氫能利用關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240605.04 文章編號：1003-0417（2024）07-62-08

摘 要：作為一種綠色、低碳、高效的二次能源，氫能逐漸受到廣泛關(guān)注。氫能全產(chǎn)業(yè)鏈“制—儲—輸—用”各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，涉及眾多關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和相關(guān)產(chǎn)業(yè)融合。對氫能產(chǎn)業(yè)鏈中“制—儲—輸—用”各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，針對氫能利用關(guān)鍵技術(shù)提出了相關(guān)建議，并對中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出了展望。目前，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如火如荼，其中，堿性電解水（AWE）制氫、高壓氣態(tài)儲氫和氫燃料電池等技術(shù)已經(jīng)得到初步示范應(yīng)用，但仍存在關(guān)鍵技術(shù)短板亟待突破的問題，比如：AWE制氫中低電壓、高電流密度、高穩(wěn)定性電極材料的可控制備，氫燃料電池中高可靠性和耐用性的催化劑和質(zhì)子交換膜的制備。未來中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一方面要突破關(guān)鍵技術(shù)與核心材料的研發(fā)；另一方面要充分發(fā)揮氫電耦合協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)可再生能源無法并網(wǎng)電力的消納，加快構(gòu)建新能源體系。

關(guān)鍵詞：氫能；電解水制氫；氫燃料電池；儲氫；輸氫

中圖分類號：TK91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展必須轉(zhuǎn)向更加清潔、綠色、低碳的方向。作為一種綠色、低碳的二次能源，氫能在新能源格局中扮演著重要角色，可以和風(fēng)能、太陽能等可再生能源融合互補(bǔ)，發(fā)揮氫電耦合協(xié)同作用，提高能源利用效率，促進(jìn)交通、建筑及工業(yè)領(lǐng)域的深度脫碳。同時(shí)，氫能作為新質(zhì)生產(chǎn)力，更是首次被寫入2024年的政府工作報(bào)告中。

氫能“制—儲—輸—用”全產(chǎn)業(yè)鏈涉及眾多關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)融合。目前，主要是通過化石能源重整和工業(yè)副產(chǎn)氫的方式獲得氫氣，制氫過程中會產(chǎn)生大量的碳排放。電解水制氫作為一種新興的制氫技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)零碳排放，是未來制氫技術(shù)的主流方向，但目前電解水制氫成本高，限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。能源生產(chǎn)和消費(fèi)之間的不平衡導(dǎo)致對高效儲能技術(shù)的巨大需求，特別是當(dāng)可再生能源作為主要能源時(shí)。氫氣儲運(yùn)是打通氫能全產(chǎn)業(yè)鏈最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而安全高效的氫儲存和供應(yīng)是氫儲能系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)[1]；此外，氫氣易燃易爆的特性使其運(yùn)輸成為一個(gè)難題，運(yùn)輸過程中必須保證其安全、高效、無泄漏。

作為能源轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能可以通過可再生能源制取，再發(fā)電提供電力和熱量；也可通過“電-氫-電”模式，發(fā)揮氫電耦合協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)氫儲能，發(fā)揮其電力調(diào)節(jié)的作用。為促進(jìn)氫能利用關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，本文對氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中“制—儲—輸—用”各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，針對氫能利用關(guān)鍵技術(shù)提出相關(guān)建議，并對中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1" 氫氣的制取

隨著日益增長的低碳及碳減排需求，綠色制氫技術(shù)正受到廣泛重視。電解水制氫技術(shù)是綠色制氫技術(shù)中最成熟的技術(shù)之一，目前，電解水制氫技術(shù)主要分為堿性電解水（AWE）制氫、質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫、固體氧化物電解水（SOEC）制氫3大類。3種電解水制氫技術(shù)的相關(guān)特性對比如表1[2]所示。

1.1" AWE制氫技術(shù)

AWE制氫技術(shù)是一項(xiàng)成熟技術(shù)，最早于1789年由Troostwijk和Diemann提出[3]，其原理示意圖如圖1所示。AWE制氫技術(shù)以堿水（NaOH/KOH）作為電解液，濃度為20%～30%[4]，在60～80 ℃的較低溫度下進(jìn)行；在堿水電解過程中，采用石棉作為隔膜，將陰、陽極上產(chǎn)生的氫氣和氧氣分隔開，防止混合發(fā)生爆炸。

利用AWE制氫技術(shù)耦合轉(zhuǎn)化可再生能源，是近中期快速實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的有效途徑。但是目前該技術(shù)仍存在一定的局限性，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展，具體包括：1）堿性電解槽的能源轉(zhuǎn)換效率低，通常在60%左右；2）存在氫氣、氧氣混合發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

AWE制氫技術(shù)的關(guān)鍵核心部件為電解槽，未來針對核心部件材料的主要研究方向?yàn)樘岣唠姌O和隔膜材料的性能，具體包括：

1）開發(fā)低過電位、大電流密度、長壽命的一體化電極，降低析氫過電位，提高制氫電流密度。

2）開發(fā)高親水性、低電阻、長壽命的隔膜材料，提升低功率工作條件下氫氣和氧氣的純度，降低高電流密度工作條件下的制氫能耗；開發(fā)適用于寬功率波動的電解槽隔膜材料。

3）突破低電耗電解槽模塊和系統(tǒng)集成技術(shù)；優(yōu)化極板結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)加工技術(shù)制備網(wǎng)狀、波紋狀等新型高性能極板，降低接觸電阻，同時(shí)使堿液分布更均勻，提高極板的電流密度和產(chǎn)氫效率；開展電解槽的模塊化擴(kuò)展，優(yōu)化模塊組合結(jié)構(gòu)，在提高單元電解槽產(chǎn)氫能力的同時(shí)，降低單位產(chǎn)氫量的設(shè)備投資成本。

1.2" PEM電解水制氫技術(shù)

國外的PEM電解水制氫技術(shù)起步較早，自1966年通用電氣公司首先推出第1臺實(shí)用性的PEM電解槽，至今已有50多年的發(fā)展歷史[5]。該技術(shù)中，固體質(zhì)子交換膜被用作電解質(zhì)（質(zhì)子導(dǎo)體）[6-7]，不僅透氣性低、導(dǎo)電性高，而且厚度薄。PEM電解水制氫的原理示意圖如圖2所示。

由于PEM電解槽需要在強(qiáng)酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運(yùn)行，因此該設(shè)備對貴金屬催化劑的需求較高，比如：以Pt/Pd作為陰極的析氫反應(yīng)（HER）[8]和IrO2/RuO2作為陽極的析氧反應(yīng)（OER）[9]，這使PEM電解水制氫技術(shù)的成本比AWE制氫技術(shù)的成本更高。因此，降低生產(chǎn)成本并保持高效是PEM電解水制氫技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一。

目前，PEM電解水制氫設(shè)備價(jià)格約為AWE制氫設(shè)備價(jià)格的3～5倍，且中國PEM電解水制氫設(shè)備主要依賴進(jìn)口，進(jìn)一步導(dǎo)致其使用成本居高不下。因此，中國PEM電解水制氫技術(shù)的未來發(fā)展趨勢是進(jìn)行自主化、低成本PEM電解槽及系統(tǒng)的開發(fā)，通過核心技術(shù)開發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)大幅降低設(shè)備成本，形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本產(chǎn)品鏈，打造超大規(guī)?？稍偕茉措娊馑茪鋬δ芟到y(tǒng)。

1.3" SOEC制氫技術(shù)

SOEC制氫技術(shù)是在20世紀(jì)80年代由Donitz和Erdle首次提出[10]。SOEC制氫技術(shù)是在500～850 ℃的高溫和高壓條件下進(jìn)行，并以蒸汽的形式利用水；電解過程通常使用氧離子導(dǎo)體氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，其原理示意圖如圖3所示。

目前，在固體氧化物燃料電池中已經(jīng)開發(fā)和研究了一些陶瓷質(zhì)子導(dǎo)電材料，而將陶瓷質(zhì)子導(dǎo)電材料應(yīng)用于SOEC制氫過程中也越來越受到人們的關(guān)注，因?yàn)檫@些材料在500～700 ℃溫度條件下比氧離子導(dǎo)體具有更高的制氫效率和離子導(dǎo)電性[11]。

