氫能是全球能源技術(shù)革命的重要發(fā)展方向，也是可持續(xù)和安全的能源未來重要的組成部分。加快發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，不僅可以應(yīng)對全球環(huán)境危機(jī)，還可以保障能源供給，實(shí)現(xiàn)國家能源的可持續(xù)性發(fā)展。根據(jù)IEA公布的《氫能源未來發(fā)展趨勢報告》，預(yù)計(jì)到2050年，氫能源的消耗量將會是目前消耗量的10倍。世界各國都在大力發(fā)展制氫技術(shù)，占領(lǐng)國際氫能源的制高點(diǎn)。

利用可再生能源替代化石燃料的制氫是清潔、高效制氫的未來發(fā)展趨勢，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制備-儲運(yùn)-加注-應(yīng)用四個環(huán)節(jié)中，制氫是龍頭，氫能產(chǎn)業(yè)前景可期，要科學(xué)合理地選擇制氫工藝路徑，必須從源頭以滿足環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的要求，實(shí)現(xiàn)氫能的供給。

1 制氫方式發(fā)展趨勢

制氫技術(shù)處于氫能發(fā)展的上游，目前主流的綠色制氫技術(shù)主要有電解水制氫、生物制氫、太陽能制氫等。據(jù)中國氫能聯(lián)盟，我國氫能制取的遠(yuǎn)期目標(biāo)是到2050年實(shí)現(xiàn)持續(xù)利用可再生能源電解水制氫，大力發(fā)展生物制氫、太陽光解水制氫。

1）電解水制氫技術(shù)

目前主流的制氫方式是煤氣化制氫、天然氣制氫。從成本角度看，煤氣化制氫成本最低，已存在利潤空間，電解水制氫僅占4%，制約電解水制氫技術(shù)發(fā)展的主要因素是成本過高、收益為負(fù)；從綠色環(huán)保角度看，電解水制氫低碳、可持續(xù)，相較于目前主流制氫技術(shù)，是可持續(xù)和低污染的，是理論上最理想的制氫技術(shù)，符合可持續(xù)發(fā)展的國家政策。

未來制氫技術(shù)的發(fā)展主要受技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等因素影響。國際能源署發(fā)布最新報告顯示，預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源制取氫氣成本可能下降30%?？稍偕C合能源利用發(fā)展迅速，制氫方式也不斷增加，但未來制取氫氣的方式仍然為電解水制氫技術(shù)，其發(fā)展前景廣闊，到2050年，可再生能源發(fā)電電解水將成為主流制氫技術(shù)。

2）生物質(zhì)能制氫技術(shù)

生物制氫原料來源廣且沒有污染，反應(yīng)環(huán)境是常溫常壓，生產(chǎn)費(fèi)用低，完全顛覆了傳統(tǒng)的能源的生產(chǎn)過程。作為一種環(huán)境友好型可再生能源，如果能夠利用生物質(zhì)能實(shí)現(xiàn)制氫的工業(yè)化，不僅對能源的優(yōu)化利用有積極作用，而且可以減少環(huán)境污染。生物制氫技術(shù)是一種高效產(chǎn)氫的生物工程技術(shù)，整個過程將存儲在自然界有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、植物中碳水化合物）中的能量釋放出來，通過細(xì)菌的作用產(chǎn)生氫氣。

生物制氫的途徑主要有光解水、光發(fā)酵、暗發(fā)酵產(chǎn)氫和光暗耦合發(fā)酵等。幾種生物制氫方法的比較見表1。生物制氫優(yōu)點(diǎn)眾多，比傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法更加節(jié)能，可再生和低消耗，是未來規(guī)?；a(chǎn)氫的重要途徑。

3）太陽能制氫技術(shù)

最近，在眾多的可再生能源制氫的技術(shù)中，研究人員正在重點(diǎn)開發(fā)太陽能制氫這項(xiàng)新技術(shù)。目前太陽能制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要途徑有光化學(xué)制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫等。幾種太陽能制氫技術(shù)的方法比較見表2。

隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)熱化學(xué)制氫技術(shù)在光照條件下可以利用光催化劑降低對溫度的要求，提出了一種熱化學(xué)循環(huán)制氫方法。光催化法制氫是在光照催化劑的作用下，使水分解制的氫氣。光催化分解水制氫技術(shù)目前研究工作主要是從改進(jìn)催化劑性能來提高產(chǎn)氫效率。

石墨烯具有超強(qiáng)的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及透光性，而且價格低廉、制氫效率高，對石墨烯進(jìn)行改造給未來低成本制氫提供很大的希望。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，廢水中的有機(jī)物可以通過自身的電子給體實(shí)現(xiàn)太陽能制氫和太陽能去污，其過程只需要簡單地將廢水處理與光催化制氫結(jié)合，所以這也是未來的發(fā)展方向之一。

太陽能制氫技術(shù)還在初步的研究階段，隨著資金大量的投入，對技術(shù)的開發(fā)和進(jìn)步必將越來越快，光催化劑制氫技術(shù)能進(jìn)一步完善、生物制氫的效率進(jìn)一步提高的希望也會更大，前景十分廣闊。

表1 生物質(zhì)能制氫技術(shù)對比

表2 太陽能制氫技術(shù)對比

2 儲運(yùn)氫方式發(fā)展趨勢

高效利用氫氣的關(guān)鍵在于氫氣的儲運(yùn)，同時它也是影響氫能向大規(guī)模方向發(fā)展的重要因素。因此，對氫氣儲運(yùn)技術(shù)的研究成為重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)階段儲存氫氣的途徑主要有：多孔材料及金屬合金等物理類固態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、深冷液化儲氫等。

目前氫氣儲運(yùn)主要以氣態(tài)為主，主要是因其成本低、簡便易行、充放氣速度快，但安全隱患系數(shù)較高。低溫液態(tài)儲氫技術(shù)發(fā)展緩慢，該技術(shù)存在難度系數(shù)大、液化成本高、能耗大和絕熱材料成本高等弊端。

而固態(tài)儲氫方式優(yōu)勢眾多，操作方便，是三種方式中最具發(fā)展前景的儲氫方式，也是儲氫技術(shù)研究內(nèi)容中前沿的方向之一。隨著未來儲氫合金的使用過程更加便利，成本更加低廉，其有望成為未來主要的儲氫方式。

此外，隨著研究的深入，出現(xiàn)了無機(jī)物儲氫和有機(jī)物儲氫。無機(jī)物儲氫是通過化學(xué)鍵與離子型非金屬氫化物（如絡(luò)合金屬氫化物NaBH4、NH3BH4等）相互作用進(jìn)行氫氣的存儲，釋放的過程和儲氫合金原理相似，存儲在其中的氫氣以加熱的方式釋放。

有機(jī)物儲氫是指利用苯或甲苯等液體與氫反應(yīng)生成環(huán)乙烷，這種儲存運(yùn)輸氫氣的方式不依靠耐高壓和低溫裝置，釋放時進(jìn)行的脫氫反應(yīng)需要催化劑，這也將是未來一項(xiàng)備受關(guān)注的儲氫技術(shù)。

3 氫能應(yīng)用發(fā)展趨勢

氫氣在提供清潔、安全、可靠和豐富能源方面有著巨大的發(fā)展前景，且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，作為工業(yè)原料，可用于石油煉制、合成氨、甲醇等生產(chǎn)領(lǐng)域，少量用于鋼鐵、玻璃、電子、航空等工業(yè)領(lