氢能利用关键技术及发展现状

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

摘 要：作为一种绿色、低碳、高效的二次能源，氢能逐渐受到广泛关注。氢能全产业链“制—储—输—用”各环节紧密联系，涉及众多关键技术创新和相关产业融合。对氢能产业链中“制—储—输—用”各环节的关键技术及发展现状进行了梳理，针对氢能利用关键技术提出了相关建议，并对中国氢能产业的发展作出了展望。目前，氢能产业的发展如火如荼，其中，碱性电解水（AWE）制氢、高压气态储氢和氢燃料电池等技术已经得到初步示范应用，但仍存在关键技术短板亟待突破的问题，比如：AWE制氢中低电压、高电流密度、高稳定性电极材料的可控制备，氢燃料电池中高可靠性和耐用性的催化剂和质子交换膜的制备。未来中国氢能产业的发展，一方面要突破关键技术与核心材料的研发；另一方面要充分发挥氢电耦合协同作用，实现可再生能源无法并网电力的消纳，加快构建新能源体系。

关键词：氢能；电解水制氢；氢燃料电池；储氢；输氢

中图分类号：TK91 文献标志码：A

0" 引言

为实现“双碳”目标，中国能源结构的发展必须转向更加清洁、绿色、低碳的方向。作为一种绿色、低碳的二次能源，氢能在新能源格局中扮演着重要角色，可以和风能、太阳能等可再生能源融合互补，发挥氢电耦合协同作用，提高能源利用效率，促进交通、建筑及工业领域的深度脱碳。同时，氢能作为新质生产力，更是首次被写入2024年的政府工作报告中。

氢能“制—储—输—用”全产业链涉及众多关键技术创新和产业融合。目前，主要是通过化石能源重整和工业副产氢的方式获得氢气，制氢过程中会产生大量的碳排放。电解水制氢作为一种新兴的制氢技术，可以实现零碳排放，是未来制氢技术的主流方向，但目前电解水制氢成本高，限制了其大规模商业化应用。能源生产和消费之间的不平衡导致对高效储能技术的巨大需求，特别是当可再生能源作为主要能源时。氢气储运是打通氢能全产业链最重要的一个环节，而安全高效的氢储存和供应是氢储能系统面临的主要挑战[1]；此外，氢气易燃易爆的特性使其运输成为一个难题，运输过程中必须保证其安全、高效、无泄漏。

作为能源转型的重要载体，氢能可以通过可再生能源制取，再发电提供电力和热量；也可通过“电-氢-电”模式，发挥氢电耦合协同作用，实现氢储能，发挥其电力调节的作用。为促进氢能利用关键技术及相关产业发展，本文对氢能全产业链中“制—储—输—用”各环节的关键技术及发展现状进行梳理，针对氢能利用关键技术提出相关建议，并对中国氢能产业的发展进行展望。

1" 氢气的制取

随着日益增长的低碳及碳减排需求，绿色制氢技术正受到广泛重视。电解水制氢技术是绿色制氢技术中最成熟的技术之一，目前，电解水制氢技术主要分为碱性电解水（AWE）制氢、质子交换膜（PEM）电解水制氢、固体氧化物电解水（SOEC）制氢3大类。3种电解水制氢技术的相关特性对比如表1[2]所示。

1.1" AWE制氢技术

AWE制氢技术是一项成熟技术，最早于1789年由Troostwijk和Diemann提出[3]，其原理示意图如图1所示。AWE制氢技术以碱水（NaOH/KOH）作为电解液，浓度为20%～30%[4]，在60～80 ℃的较低温度下进行；在碱水电解过程中，采用石棉作为隔膜，将阴、阳极上产生的氢气和氧气分隔开，防止混合发生爆炸。

利用AWE制氢技术耦合转化可再生能源，是近中期快速实现其产业化应用的有效途径。但是目前该技术仍存在一定的局限性，限制了其进一步的发展，具体包括：1）碱性电解槽的能源转换效率低，通常在60%左右；2）存在氢气、氧气混合发生爆炸的风险。