SOEC制氫技術(shù)采用固體氧化物電解質(zhì)，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，整個(gè)系統(tǒng)在高溫下電解的電壓較低，能量消耗較少，且系統(tǒng)制氫效率較高。盡管如此，該技術(shù)仍存在陰極和陽極材料在高溫下穩(wěn)定性差和退化的問題，這些問題在該技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用之前必須得到解決。

1.4" 小結(jié)

氫氣制取是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，通過可再生能源電解水制綠氫是最具前景的制氫方式之一。但目前與化石能源重整制氫技術(shù)相比，電解水制氫技術(shù)的制氫效率低、成本高一直是制約其發(fā)展的瓶頸。綜合對比以上3種電解水制氫技術(shù)可以得出：

1） AWE制氫技術(shù)是商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，其成熟度高、成本低、長期穩(wěn)定性好；但該技術(shù)的電流密度低、制氫裝備體積大、使用腐蝕性電解液，且動態(tài)響應(yīng)速度慢。

2） PEM電解水制氫技術(shù)已初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其不僅電流密度高，制氫裝備體積小、重量輕，且動態(tài)響應(yīng)速度快，制備的產(chǎn)品氫的純度高；但由于該技術(shù)采用貴金屬作為催化劑，導(dǎo)致其使用成本大幅增加，而且質(zhì)子交換膜和催化劑等核心材料和技術(shù)仍有待進(jìn)一步突破。

3） SOEC制氫技術(shù)的制氫效率最高，安全無污染；但該技術(shù)的可靠性低、工作溫度高，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，核心技術(shù)亟待突破。

2" 氫氣的儲存

氫氣的高效、安全儲運(yùn)一直是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，氫氣的儲存方式主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫及固態(tài)儲氫等。

2.1" 高壓氣態(tài)儲氫

高壓氣態(tài)儲氫是將壓縮氫氣以物理方式存儲在高壓罐中，儲氫量與氣體壓力成正比，當(dāng)氣體壓力增大時(shí)，體積能量密度增大。高壓氣態(tài)儲氫主要應(yīng)用于固定式高壓氣態(tài)儲氫和高壓氣態(tài)運(yùn)氫[12]。目前，該儲氫方式的研究和開發(fā)重點(diǎn)是如何在提高儲氫安全性的同時(shí)降低其成本。固定式高壓氣態(tài)儲氫中，固定式儲氫容器采用何種形式目前尚未形成共識，國內(nèi)外研發(fā)了多種固定式儲氫容器，主要包括全多層鋼制高壓儲氫容器、大容積鋼制無縫儲氫容器、纖維纏繞復(fù)合材料儲氫容器等。高壓氣態(tài)運(yùn)氫一般采用長管拖車，運(yùn)氫量較低，為了提高單車儲氫罐的運(yùn)氫量，已經(jīng)將單個(gè)鋼瓶的工作壓力進(jìn)一步提高到30～45 MPa，單車運(yùn)氫量可提高至700 kg。

高壓氣態(tài)儲氫的操作簡單、技術(shù)相對成熟，但仍存在安全性較差的弊端。

2.2" 低溫液態(tài)儲氫

在低溫液態(tài)儲氫方面，目前的研究主要集中在復(fù)合儲氫罐材料的開發(fā)上，以獲得更輕、更堅(jiān)固的儲氫罐[13]。國內(nèi)外在材料、器件、裝備、系統(tǒng)等各方面均取得了一定的研究進(jìn)展。國際上，已開發(fā)出超低溫氫氣吸附劑和多層真空絕熱材料；已開發(fā)出具備可承受30 t/天氫液化能力的正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑技術(shù)；已開發(fā)出可用于液氫環(huán)境的儲氫容器材料和支撐材料[14-15]。與高壓氣態(tài)儲氫相比，低溫液態(tài)儲氫的儲氫密度明顯提升[16-17]，盡管該技術(shù)看起來非常有前途，但仍需要解決氫的吸收和釋放、氫液化率高導(dǎo)致能量損失大、氫蒸發(fā)和儲氫罐成本等問題[18]。同時(shí)，尚欠缺建立液氫儲氫加氫站，液氫增壓泵、潛液泵集成裝置等方面的技術(shù)，以及其性能評價(jià)測試方法和體系。

