氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望*

趙玉晴，蔣文明，劉 楊

(中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580)

0 前言

氫能來源多樣、應(yīng)用廣泛，清潔環(huán)保，被譽(yù)為“21世紀(jì)終極能源”。在碳中和、碳達(dá)峰的背景下，大力發(fā)展氫能是應(yīng)對溫室效應(yīng)等氣候問題、實(shí)現(xiàn)全球“雙碳”目標(biāo)的可持續(xù)途徑之一[1]。為了改善生態(tài)環(huán)境，人類逐漸將化石燃料轉(zhuǎn)向更加清潔的能源，如氫能和電能[2]。國際能源署數(shù)據(jù)預(yù)測顯示，預(yù)計(jì)到2040年世界能源需求量增長將達(dá)到30%，天然氣的需求量將在2030年前不斷增長，低碳需求不斷升高[3]。

隨著全球能源革命低碳化轉(zhuǎn)型，世界各國紛紛將氫能放在重點(diǎn)位置，中國、美國、日本、英國、南非地區(qū)等將氫能產(chǎn)業(yè)上升到國家戰(zhàn)略高度，發(fā)布了多條相關(guān)國家政策，不斷提高對氫能的扶持力度[4]。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括氫氣制備、氫氣儲(chǔ)運(yùn)及氫氣利用等多方面[5]，具體見圖1。整體上我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈雖然有較快發(fā)展，但仍存在著一些關(guān)鍵技術(shù)問題，高性能材料依賴進(jìn)口，氫能下游如加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施不足等問題對我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了較大的阻礙。

圖1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局

本文調(diào)研了目前全球各國的氫能行業(yè)政策發(fā)布動(dòng)態(tài)，分析了氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)原理、優(yōu)缺點(diǎn)，并且提出了現(xiàn)階段具有發(fā)展前景的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)方案，并給出了未來研究展望，以期推動(dòng)氫能行業(yè)的技術(shù)突破，促進(jìn)我國能源革命的綠色發(fā)展。

1 國際氫能行業(yè)政策

1.1 國外氫能政策現(xiàn)狀

當(dāng)前，世界正面臨迫切的能源低碳化轉(zhuǎn)型需求，全球各國對氫能行業(yè)的政策發(fā)布正在快速推進(jìn)，紛紛出臺(tái)了氫能領(lǐng)域的支持補(bǔ)貼、戰(zhàn)略規(guī)劃及法律法規(guī)等政策文件。近年來全球數(shù)十個(gè)國家及地區(qū)提出了“碳中和”或者“零碳”等氣候目標(biāo)，各國出臺(tái)了相關(guān)的政策，世界能源轉(zhuǎn)型正加速進(jìn)行[6]。國際氫能理事會(huì)出臺(tái)的《氫能觀察2021》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，截至2021年2月份，全球已經(jīng)有30余個(gè)國家出臺(tái)了氫能行業(yè)的規(guī)劃路線圖[7]。

本文選取美洲的美國，亞洲的日本，大洋洲的澳大利亞，非洲的南非地區(qū)，歐洲的英國、挪威等國家和地區(qū)作為世界典型國家代表進(jìn)行了各國家政策分析，具體見表1。

表1 世界多國氫能政策

1.2 中國氫能政策現(xiàn)狀

近年來氫能產(chǎn)業(yè)在中國獲得了前所未有的關(guān)注，中央及地方氫能行業(yè)政策密集出臺(tái)。氫能產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了2006年開始的早期推廣階段，到2019年首次在政府報(bào)告中被提及，再到“十四五”規(guī)劃中氫能首次出現(xiàn)在國家五年規(guī)劃中，氫能產(chǎn)業(yè)近年來的政策發(fā)展實(shí)現(xiàn)了前所未有的快速變化。

本文從支持類、規(guī)范類、推廣補(bǔ)貼類、消納類等方面對近些年中國出臺(tái)的氫能行業(yè)政策進(jìn)行了整理，如表2所示。

表2 中國氫能發(fā)展政策動(dòng)態(tài)

