氢能利用与发展综述*

于蓬，王健，郑金凤*，张亮修，王恒元

氢能利用与发展综述*

于蓬1，王健2，郑金凤1*，张亮修1，王恒元3

（1.山东明宇新能源技术有限公司，山东 济南 271100；2.山东交通学院 汽车工程学院，山东 济南 250357；3.淄博齐塑环保科技有限公司，山东 淄博 255411）

氢能作为一种重要的二次能源，具有来源广泛、制取方便、能量密度高、绿色环保无污染等优点。如何进行氢能源的大规模应用是目前政策、行业及企业研究的热点。文章针对氢能的制取、储存、运输及使用进行概述，对氢能利用中各个环节的成本、能耗、效率等方面进行分析，为政策制定、行业规划及企业转型提供一定参考。

制氢；储氢；燃料电池；热电联供

引言

当今世界，为了解决能源短缺、环境污染日益严重以及人们日益增长的能源需求等问题，对洁净新能源和可再生能源的开发成为21世纪人类面临的首要问题。氢气作为一种清洁、安全、高效、可再生的能源，是人类摆脱对“三大能源”依赖的最经济、最有效的替代能源之一[1]。同时，氢能作为一种洁净的能源载体，具有利用率高、燃烧热值高、能量密度大、存在广泛以及可储可输等优点。美国、日本、德国等发达国家更是将氢能规划上升到国家能源战略高度，氢能开发与利用已成为发达国家能源体系中的重要组成部分。

日本是资源短缺型国家，故而非常积极的探索石油以外的其他能源，日本是氢能源发展最为积极的推动者，其氢能研究一直走在世界最前端。澳大利亚作为世界上最大的煤炭出口国和第二大液化天然气出口国也开始计划以太阳能、风能制氢，并向东亚地区出口液氢，打造下一个能源出口产业，目标是到2030年在中、日、韩、新加坡4国开发70亿美元市场[2]。

我国也正在大力发展氢能源，自2011年以来，我国政府有关部门从战略、产业结构、科技、财政等方面相继发布了一系列政策，引导并鼓励氢能相关产业的发展。2016年江苏省如皋市被联合国开发计划署命名为“中国氢经济示范城市”；2017年佛山市建成国内首个商业化运营加氢站；2018年经国家能源集团牵头成立了“中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟”；2019年山东省计划在济南建设“中国氢谷”并启动山东氢能源中长期发展规划方案编制。从长远来看，氢能可以从根本上解决人类未来的能源安全问题。

1 氢气的制备

表1 氢气不同制取工艺的比较

制氢的方法非常多，无论是一次能源还是二次能源都可以制取氢气。目前，氢气的制取路线主要有四大类：一是电解水制氢，其制取的氢气纯度可达99.7%；二是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；三是以焦炉煤气、氯碱工业为代表的工业副产提纯制氢；四是利用可再生能源制氢。各工艺的对比如表1所示。

由表1整体分析，甲醇裂解制氢是一种经济的制氢方式，虽然其生产规模小，但原材料易得、投资成本低、并且经过变压吸附净化后的氢气纯度可高达99.99%，作为氢气间断性、补充性的制造是完全可以的。另外，可再生能源制氢一直是各国大力研究发展的项目，它可以利用弃风、弃光等能源，从而减少了能源的浪费，是未来制氢行业中最具潜力和前途的工艺。

2 氢气的储存

储氢技术是氢能源的应用瓶颈，主要在于需提高储氢密度，降低储氢成本，提高充放氢速度[3]。氢气的储存直接影响到氢能的应用[4]。目前，氢气的储存主要有气态储氢、液态储氢、固体储氢三种方式。其中高压气态储氢技术比较成熟，是目前最普遍、最常用的储氢方式；液态有机储氢以高储氢量、安全性好、循环性能好等优势在众多的储氢方式中脱颖而出[5]，是现阶段全球研发的重点；固体储氢法由于其安全性高、储氢密度高，从而成为新一代储氢技术[6]。氢气不同储存方式的比较如表2所示。

表2 氢气不同储存方式的比较

综合表2以及现阶段国内储氢行业的分析，高压储氢技术相对比较成熟且生产成本较低是目前国内主流的储氢技术，但并非最优技术。笔者认为有机物液体储氢是一种最佳的储氢技术，相比于其它储氢技术而言，有机物液体储氢具有储氢密度高以及独一无二的安全性、运输便利性，若重点攻克该技术存在的难题，其发展潜力和应用前景都将是巨大的。

3 氢气的运输

氢气的运输方式主要有4种：1、高压气态输氢主要有长管拖车运输和管道运输两种方式，当前长管拖车运输设备产业在国内较为成熟是近距离运输的主要方式，管道运输是实现氢气大规模、长距离输送的方式；2、液态输氢可以满足运输量大的要求液氢槽罐车运输在国外应用较为广泛，国内目前仅用于航天及军事领域；3、有机液体输氢在储氢密度和储运便利性上兼具优势，但存在催化剂成本和效率难以兼容、装置复杂等问题，并不是氢气的主流运输方式；4、目前对于固体储氢材料的研究还处于探索和改进阶段，其原料成本也较高，实现规模化的运输仍然面临着挑战[7]。氢气不同运输方式的成本、能耗等比较如图1所示。

图1 氢气不同运输方式的比较

综合图(a)对氢气运输过程的能量损耗、运输压力和储氢密度的对比以及图(b)中各运输距离与运输成本的对比，笔者认为在氢能大规模的占据市场的前提下，管道运输是一种涵盖范围最广、最便利的输氢方式，在运输效率和运输成本上都具其他运输方式不可比拟的优势。管道运输虽然一次性投入建设资金较高，但从长远来看这种运输方式可以大大降低运输成本，实现长距离、大规模的运输。