2.3" 固態(tài)儲氫

高壓氣態(tài)儲氫的危險(xiǎn)性較高，且體積儲氫密度低，相比之下，低溫液態(tài)儲氫技術(shù)雖然增加了體積儲氫密度，但需要將氫氣冷卻到-253 ℃。而固態(tài)儲氫通過固態(tài)儲氫合金材料可以實(shí)現(xiàn)在低溫中壓下吸收氫氣，在加熱時(shí)放氫[19]。通過化學(xué)反應(yīng)，氫可以在高密度和低壓下儲存在金屬氫化物中，安全性更高[20]。不同固態(tài)儲氫合金材料的儲氫性能如表2[21]所示。

從表2可以看出：大多數(shù)常用的低溫固態(tài)儲氫合金材料（例如：AB5、AB2、AB）的特征是質(zhì)量儲氫密度在1.5～1.9 wt%。而在Ti-Cr-V體系的基礎(chǔ)上，使用BCC固溶體合金可以達(dá)到2.50 wt%的質(zhì)量儲氫密度。一些AB2型固態(tài)儲氫合金材料可用于高壓和零下溫度條件下充氫的“混合”儲氫系統(tǒng)[22]。基于MgH2的固態(tài)儲氫合金材料具有明顯更高的質(zhì)量儲氫密度，但需要較高的操作溫度，限制了其應(yīng)用。

AB5和AB2型固態(tài)儲氫合金材料是最常用的儲氫材料，通常用于儲氫、向燃料電池系統(tǒng)供氫[23]，以及氫氣壓縮應(yīng)用[24]。主要原因在于這些類型材料的氫吸附性能可通過其組成的微小變化而調(diào)整，進(jìn)而使這些材料的壓力和溫度操作性能與應(yīng)用條件保持一致。AB5型固態(tài)儲氫合金材料具有易活化、吸氫和脫氫動力學(xué)快、在循環(huán)加氫/脫氫過程中吸氫性能穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)。與AB5型固態(tài)儲氫合金材料相比，AB2型固態(tài)儲氫合金材料不易活化，因此為了促進(jìn)其活化，可以在固態(tài)儲氫合金材料中摻入少量稀土元素（～1 at%）[25]。

2.4" 小結(jié)

目前所有的儲氫技術(shù)都存在不足，具體包括：熱管理系統(tǒng)復(fù)雜、儲氫效率低、催化劑昂貴、穩(wěn)定性差、響應(yīng)速度慢、操作壓力高、儲氫密度低、存在劇烈和不受控制的自發(fā)反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。理想的儲氫介質(zhì)應(yīng)具有高的體積和質(zhì)量儲氫密度、燃料的快速吸收和釋放、可在室溫和常壓下操作、可安全使用，以及平衡的成本效益等特點(diǎn)。通過對比以上3種儲氫方式可以得出：

1）高壓氣態(tài)儲氫是目前最成熟、應(yīng)用最廣的儲氫方式，但其儲氫密度較低，且存在較大的安全隱患。

2）低溫液態(tài)儲氫具有單位質(zhì)量和單位體積儲氫密度大的絕對優(yōu)勢，但目前其儲存成本過高，主要體現(xiàn)在液化過程耗能大、對儲氫容器的絕熱性能要求極高兩個(gè)方面。

3）與上述兩種儲氫方式相比，固態(tài)儲氫有巨大潛力，不僅安全性高、成本低，而且單位體積儲氫密度大。但該儲氫方式目前仍處于技術(shù)攻關(guān)階段，還存在一些問題亟待解決，研究人員正在努力合成熱力學(xué)性能好、脫氫反應(yīng)溫度低、吸放氫反應(yīng)動力學(xué)快、質(zhì)量儲氫密度大的固態(tài)儲氫合金材料。

3" 氫氣的輸送

氫氣可以通過容器和管道以液體、氣體和金屬氫化物的形式進(jìn)行運(yùn)輸。對于儲存在金屬氫化物中的低壓氫，只能進(jìn)行短距離和少量的輸送，而大量的液氫則需要通過管道輸送和分配。管道長度從1 km到數(shù)百公里不等，操作壓力為10～30 bar，可以通過利用現(xiàn)有的天然氣管道來實(shí)現(xiàn)，這些管道具有以下優(yōu)勢：1）地理范圍廣；2）互聯(lián)互通；3）容量大；4）完善的維護(hù)和控制結(jié)構(gòu)；5）完善的安全程序、電網(wǎng)管理和運(yùn)營策略；6）廣泛的公眾接受度。