1.3 各國政府氫能研發(fā)投資

綜合上述世界多國的氫能政策可以看出，中國、英國、挪威及日本等多個(gè)國家表示要加大對氫能的投資力度。國際能源署2019[8]統(tǒng)計(jì)了世界多國政府對氫能領(lǐng)域的投入研發(fā)費(fèi)用，圖2[8]分析了自2005到2018年美國、歐洲、日本、中國及世界其他地區(qū)(RoW)國家的政府投入氫能和燃料電池的研發(fā)費(fèi)用大體占比及趨勢。

由圖2可以看出中國在2015年開始加大對氫能產(chǎn)業(yè)的政府費(fèi)用投入，美國自2012年開始減少了氫能和燃料電池研發(fā)費(fèi)用，日本及歐洲國家對氫能的投入基本保持穩(wěn)定。美國減少氫能投入主要原因是美國境內(nèi)有豐富且廉價(jià)的天然氣，天然氣的廣泛供應(yīng)可確保美國的能源安全；且制氫成本高，氫能體系的搭建成本極其昂貴，氫能在美國能源市場中沒有很強(qiáng)的競爭力。

圖2 政府對氫和燃料電池的研發(fā)預(yù)算[8]

2 氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀

氫能產(chǎn)業(yè)包括上游的氫氣制備、中游的氫氣儲(chǔ)運(yùn)及下游的氫氣應(yīng)用，以下分析了產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向，對產(chǎn)業(yè)鏈中不同技術(shù)開展對比分析。

2.1 氫氣制備

按照制氫方式不同，氫氣制取可分為化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫及可再生制氫等方式。氫的不同顏色代表著制氫過程的清潔程度：灰氫是指傳統(tǒng)化石燃料制備的氫氣，碳排放量巨大；藍(lán)氫是指天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化、自熱重整制備的氫氣，使用無碳處理CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低碳排放生產(chǎn)；綠氫是指使用可再生能源制備的氫氣，生產(chǎn)過程中基本沒有碳排放。從制備方法、技術(shù)成熟度、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對不同制氫方法開展了對比分析，如圖3所示。

圖3 氫氣制備技術(shù)對比

2.1.1 化石燃料制氫

化石燃料制氫主要包括煤制氫、天然氣制氫、石油制氫、甲醇制氫及氨分解制氫等，其技術(shù)成熟，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。當(dāng)前，降低化石燃料制氫中產(chǎn)生的碳排放是全球氫能制備領(lǐng)域所面臨的首要挑戰(zhàn)。

2.1.1.1 煤制氫

鑒于我國“富煤缺油少氣”的化石資源特點(diǎn)，國內(nèi)目前氫氣制備大多以煤炭為原料[9]。煤制氫技術(shù)成熟，生產(chǎn)成本較低，且煤炭資源豐富，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但其具有碳排放量高、能耗高及氣體雜質(zhì)多等缺點(diǎn)[10]。未來10～20年，煤氣化制氫仍是制取氫氣的主要方式之一，將通過碳捕捉封存技術(shù)(CCS/CCUS)來降低碳排放量，減少環(huán)境污染。

煤制氫是以煤中的碳來取代水中的氫，最終生成H2和CO2。煤中的碳起到還原作用，并且為置換反應(yīng)提供熱量。以煤為原料制取氫氣的方法主要有兩種，分別是煤的焦化、煤的氣化[11-12]。煤的焦化是在隔絕空氣條件下制取焦炭，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣，組成中氫氣體積分?jǐn)?shù)為55%～60%。煤的氣化是煤炭伴用O2和H2O為氣化劑，經(jīng)過反應(yīng)得到主要成分為H2和CO的氣態(tài)產(chǎn)品，經(jīng)分離、提純獲得一定純度的產(chǎn)品H2。該技術(shù)的工藝過程一般包括煤氣化、煤氣凈化、CO變換以及氫氣提純等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，見圖4[13]。

圖4 典型煤制氫工藝流程[13]