AWE制氢技术的关键核心部件为电解槽，未来针对核心部件材料的主要研究方向为提高电极和隔膜材料的性能，具体包括：

1）开发低过电位、大电流密度、长寿命的一体化电极，降低析氢过电位，提高制氢电流密度。

2）开发高亲水性、低电阻、长寿命的隔膜材料，提升低功率工作条件下氢气和氧气的纯度，降低高电流密度工作条件下的制氢能耗；开发适用于宽功率波动的电解槽隔膜材料。

3）突破低电耗电解槽模块和系统集成技术；优化极板结构，采用先进加工技术制备网状、波纹状等新型高性能极板，降低接触电阻，同时使碱液分布更均匀，提高极板的电流密度和产氢效率；开展电解槽的模块化扩展，优化模块组合结构，在提高单元电解槽产氢能力的同时，降低单位产氢量的设备投资成本。

1.2" PEM电解水制氢技术

国外的PEM电解水制氢技术起步较早，自1966年通用电气公司首先推出第1台实用性的PEM电解槽，至今已有50多年的发展历史[5]。该技术中，固体质子交换膜被用作电解质（质子导体）[6-7]，不仅透气性低、导电性高，而且厚度薄。PEM电解水制氢的原理示意图如图2所示。

由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此该设备对贵金属催化剂的需求较高，比如：以Pt/Pd作为阴极的析氢反应（HER）[8]和IrO2/RuO2作为阳极的析氧反应（OER）[9]，这使PEM电解水制氢技术的成本比AWE制氢技术的成本更高。因此，降低生产成本并保持高效是PEM电解水制氢技术的主要挑战之一。

目前，PEM电解水制氢设备价格约为AWE制氢设备价格的3～5倍，且中国PEM电解水制氢设备主要依赖进口，进一步导致其使用成本居高不下。因此，中国PEM电解水制氢技术的未来发展趋势是进行自主化、低成本PEM电解槽及系统的开发，通过核心技术开发和规模化生产大幅降低设备成本，形成拥有自主知识产权的低成本产品链，打造超大规模可再生能源电解水制氢储能系统。

1.3" SOEC制氢技术

SOEC制氢技术是在20世纪80年代由Donitz和Erdle首次提出[10]。SOEC制氢技术是在500～850 ℃的高温和高压条件下进行，并以蒸汽的形式利用水；电解过程通常使用氧离子导体氧化钇稳定氧化锆，其原理示意图如图3所示。

目前，在固体氧化物燃料电池中已经开发和研究了一些陶瓷质子导电材料，而将陶瓷质子导电材料应用于SOEC制氢过程中也越来越受到人们的关注，因为这些材料在500～700 ℃温度条件下比氧离子导体具有更高的制氢效率和离子导电性[11]。

SOEC制氢技术采用固体氧化物电解质，具有良好的热稳定性和化学稳定性，整个系统在高温下电解的电压较低，能量消耗较少，且系统制氢效率较高。尽管如此，该技术仍存在阴极和阳极材料在高温下稳定性差和退化的问题，这些问题在该技术大规模商业化应用之前必须得到解决。

1.4" 小结

氢气制取是氢能产业发展的基础，通过可再生能源电解水制绿氢是最具前景的制氢方式之一。但目前与化石能源重整制氢技术相比，电解水制氢技术的制氢效率低、成本高一直是制约其发展的瓶颈。综合对比以上3种电解水制氢技术可以得出：

1） AWE制氢技术是商业化应用最广泛的技术之一，其成熟度高、成本低、长期稳定性好；但该技术的电流密度低、制氢装备体积大、使用腐蚀性电解液，且动态响应速度慢。

2） PEM电解水制氢技术已初步实现商业化，其不仅电流密度高，制氢装备体积小、重量轻，且动态响应速度快，制备的产品氢的纯度高；但由于该技术采用贵金属作为催化剂，导致其使用成本大幅增加，而且质子交换膜和催化剂等核心材料和技术仍有待进一步突破。

3） SOEC制氢技术的制氢效率最高，安全无污染；但该技术的可靠性低、工作温度高，目前仍处于实验室研发阶段，核心技术亟待突破。

2" 氢气的储存

氢气的高效、安全储运一直是氢能产业链中的关键环节。目前，氢气的储存方式主要包括高压气态储氢、低温液态储氢及固态储氢等。

2.1" 高压气态储氢

高压气态储氢是将压缩氢气以物理方式存储在高压罐中，储氢量与气体压力成正比，当气体压力增大时，体积能量密度增大。高压气态储氢主要应用于固定式高压气态储氢和高压气态运氢[12]。目前，该储氢方式的研究和开发重点是如何在提高储氢安全性的同时降低其成本。固定式高压气态储氢中，固定式储氢容器采用何种形式目前尚未形成共识，国内外研发了多种固定式储氢容器，主要包括全多层钢制高压储氢容器、大容积钢制无缝储氢容器、纤维缠绕复合材料储氢容器等。高压气态运氢一般采用长管拖车，运氢量较低，为了提高单车储氢罐的运氢量，已经将单个钢瓶的工作压力进一步提高到30～45 MPa，单车运氢量可提高至700 kg。