輸氫管道主要由鋼鐵和聚乙烯制成，特別是針對輸氫過程需要開發(fā)新的涂層來避免鋼管道脆化。在更高的摻氫環(huán)境下，還需要適應(yīng)終端用戶系統(tǒng)。對于本地居民用戶，20%的氫氣濃度可以安全地應(yīng)用于現(xiàn)有的家用電器；但對于工業(yè)用戶，特別是工業(yè)燃燒應(yīng)用，則需要單獨(dú)進(jìn)行摻氫比例的研究[26]。

氫能輸送技術(shù)的發(fā)展以低成本為導(dǎo)向，可根據(jù)運(yùn)輸距離和運(yùn)氫規(guī)模，靈活運(yùn)用長管拖車、低溫液氫、有機(jī)液體、管道輸氫等儲運(yùn)方式。針對管道輸氫方式，未來需要重點(diǎn)研究富氫天然氣對典型管材、終端用戶系統(tǒng)的影響規(guī)律；明確現(xiàn)役天然氣管道的摻氫比例，建立摻氫天然氣管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系與安全運(yùn)行技術(shù)體系；研究純氫條件下管道材料的性能指標(biāo)要求，建立純氫管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系及安全運(yùn)行技術(shù)體系。

4" 氫氣的應(yīng)用

考慮到氫的高儲能性，近年來氫儲能得到了蓬勃發(fā)展，其可以滿足從短期系統(tǒng)頻率控制到中長期能源供需平衡的大時(shí)間尺度范圍內(nèi)的儲能需求[14]。通過氫儲能，氫能可以采用“電-氫-電”模式，發(fā)揮氫電耦合協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)節(jié)作用[27-28]。

氫燃料電池技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫電耦合的重要體現(xiàn)，也是氫能應(yīng)用的主要技術(shù)之一。預(yù)計(jì)到2030年，氫燃料電池汽車的銷量將占全球汽車總銷量的3%，到2050年這一比例可能達(dá)到36%。幾家公司正在開發(fā)具有更高質(zhì)量和可靠性的氫燃料電池動力系統(tǒng)，加速其在汽車市場的商業(yè)化。例如：豐田Mirai燃料電池汽車已經(jīng)使用了量產(chǎn)的質(zhì)子交換膜燃料電池，其體積功率密度為3.1 kW/m3，最大輸出功率為114 kW，其中1.6 kWh的鎳氫電池并聯(lián)連接，以處理再生制動，并在加速等高功率需求時(shí)提供輔助[29]。目前大多數(shù)商用氫燃料電池汽車的儲氫系統(tǒng)采用的是高壓壓縮氫燃料箱，例如：本田Clarity燃料電池汽車和現(xiàn)代NEXO燃料電池汽車均使用了這種燃料箱；而寶馬氫能7系裝備了液氫油箱[29]。

除了在汽車上應(yīng)用外，近年來氫燃料電池在船舶上也有廣泛的應(yīng)用。船舶航行造成的高污染約占全球溫室氣體排放總量的2.5%，這使航運(yùn)業(yè)轉(zhuǎn)向采用更加可持續(xù)的能源，即氫能。與采用常規(guī)電池驅(qū)動的船舶相比，氫燃料電池能夠?yàn)楹叫邢鄬^遠(yuǎn)的船舶提供動力，并滿足大型船舶的輔助能源需求。

5" 結(jié)論及展望

本文對氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中“制—儲—輸—用”各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，針對氫能利用關(guān)鍵技術(shù)提出了相關(guān)建議。在“雙碳”目標(biāo)下，氫能在工業(yè)、運(yùn)輸、建筑、發(fā)電等領(lǐng)域的節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)綠色升級轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮著重要作用。作為連接化石能源和清潔能源的紐帶，氫能具有環(huán)境友好、綠色低碳、清潔高效等優(yōu)點(diǎn)，是未來能源轉(zhuǎn)型的重要方向。在氫氣的制取、儲存、運(yùn)輸和應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈中，多種氫能利用關(guān)鍵技術(shù)相互配合，形成產(chǎn)業(yè)集群。中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已逐步形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，但相關(guān)技術(shù)瓶頸，例如：電解水制氫成本、電堆性能及壽命、固態(tài)儲氫及低溫液態(tài)儲氫、質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，仍限制著氫能產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，亟待突破。