2.1.1.2 天然氣制氫

傳統(tǒng)化石能源制氫方式中，以天然氣制氫最為合理且經(jīng)濟(jì)[14]。與煤制氫裝置相比，天然氣制氫投資低，產(chǎn)率高，CO2排放量、耗水量小，但系統(tǒng)能耗較大，需要減少反應(yīng)過程能耗損失、改善反應(yīng)條件，以提高整體環(huán)保效應(yīng)。

工業(yè)上天然氣制氫主要有3種方式：蒸汽轉(zhuǎn)化、自熱重整和部分氧化[15]，其中蒸汽轉(zhuǎn)化制氫于1926年被首次提出，并成為天然氣制氫應(yīng)用最廣的方法[16-18]。其原理為：在頂燒蒸汽重整爐中，甲烷等碳?xì)涑煞之a(chǎn)生H2、CO和CO2，經(jīng)熱換、冷凝等過程，雜質(zhì)氣體被吸附塔吸附，獲得一定純度的H2。所得的合成氣可經(jīng)高壓、低溫，把CO轉(zhuǎn)化成CO2和H2，進(jìn)一步提高H2生產(chǎn)率，H2純度可達(dá)到99.9%～99.99%[19-21]。其整體基本工藝流程是由原料氣處理、蒸氣轉(zhuǎn)化、CO變換和氫氣提純4大單元組成[22]，見圖5[13]。

圖5 天然氣制氫工藝流程[13]

2.1.1.3 石油制氫

作為煉油過程中的殘余物，重油可用來制造氫氣。石油制氫具有原料價(jià)格低，成本低的優(yōu)勢。目前國內(nèi)外已建有大型重油部分氧化法制氫裝置[25]。但其存在不環(huán)保、碳排放高的明顯缺點(diǎn)?，F(xiàn)在國內(nèi)外石油制氫最常用的工藝包括烴類部分氧化法、輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化法[23]。

2.1.1.4 甲醇制氫

甲醇制氫能解決氫能在存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)确矫娴膯栴}[26]。甲醇制氫分為甲醇水蒸氣重整制氫、甲醇裂解制氫和甲醇部分氧化重整制氫[27]。其中甲醇水蒸氣重整法技術(shù)成熟，應(yīng)用普遍，具有工藝成本低，工藝流程簡單、操作條件方便靈活且溫和等優(yōu)點(diǎn)，但存在碳排放量大的缺點(diǎn)。

甲醇水蒸氣重整制氫是甲醇與水蒸氣通過催化作用，發(fā)生甲醇的裂解反應(yīng)以及一氧化碳的變換反應(yīng)，生成H2和CO2，經(jīng)過分離得到較高純度的氫氣。

2.1.1.5 氨分解制氫

氨在較低壓力下即可液化壓縮，有利于氫能的儲(chǔ)存和運(yùn)輸[28]。氨分解制氫沒有CO污染，具有環(huán)保性好、成本低、設(shè)備及工藝流程簡單、存儲(chǔ)安全可靠的優(yōu)點(diǎn)[29]，且不會(huì)產(chǎn)生碳氧化物，是制取燃料電池用氫的有效途徑之一[30]。氨分解制氫主要研究方向?yàn)榉磻?yīng)催化劑，催化劑主要有釕系催化劑、鐵系催化劑、鎳系催化劑及各種復(fù)合催化劑。

2.1.2 工業(yè)副產(chǎn)氫

工業(yè)副產(chǎn)氫包括氯堿副產(chǎn)、焦?fàn)t氣副產(chǎn)及氨尾氣副產(chǎn)等，能夠提供大規(guī)模廉價(jià)氫源[32]。其原料分布廣泛，成本低且碳排放量低，是較為經(jīng)濟(jì)的制氫方式，可用作燃料電池氫源以解決成本及氫大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)等問題。但目前技術(shù)受限，氫的純度較低。