4 氢能的应用

4.1 氢能热电联供系统

燃料电池是氢能应用中最重要的形式，主要是以氢燃料电池系统作为建筑、社区等的供能载体和备用能源。微型燃料电池热电联供装置是氢能固定式应用的重要分支，也是一种备受关注的新型分布式能源技术[8]。日本是世界上推广商业燃料电池利用系统规模化最大且最成功的国家，自20世纪末，日本就开始进行燃料电池基础研究，2004年生产出示范产品，2009年政府开始加大产品购买补贴与基础研究力度加速推进了商业化，目前已形成完整的家用燃料电池系统产业链，为各国展示了一条清晰的发展路线[9]。

4.2 氢能源汽车

氢燃料电池汽车是目前最主要的交通利用方式，近两年氢能燃料电池汽车的发展受到各界重视，逐渐成为资本和企业追逐的热点，丰田、本田等公司都宣布实现燃料电池汽车商业化。氢能作为汽车内燃机的直接燃料主要有两种，一是直接使用氢气作为燃料的全氢发动机，二是在传统内燃机燃料（如汽油、柴油）中掺入微量氢气燃烧[10]。与传统燃油车相比，燃料电池汽车发动机在工作过程中具有冷启动性能好、热量损失小、能源转换效率高等优势；与纯电动车相比，燃料电池车的续航里程更远，燃料加注时间也更短。然而燃料电池气车仍然存在着制造成本与使用成本高昂的缺点。

我国对于燃料电池的研究起步晚、产业基础薄弱，氢经济相关技术与国外相比存在一定差距，但政府、学界和企业都高度关注氢能源汽车的研发和生产，中央和各地政府陆续出台了相关扶持和补贴政策鼓励氢能源汽车的发展，预计2030年左右可以实现氢能源汽车大规模的推广和市场化。

5 结语

通过分析可得到如下结论：制氢方面，短期优先选用工业副产氢，中期采用化石能源制氢结合碳捕捉技术，长期采用可再生能源电解水制氢；储氢方面，短中期可采用高压气态储存，中长期推荐液态储氢，固态储氢可作为补充用于氢气回收；运输方面，短期采用长管拖车运输，中期采用液态槽车运输，长期宜采用液态海运及气态管道运输；用氢方面，除了传统的作为化工原料及储能应用外，结合当前同时兴起的燃料电池技术，将集中在交通领域的氢能车辆和建筑领域的氢能环保住宅两个方面。交通领域将是商用车切入、乘用车跟进，建筑领域将是质子交换膜型燃料电池切入，固体氧化物型燃料电池跟进。总之，目前氢能的大规模利用将有助我国提早进入能源自给自足的氢能社会。

[1] 李璐伶,樊栓狮,陈秋雄,杨光,温永刚.储氢技术研究现状及展望[J].储能科学与技术,2018, 7(04):586-594.

[2] Australian Renewable Energy Agency.Opportunities for Australia from Hydrogen Exports[R]. 2018.

[3] 张怀伟,郑鑫遥,刘洋,田晓,李星国.稀土元素在储氢材料中的应用进展[J].中国稀土学报,2016, 34(01):1-10.

[4] 氢的储存与运输[J].山东国土资源,2009,25(04):60.

[5] 杨明.液态有机储氢材料加氢脱氢用廉价高效金属催化剂的研究[A].中国化学会湖北代表处.中部四省化学化工学会2016年学术年会摘要集[C].中国化学会湖北代表处:江西省化学化工学会, 2016:1.

[6] Guillermina Urretavizcaya, Ana C. Sarmiento Chávez, Facundo J. Castro.Hydrogen absorption and desorption in the Mg-Ag system[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 611:202.

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[8] 高慧,杨艳,赵旭,饶利波,刘雨虹.国内外氢能产业发展现状与思考[J].国际石油经济,2019,27(04):9-17.

[9] 蒙浩,吕泽伟,韩敏芳.日本家用燃料电池热电联供系统商业化应用分析[J].中外能源,2018,23(10):1-8.

[10] 马硕.氢能源与燃料电池汽车的发展应用[J].时代汽车,2017(12): 23-24.

Review on hydrogen energy utilization and development*

Yu Peng1, Wang Jian2, Zheng Jingfeng1*, Zhang Liangxiu1, Wang Hengyuan3

( 1.Shandong Mingyu New Energy Technology Co., Ltd., Shandong Jinan 250000; 2.Shandong Jiao Tong University School of Automotive Engineering, Shandong Jinan 250357;3.Zibo Qisu Environmental Protection Technology Co., Ltd. Shandong Zibo 255411 )

As an important secondary energy, hydrogen energy has the advantages of wide range of sources, such as convenient preparation, high energy density, green environmental protection and no pollution. How to carry out the large-scale application of hydrogen energy is the focus of policy, industry and enterprise research. This paper summarizes the preparation, storage, transportation and use of hydrogen energy, and analyzes the cost, energy consumption and efficiency of each link in the utilization of hydrogen energy, so as to provide some reference for policy making, industry planning and enterprise transformation.

Hydrogen production; Hydrogen storage; Fuel cell; Cogeneration

TK91

A

1671-7988(2019)24-22-04

TK91

A

1671-7988(2019)24-22-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.008

于蓬（1986-），男，山东济南人，博士，总经理，就职于山东明宇新能源技术有限公司，主要研究方向为氢能源产品集成及产业化。

郑金凤（1995-），女，山东济南人，工程师，就职于山东明宇新能源技术有限公司，主要研究方向为氢气制备、检测与应用。

山东重点研发计划（2017GGX50109）；山东交通运输厅科技计划（2018B66）；山东省高等学校科技计划项目（J17KB024）。