物作為電解質(zhì)的PEM水電解技術(shù)的工作電流密度在1～3A/cm²[14]，電解效率高，相同功率下的體積更小，而且制得的氫氣純度可達(dá)到99.999%，被認(rèn)為是最有前景的水電解技術(shù)。PEM水電解槽由PEM電極、雙極板等部件組成[15]。其中，膜電極由PEM和粘合在PEM上的陰陽(yáng)極催化劑組成，是水電解反應(yīng)的場(chǎng)所。雙極板將多片膜電極串聯(lián)在一起，同時(shí)將膜電極隔開，在雙極板兩側(cè)分別設(shè)置陽(yáng)極和陰極流道運(yùn)送物質(zhì)，收集并輸出產(chǎn)物H₂、O₂以及H₂O，在電解水過程中起傳導(dǎo)電子的作用。

2氫能的主要應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀

中國(guó)2019年氫氣消費(fèi)領(lǐng)域分布如圖2所示。

氫燃料電池是以氫作為儲(chǔ)能介體的電池，在電池放電過程中，排放物是無污染的水，這一技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于交通和航天領(lǐng)域。其中，交通領(lǐng)域不僅消耗了大量不可再生能源，也排放了大量有毒、有害的物質(zhì)和溫室氣體，對(duì)環(huán)境安全造成了極大的威脅。以氫燃料電池取代目前使用的燃油汽車，不僅緩解了能源危機(jī)，也從根本上解決了燃油在使用過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)問題。9A95A079-D53B-4EB5-B0A8-A15253804D1C

2020年，世界鋼鐵產(chǎn)能第一的中國(guó)鋼產(chǎn)量占全世界的56.3%，達(dá)到10.53億t。鋼鐵工業(yè)能源消耗占全國(guó)能源消耗的11.0%，在冶煉及加工過程中的碳排放量超過世界鋼鐵工業(yè)碳排放量的50.0%，占全國(guó)碳排放總量的15.0%左右。

鋼鐵行業(yè)不僅是主要的能耗行業(yè)，也是溫室氣體排放的主要行業(yè)。氫冶金是解決這一問題的最佳方案，利用氫氣的強(qiáng)還原性對(duì)金屬氧化物進(jìn)行還原，替代傳統(tǒng)的煤、焦炭、天然氣等化石還原劑[16]。傳統(tǒng)的鋼鐵碳冶金基本原理反應(yīng)式為Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂，氫冶金的基本原理反應(yīng)式為Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O，從根本上解決了碳排放問題。氫冶金在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家獲得了較好的發(fā)展，如由盧森堡Arbed、法國(guó)Usinor和西班牙的Aceralia組成的ArcelorMittal建成的產(chǎn)能10萬t/a的氫冶煉爐，瑞典鋼鐵公司建成的產(chǎn)能為50萬t/a的氫冶煉爐有力地推動(dòng)了本國(guó)的節(jié)能減排。國(guó)內(nèi)的氫冶煉技術(shù)目前尚處于研究開發(fā)階段，由鋼鐵產(chǎn)能排名世界第一的寶武集團(tuán)牽頭與中核、清華大學(xué)簽訂的《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》是國(guó)內(nèi)探究氫冶金的開拓者，建成湛江鋼鐵基地，產(chǎn)能達(dá)到百萬噸級(jí)，具備全氫工藝的氫基豎爐在實(shí)驗(yàn)及量產(chǎn)上取得了突破性進(jìn)展，目前正在加速研發(fā)和推廣中[17-20]。

3結(jié)論與展望

隨著“碳達(dá)峰與碳中和”的深層次實(shí)施與推進(jìn)，氫能將在交通、冶金、化工與航天等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。2020年，中國(guó)的氫氣產(chǎn)量達(dá)到2500萬t，較2019年增長(zhǎng)13.6%，氫氣產(chǎn)量增速逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)?；覛浜退{(lán)氫仍是我國(guó)目前的主要?dú)湓?，綠氫占比僅為1.0%左右。我國(guó)的綠氫還有巨大的發(fā)展空間，氫能的推廣與普及避不開相關(guān)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在制氫方面應(yīng)積極開發(fā)低成本的核心設(shè)備，降低制氫企業(yè)的購(gòu)買與使用成本，使綠色氫源得到有效保障。在儲(chǔ)氫材料方面，短期內(nèi)可以采用關(guān)鍵技術(shù)引進(jìn)與合作的形式，在長(zhǎng)期發(fā)展中攻破當(dāng)前的卡脖子難題，掌握核心技術(shù)。加速加氫站的建設(shè)與全國(guó)布局，為氫能的推廣做好基礎(chǔ)建設(shè)，并發(fā)展高壓加氫站，使氫能的利用更加便捷高效。在技術(shù)不斷發(fā)展與國(guó)家政策的推動(dòng)下，應(yīng)聚焦綠氫的發(fā)展與利用，將其作為國(guó)家能源與環(huán)保戰(zhàn)略的發(fā)展導(dǎo)向。9A95A079-D53B-4EB5-B0A8-A15253804D1C