2.1.3 可再生制氫

2.1.3.1 電解水制氫

目前全球僅有4%的氫氣供應(yīng)是通過電解水方法獲得[33]。與傳統(tǒng)化石能源制氫技術(shù)相比，電解水制氫技術(shù)不會(huì)生成CO2，無污染，且具有工藝簡單，氫氣純度高等優(yōu)勢。但目前主要面臨的問題是能耗高、效率低[34]。

電解水制氫過程為水通過電流電解在陽極、陰極分別生成O2和H2，H2的生成量約為O2的2倍。根據(jù)電解質(zhì)種類的不同，電解水制氫可以分為堿性電解水制氫(AWE)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)、陰離子交換膜電解水制氫(AEM)以及固體氧化物電解水制氫(SOEC)等[35,36]。堿性電解水技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用[37]。質(zhì)子交換膜技術(shù)顯著減小了電解槽尺寸與重量，電流密度更大，缺點(diǎn)是成本昂貴，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[38]。陰離子交換膜技術(shù)的制氫純度較高，可承載高電流密度，效率高，靈活性強(qiáng)，但目前該技術(shù)仍不成熟。高溫固體氧化物電解水技術(shù)所需的焓變比低溫電解技術(shù)低，效率更高，且有可逆的能力，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的初級(jí)階段[39，40]。

2.1.3.2 生物質(zhì)制氫

生物質(zhì)制氫技術(shù)能有效利用生物質(zhì)這一豐富而經(jīng)濟(jì)的可再生資源，改善燃料的利用結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“零碳排放”。生物質(zhì)氣化制氫具原料獲取方便、溫室氣體釋放少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在理論上有較大制氫能力。但其初產(chǎn)物雜質(zhì)多，提純工藝?yán)щy，不適合大規(guī)模制取。

生物質(zhì)制氫是將薪柴、稻草等生物質(zhì)原料壓制成型，經(jīng)氣化或裂解制得含氫的燃料氣。其主要方法有兩種：熱化學(xué)法制氫和生物法制氫[41]。熱化學(xué)制氫技術(shù)思路來源于熱解制氫。生物法制氫瞬間產(chǎn)氫率較高，但長期運(yùn)行產(chǎn)率和產(chǎn)量需要提高[42]，目前只限于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

2.2 氫氣儲(chǔ)運(yùn)

中游的氫能儲(chǔ)運(yùn)是高效利用氫能、促進(jìn)氫能大規(guī)模化發(fā)展的主要環(huán)節(jié)。儲(chǔ)氫技術(shù)一般要求安全、低成本、取用方便和大容量[43,44]。目前儲(chǔ)氫的方式可以分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫及金屬固態(tài)儲(chǔ)氫等[45]。從技術(shù)路線、成熟度及優(yōu)缺點(diǎn)等方面分析各種儲(chǔ)氫方式，并從儲(chǔ)氫量、成本、能耗、儲(chǔ)氫密度等方面對比分析各種氫能運(yùn)輸工具，見圖6[46]。

圖6 氫氣儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀[46]

2.2.1 氫氣儲(chǔ)存

2.2.1.1 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛，該技術(shù)的儲(chǔ)氫密度受壓力影響較大，而壓力受儲(chǔ)罐材質(zhì)限制[43]，且壓縮過程需消耗大量能量。目前該技術(shù)主要研究方向?yàn)閮?chǔ)罐材料，以解決存儲(chǔ)壓力和壓縮能耗，儲(chǔ)罐重量和價(jià)格的平衡問題[44]，其儲(chǔ)罐有高壓儲(chǔ)氫氣瓶、高壓復(fù)合儲(chǔ)氫罐、玻璃儲(chǔ)氫容器等[47]。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫可大規(guī)模應(yīng)用，具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單及充放氫速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其仍具有體積儲(chǔ)氫密度低及安全性能差等缺點(diǎn)。