高压气态储氢的操作简单、技术相对成熟，但仍存在安全性较差的弊端。

2.2" 低温液态储氢

在低温液态储氢方面，目前的研究主要集中在复合储氢罐材料的开发上，以获得更轻、更坚固的储氢罐[13]。国内外在材料、器件、装备、系统等各方面均取得了一定的研究进展。国际上，已开发出超低温氢气吸附剂和多层真空绝热材料；已开发出具备可承受30 t/天氢液化能力的正仲氢转化催化剂技术；已开发出可用于液氢环境的储氢容器材料和支撑材料[14-15]。与高压气态储氢相比，低温液态储氢的储氢密度明显提升[16-17]，尽管该技术看起来非常有前途，但仍需要解决氢的吸收和释放、氢液化率高导致能量损失大、氢蒸发和储氢罐成本等问题[18]。同时，尚欠缺建立液氢储氢加氢站，液氢增压泵、潜液泵集成装置等方面的技术，以及其性能评价测试方法和体系。

2.3" 固态储氢

高压气态储氢的危险性较高，且体积储氢密度低，相比之下，低温液态储氢技术虽然增加了体积储氢密度，但需要将氢气冷却到-253 ℃。而固态储氢通过固态储氢合金材料可以实现在低温中压下吸收氢气，在加热时放氢[19]。通过化学反应，氢可以在高密度和低压下储存在金属氢化物中，安全性更高[20]。不同固态储氢合金材料的储氢性能如表2[21]所示。

从表2可以看出：大多数常用的低温固态储氢合金材料（例如：AB5、AB2、AB）的特征是质量储氢密度在1.5～1.9 wt%。而在Ti-Cr-V体系的基础上，使用BCC固溶体合金可以达到2.50 wt%的质量储氢密度。一些AB2型固态储氢合金材料可用于高压和零下温度条件下充氢的“混合”储氢系统[22]。基于MgH2的固态储氢合金材料具有明显更高的质量储氢密度，但需要较高的操作温度，限制了其应用。

AB5和AB2型固态储氢合金材料是最常用的储氢材料，通常用于储氢、向燃料电池系统供氢[23]，以及氢气压缩应用[24]。主要原因在于这些类型材料的氢吸附性能可通过其组成的微小变化而调整，进而使这些材料的压力和温度操作性能与应用条件保持一致。AB5型固态储氢合金材料具有易活化、吸氢和脱氢动力学快、在循环加氢/脱氢过程中吸氢性能稳定性较高的特点。与AB5型固态储氢合金材料相比，AB2型固态储氢合金材料不易活化，因此为了促进其活化，可以在固态储氢合金材料中掺入少量稀土元素（～1 at%）[25]。

2.4" 小结

目前所有的储氢技术都存在不足，具体包括：热管理系统复杂、储氢效率低、催化剂昂贵、稳定性差、响应速度慢、操作压力高、储氢密度低、存在剧烈和不受控制的自发反应的风险。理想的储氢介质应具有高的体积和质量储氢密度、燃料的快速吸收和释放、可在室温和常压下操作、可安全使用，以及平衡的成本效益等特点。通过对比以上3种储氢方式可以得出：

1）高压气态储氢是目前最成熟、应用最广的储氢方式，但其储氢密度较低，且存在较大的安全隐患。

2）低温液态储氢具有单位质量和单位体积储氢密度大的绝对优势，但目前其储存成本过高，主要体现在液化过程耗能大、对储氢容器的绝热性能要求极高两个方面。

3）与上述两种储氢方式相比，固态储氢有巨大潜力，不仅安全性高、成本低，而且单位体积储氢密度大。但该储氢方式目前仍处于技术攻关阶段，还存在一些问题亟待解决，研究人员正在努力合成热力学性能好、脱氢反应温度低、吸放氢反应动力学快、质量储氢密度大的固态储氢合金材料。