展望未來中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一方面要突破關(guān)鍵技術(shù)與核心材料的研發(fā)；另一方面要充分發(fā)揮氫電耦合協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)可再生能源無法并網(wǎng)電力的消納，加快構(gòu)建新能源體系。

[參考文獻(xiàn)]

[1] ZHANG F，ZHAO P C，NIU M，et al. The survey of key technologies in hydrogen energy storage[J]. International journal of hydrogen energy，2016，41（33）：14535-14552.

[2] 俞紅梅，邵志剛，侯明，等. 電解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議[J]. 中國工程科學(xué)，2021，23（2）：146-152.

[3] BALAT M. Potential importance of hydrogen as a future solution to environmental and transportation problems[J]. International journal of hydrogen energy，2008，33（15）：4013-4029.

[4] BURNAT D，SCHLUPP M，WICHSER A，et al. Composite membranes for alkaline electrolysis based on polysulfone and mineral fillers[J]. Journal of power sources，2015，291：163-172.

[5] 李丹楓，褚曉萌，劉磊. 綠氫領(lǐng)域電解水制氫聚合物膜材料研究進(jìn)展及發(fā)展建議[J]. 科學(xué)通報(bào)，2022，67（27）：3282-3295.

[6] XU W，SCOTT K. The effects of ionomer content on PEM water electrolyser membrane electrode assembly performance[J]. International journal of hydrogen energy，2010，35（21）：12029-12037.

[7] ABDOL RAHIM A H，TIJANI A S，KAMARUDIN S K，et al. An overview of polymer electrolyte membrane electrolyzer for hydrogen production：modeling and mass transport[J]. Journal of power sources，2016，309：56-65.

[8] MILLET P，NGAMENI R，GRIGORIEV S A，et al. PEM water electrolyzers：from electrocatalysis to stack development[J]. International journal of hydrogen energy，2010，35（10）：5043-5052.

[9] LIU B，WANG C Y，CHEN Y Q. Surface determination and electrochemical behavior of IrO2-RuO2-SiO2 ternary oxide coatings in oxygen evolution reaction application[J]. Electrochimica acta，2018，264：350-357.

[10] CARMO M，F(xiàn)RITZ D L，MERGEL J，et al. A comprehensive review on PEM water electrolysis[J]. International journal of hydrogen energy，2013，38（12）：4901-4934.

[11] SAPOUNTZI F M，GRACIA J M，WESTSTRATE C J J，et al. Electrocatalysts for the generation of hydrogen，oxygen and synthesis gas[J]. Progress in energy and combustion science，2017，58：1-35.

[12] 丁镠，唐濤，王耀萱，等. 氫儲運(yùn)技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J]. 天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2022，47（2）：35-40.

[13] SCHLAPBACH L，ZüTTEL A. Hydrogen-storage materials for mobile applications[J]. Nature，2001，414（6861）：353-358.

[14] PARRA D，VALVERDE L，PINO F J，et al. A review on the role，cost and value of hydrogen energy systems for deep decarbonisation[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2019，101：279-294.

[15] MORADI R，GROTH K M. Hydrogen storage and delivery：review of the state of the art technologies and risk and reliability analysis[J]. International journal of hydrogen energy，2019，44（23）：12254-12269.

[16] 雷超，李韜. 碳中和背景下氫能利用關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 發(fā)電技術(shù)，2021，42（2）：207-217.

[17] 劉永鋒，李超，高明霞，等. 高容量儲氫材料的研究進(jìn)展[J]. 自然雜志，2011，33（1）：19-26.

[18] NIAZ S，MANZOOR T，PANDITH A H. Hydrogen storage：materials，methods and perspectives[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2015，50：457-469.

[19] BLACKMAN J M，PATRICK J W，ARENILLAS A，et al. Activation of carbon nanofibres for hydrogen storage[J]. Carbon，2006，44（8）：1376-1385.

[20] ACEVES S M，BERRY G D，MARTINEZ-FRIAS J，et al. Vehicular storage of hydrogen in insulated pressure vessels[J]. International journal of hydrogen energy，2006，31（15）：2274-2283.