2.2.1.2 液態(tài)儲(chǔ)氫

a) 低溫存儲(chǔ)液態(tài)氫。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫將H2冷卻至-253 ℃，儲(chǔ)氫密度可達(dá)70.6 kg/m3，液化儲(chǔ)存于低溫絕熱液氫罐中。相比于氣態(tài)氫，液態(tài)氫密度更高，體積密度為氣態(tài)時(shí)的845倍，其輸送效率高于氣態(tài)氫，可實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)氫。全球最大的低溫液化儲(chǔ)氫罐目前位于美國的肯尼迪航天中心，容積達(dá)112×104L[48]。

b) 有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫。有機(jī)液體儲(chǔ)氫是利用某些不飽和有機(jī)物與H2發(fā)生可逆的加氫脫氫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存。其具有能量密度高、循環(huán)性能好，常溫常壓即可進(jìn)行，安全，污染小及儲(chǔ)存設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。但存在反應(yīng)催化劑活性不穩(wěn)定，反應(yīng)能耗高及成本高等缺點(diǎn)。

液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要由少氫有機(jī)化合物和多氫有機(jī)化合物組成，通過催化加氫反應(yīng)將少氫有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成多氫有機(jī)化合物將氫氣儲(chǔ)存起來，通過逆過程便可實(shí)現(xiàn)氫氣的釋放[49]。常用不飽和液體有機(jī)物在常溫常壓下，即可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫[50]。

2.2.1.3 固態(tài)儲(chǔ)氫

固態(tài)儲(chǔ)氫是以化學(xué)氫化物、金屬氫化物或納米材料等作為載體，通過化學(xué)或物理吸附實(shí)現(xiàn)氫的存儲(chǔ)。其具有單位體積儲(chǔ)氫密度大、能耗低、常溫常壓即可進(jìn)行、安全性好及放氫純度高等優(yōu)勢，其吸放氫的速度較穩(wěn)定，可保證儲(chǔ)氫過程的穩(wěn)定性[51]。但具有儲(chǔ)氫不牢固、技術(shù)不夠成熟、易發(fā)生材料中毒等風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致其儲(chǔ)氫能力下降[52-54]。主要的儲(chǔ)氫合金可分為4類，即稀土鑭鎳、鈦鐵合金、鎂系合金以及由稀有金屬構(gòu)成的釩、鈮、鋯等多元素系合金[55]。

2.2.2 氫的運(yùn)輸

通常根據(jù)儲(chǔ)氫狀態(tài)不同及運(yùn)輸量來選擇不同的氫氣運(yùn)輸方式。目前，氫氣的主要運(yùn)輸方式有高壓氣態(tài)輸送、低溫液氫輸送，有機(jī)液氫運(yùn)輸及固態(tài)氫運(yùn)輸。其中高壓氣態(tài)運(yùn)輸有長管拖車運(yùn)輸、長輸管道運(yùn)輸?shù)确绞?。液態(tài)氫的能量密度高于氣態(tài)氫，氫氣的液化過程中需要消耗大量的能量，每運(yùn)輸1 kg氫氣需要消耗7～10 kWh的能量。且低溫液氫與環(huán)境溫度間存在著較大溫差，該技術(shù)需要較高的材料和絕緣要求。液態(tài)運(yùn)輸氫氣適用400～1 000 km的距離，運(yùn)輸?shù)臏囟刃璞３衷?253 ℃左右。

2.3 氫氣應(yīng)用

氫能的應(yīng)用領(lǐng)域涉及民用領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、電力領(lǐng)域、儲(chǔ)能領(lǐng)域和航天領(lǐng)域。其中，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，氫氣主要應(yīng)用于石油領(lǐng)域煉油及化工行業(yè)的重要原料。精煉石油和天然氣等化石燃料如煤的氣化、烴的增氫、重油的精煉等。在化工行業(yè)中，合成氨和制備甲醇需要?dú)渥髟?。在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中，液氫是航空航天飛機(jī)中最安全有效的能源。目前，研究人員開發(fā)出的“固態(tài)氫”新材料比液氫的能量密度更高，可作為宇宙飛船或航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。