3" 氢气的输送

氢气可以通过容器和管道以液体、气体和金属氢化物的形式进行运输。对于储存在金属氢化物中的低压氢，只能进行短距离和少量的输送，而大量的液氢则需要通过管道输送和分配。管道长度从1 km到数百公里不等，操作压力为10～30 bar，可以通过利用现有的天然气管道来实现，这些管道具有以下优势：1）地理范围广；2）互联互通；3）容量大；4）完善的维护和控制结构；5）完善的安全程序、电网管理和运营策略；6）广泛的公众接受度。

输氢管道主要由钢铁和聚乙烯制成，特别是针对输氢过程需要开发新的涂层来避免钢管道脆化。在更高的掺氢环境下，还需要适应终端用户系统。对于本地居民用户，20%的氢气浓度可以安全地应用于现有的家用电器；但对于工业用户，特别是工业燃烧应用，则需要单独进行掺氢比例的研究[26]。

氢能输送技术的发展以低成本为导向，可根据运输距离和运氢规模，灵活运用长管拖车、低温液氢、有机液体、管道输氢等储运方式。针对管道输氢方式，未来需要重点研究富氢天然气对典型管材、终端用户系统的影响规律；明确现役天然气管道的掺氢比例，建立掺氢天然气管道的相关标准体系与安全运行技术体系；研究纯氢条件下管道材料的性能指标要求，建立纯氢管道的相关标准体系及安全运行技术体系。

4" 氢气的应用

考虑到氢的高储能性，近年来氢储能得到了蓬勃发展，其可以满足从短期系统频率控制到中长期能源供需平衡的大时间尺度范围内的储能需求[14]。通过氢储能，氢能可以采用“电-氢-电”模式，发挥氢电耦合协同作用，实现电力调节作用[27-28]。

氢燃料电池技术是实现氢电耦合的重要体现，也是氢能应用的主要技术之一。预计到2030年，氢燃料电池汽车的销量将占全球汽车总销量的3%，到2050年这一比例可能达到36%。几家公司正在开发具有更高质量和可靠性的氢燃料电池动力系统，加速其在汽车市场的商业化。例如：丰田Mirai燃料电池汽车已经使用了量产的质子交换膜燃料电池，其体积功率密度为3.1 kW/m3，最大输出功率为114 kW，其中1.6 kWh的镍氢电池并联连接，以处理再生制动，并在加速等高功率需求时提供辅助[29]。目前大多数商用氢燃料电池汽车的储氢系统采用的是高压压缩氢燃料箱，例如：本田Clarity燃料电池汽车和现代NEXO燃料电池汽车均使用了这种燃料箱；而宝马氢能7系装备了液氢油箱[29]。

除了在汽车上应用外，近年来氢燃料电池在船舶上也有广泛的应用。船舶航行造成的高污染约占全球温室气体排放总量的2.5%，这使航运业转向采用更加可持续的能源，即氢能。与采用常规电池驱动的船舶相比，氢燃料电池能够为航行相对较远的船舶提供动力，并满足大型船舶的辅助能源需求。

5" 结论及展望

本文对氢能全产业链中“制—储—输—用”各环节的关键技术及发展现状进行了梳理，针对氢能利用关键技术提出了相关建议。在“双碳”目标下，氢能在工业、运输、建筑、发电等领域的节能减排、产业绿色升级转型方面发挥着重要作用。作为连接化石能源和清洁能源的纽带，氢能具有环境友好、绿色低碳、清洁高效等优点，是未来能源转型的重要方向。在氢气的制取、储存、运输和应用全产业链中，多种氢能利用关键技术相互配合，形成产业集群。中国氢能产业发展已逐步形成完整产业链，但相关技术瓶颈，例如：电解水制氢成本、电堆性能及寿命、固态储氢及低温液态储氢、质子交换膜燃料电池技术，仍限制着氢能产业的进一步发展，亟待突破。

展望未来中国氢能产业的发展，一方面要突破关键技术与核心材料的研发；另一方面要充分发挥氢电耦合协同作用，实现可再生能源无法并网电力的消纳，加快构建新能源体系。

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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

基金项目：国家重点研发计划（2021YFB4000300）

通信作者：郝雷（1980—），男，博士、正高级工程师，主要从事制氢与气体纯化关键材料与技术，以及燃料电池氢源系统集成技术方面的研究。haolei@grinm.com