[21] LOTOTSKYY M，YARTYS V A. Comparative analysis of the efficiencies of hydrogen storage systems utilising solid state H storage materials[J]. Journal of alloys and compounds，2015，645：S365-S373.

[22] KOJIMA Y，KAWAI Y，TOWATA S I，et al. Development of metal hydride with high dissociation pressure[J]. Journal of alloys and compounds，2006，419（1/2）：256-261.

[23] LOTOTSKYY M V，TOLJ I，PICKERING L，et al. The use of metal hydrides in fuel cell applications[J]. Progress in natural science：materials international，2017，27（1）：3-20.

[24] LOTOTSKYY M V，YARTYS V A，POLLET B G，et al. Metal hydride hydrogen compressors：a review[J]. International journal of hydrogen energy，2014，39（11）：5818-5851.

[25] YAO Z，LIU L，XIAO X，et al. Effect of rare earth doping on the hydrogen storage performance of Ti1.02Cr1.1Mn0.3Fe0.6 alloy for hybrid hydrogen storage application[J]. Journal of alloys and compounds，2018，731：524-530.

[26] ABOHAMZEH E，SALEHI F，SHEIKHOLESLAMI M，et al. Review of hydrogen safety during storage，transmission，and applications processes[J]. Journal of loss prevention in the process industries，2021，72：104569.

[27] 朱凱，張艷紅. “雙碳”形勢下電力行業(yè)氫能應(yīng)用研究[J]. 發(fā)電技術(shù)，2022，43（1）：65-72.

[28] 俞紅梅，衣寶廉. 電解制氫與氫儲能[J]. 中國工程科學(xué)，2018，20（3）：58-65.

[29] YUE M L，LAMBERT H，PAHON E，et al. Hydrogen energy systems：a critical review of technologies，applications，trends and challenges[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2021，146：111180.

KEY TECHNOLOGIES AND CURRENT SITUATION OF

HYDROGEN ENERGY UTILIZATION

Yin Zhaohui1，2，Jiang Lijun1，2，Liu Yu1，2，Liu Hao1，2，Li Shanshan1，2，Wang Lili1，2，

Yu Qinghe1，2，Li shuai1，2，Mi Jing1，2，Hao Lei1，2*

（1. China GRINM Group Co.，Ltd.，National Engineering Research Center of Nonferrous Metals Materials and Products for New Energy，Beijing 100088，China；2. GRIMAT Engineering Institute Co.，Ltd.，Beijing 101407，China）

Abstract：As a green，low-carbon，and efficient secondary energy，hydrogen energy has gradually attracted wide attention. The entire hydrogen energy industry chain is closely linked in all aspects of production，storage，transportation，and utilization，involving numerous key technological innovations and the integration of related industries. This paper reviews the key technologies and their development status of each link in the hydrogen energy industry chain，including production，storage，transportation，and utilization. Relevant suggestions are put forward for the key technologies of hydrogen energy utilization，and prospects are made for the development of hydrogen energy industry of China. At present，the development of the hydrogen energy industry is developing rapidly，among which，alkaline water electrolytic （AWE） hydrogen production，high-pressure gas hydrogen storage，and hydrogen fuel cells and other technologies have been preliminarily demonstrated and applied，but there are still key technical shortcomings to be broken through. For example，the controllable preparation of low voltage，high current density and high stability electrode materials in AWE hydrogen production，and the preparation of highly reliable and durable catalysts and proton exchange membranes in hydrogen fuel cells. Regarding the future development of hydrogen energy industry of China，on the one hand，it is necessary to break through the research and development of key technologies and core materials；On the other hand，it is necessary to fully leverage the synergistic effect of hydrogen-electric coupling，achieve consumption of electricity from renewable energy that cannot be connected to the grid，and accelerate the construction of a new energy system.

Keywords：hydrogen energy；water electrolysis for hydrogen production；hydrogen fuel cell；hydrogen storage；hydrogen transport

收稿日期：2024-06-05

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB4000300）

通信作者：郝雷（1980—），男，博士、正高級工程師，主要從事制氫與氣體純化關(guān)鍵材料與技術(shù)，以及燃料電池氫源系統(tǒng)集成技術(shù)方面的研究。haolei@grinm.com