2.4 制約因素

氫能產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)的制約因素如下。

a) 氫氣制備環(huán)節(jié)：碳排放量較大，制氫技術(shù)薄弱。目前化石燃料制氫為氫氣的主要制備方式，但其生產(chǎn)過程會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，無法達(dá)到低碳的要求。電解水制氫等可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展尚未成熟，且前期設(shè)備投入及研發(fā)成本較高。

b) 氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)：儲(chǔ)運(yùn)成本高昂，能量消耗大。目前國內(nèi)普遍采用氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫和長管拖車的運(yùn)輸方式，約占?xì)錃饨K端消費(fèi)價(jià)格的一半。液態(tài)和固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)仍不成熟，且前期投資較大，制造成本高昂。液態(tài)氫的儲(chǔ)運(yùn)過程伴隨液化過程，需消耗大量能量。

c) 氫氣應(yīng)用環(huán)節(jié)：應(yīng)用市場較為單一。我國氫能應(yīng)用主要集中在化工、鋼鐵等領(lǐng)域，具體分布在石化、化工等行業(yè)。氫燃料電池汽車等市場規(guī)模很小，對氫氣需求量較低。

3 氫能未來發(fā)展方向

3.1 太陽能光伏電解水制氫

將光伏發(fā)電與電解水制氫耦合，建立太陽能-電能-氫能供給系統(tǒng)，既能解決光伏發(fā)電的間歇性問題，又能發(fā)揮氫能在脫碳方面的清潔優(yōu)勢[56，60]，其設(shè)想系統(tǒng)見圖7。目前太陽能光伏電解水制氫技術(shù)被世界各國廣泛研究[57-68]。美國、意大利、德國等發(fā)達(dá)國家建立了可獨(dú)立運(yùn)行的光伏電解水制氫能源系統(tǒng)示范工程[69]。而該技術(shù)在我國仍處于發(fā)展的起步階段。

圖7 太陽能光伏電解水制氫系統(tǒng)[70]

太陽能光伏制氫的方法主要有：太陽能發(fā)電與電解水制氫、太陽能熱化學(xué)分解水及生物質(zhì)制氫、太陽能光電化學(xué)或光催化分解水制氫與光生物制氫等[71]。目前電解水制氫系統(tǒng)的電-氫轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到60%～73%[72]。該技術(shù)的主要研究焦點(diǎn)為[73,74]：發(fā)展低成本、導(dǎo)電性好、光電轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異的光伏材料；提高電解水的電解效率，研發(fā)催化劑、隔膜、電極材料等關(guān)鍵技術(shù)；優(yōu)化光伏發(fā)電耦合電解水制氫的連接方式。

3.2 低溫LNG液化氫氣

氫氣液化(LH2)的生產(chǎn)過程在綠色能源供應(yīng)鏈中起著至關(guān)重要的作用，就其適用性和高能量密度而言是一種較為有效的儲(chǔ)運(yùn)方式[75]，LNG供應(yīng)過程見圖8[76]。1 MPa的液態(tài)氫所包含的能量約是每單位體積壓縮氫氣350 MPa時(shí)的3倍、250 MPa時(shí)的4倍[77]。

圖8 低溫LNG供應(yīng)流程[76]

現(xiàn)階段，由于使用普及率低、氫氣液化成本過高及安全問題，氫氣低溫液化技術(shù)在國內(nèi)十分落后，目前主要集中在航天事業(yè)，在民營企業(yè)中涉及較少。但隨著氫能行業(yè)“井噴式”爆發(fā)，氫能液化技術(shù)必將實(shí)現(xiàn)突破。相比于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，氫氣液化可以提高其質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度，從而降低氫氣的儲(chǔ)運(yùn)成本[78]。由于氫的比熱變化和高聲速等特點(diǎn)，目前的氫液化系統(tǒng)效率及膨脹機(jī)效率等都偏低，傳統(tǒng)的Claude系統(tǒng)和Linda-Hampson系統(tǒng)效率僅為20%～30%[79]。目前，氫氣液化器建設(shè)的障礙是比液化成本高和火用效率低[80]。未來的氫氣市場需要大型氫氣液化工廠，并顯著提高火用效率。

3.3 超音速氫氣提純技術(shù)

超音速分離技術(shù)[81-85]是近幾年逐漸興起的一種氣體提純分離處理技術(shù)，目前主要應(yīng)用于天然氣處理工藝的冷凝液化。超音速分離器主要由超音速噴管(Laval噴管)、旋流器、集液槽、排液口、和擴(kuò)壓器組成。基本結(jié)構(gòu)如圖9[83]所示。

圖9 超音速分離器結(jié)構(gòu)[83]

超音速分離技術(shù)的基本原理為基于含氫原料氣中各氣體組分的臨界壓力與臨界溫度不同，且H2的臨界溫度低于其他雜質(zhì)氣體的臨界溫度。因此，當(dāng)原料氣通入超音速分離器時(shí)，溫度降至200 K以下，此時(shí)CO2、H2S等酸性氣體雜質(zhì)被凝結(jié)液化。而后通過旋流裝置通過離心作用將凝結(jié)雜質(zhì)由分液裝置排出分離器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)氫氣的純化與分離。目前超音速分離技術(shù)常用于天然氣提純工藝中，但隨著氫能的不斷發(fā)展與突破，該技術(shù)將逐漸應(yīng)用于氫氣的提純中。與常規(guī)的氫氣純化技術(shù)相比，超音速分離技術(shù)具有設(shè)備易加工、投資低、能耗低、無需添加化學(xué)藥劑、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但該技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)氫氣中部分雜質(zhì)的分離，且壓力損耗較高。主要適用于大量氫原料氣的粗分離階段。

4 結(jié)論與展望

氫能作為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉?，具有清潔低碳、靈活高效等突出優(yōu)勢，在面對全球低碳能源轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)世界“雙碳”目標(biāo)可持續(xù)發(fā)展的大背景下，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ壳皣鴥?nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了一些進(jìn)步，但是仍受制于技術(shù)瓶頸、應(yīng)用規(guī)模及成本等要素，氫能產(chǎn)業(yè)未得到革命性發(fā)展。未來氫能行業(yè)的發(fā)展趨勢及研究建議如下。

a) 在氫的制備方面，綠氫及藍(lán)氫將受到重視和利用，灰氫將逐漸被替代。結(jié)合碳處理CCUS技術(shù)的化石燃料制氫以及電解水制氫將發(fā)展迅猛，是制氫技術(shù)的主要發(fā)展趨勢，無CCUS技術(shù)的傳統(tǒng)化石燃料制氫方式碳排放量巨大，將會(huì)被逐漸替代。電解水制氫中以ED/EDI離子膜為主的純水技術(shù)、以SWRO膜法為主的反滲透海水淡化技術(shù)也將得到更廣泛的應(yīng)用。

b) 在氫的儲(chǔ)運(yùn)方面，液氨儲(chǔ)氫可能將具有較高的發(fā)展優(yōu)勢。液氨在-33 ℃即可實(shí)現(xiàn)液化運(yùn)輸，相比于直接輸送液氫的-253 ℃更具優(yōu)勢。另外，利用液氨儲(chǔ)氫的體積儲(chǔ)氫密度比直接液氫高1.7倍。因此氨比氫更高效且更容易液化及儲(chǔ)運(yùn)。就目前而言，氨儲(chǔ)氫正成為具有發(fā)展前景的運(yùn)輸載體。

c) 在氫的應(yīng)用方面，氫燃料電池需求可能將爆發(fā)式增長，氫燃料電池汽車的銷量可能伴隨持續(xù)升高。在基礎(chǔ)建設(shè)方面，就目前行業(yè)發(fā)展來看，加氫站的數(shù)量將可能持續(xù)增加，這將促進(jìn)氫燃料電池汽車的發(fā)展。

d) 在氫氣前沿領(lǐng)域，太陽能光伏電解水制氫技術(shù)能解決光伏發(fā)電的間歇性問題，發(fā)揮氫能在脫碳方面的清潔優(yōu)勢；LNG冷能利用液化氫氣以及超音速氫氣提純技術(shù)等因其自身優(yōu)勢在未來也將可能會(huì)有較大發(fā)展前景。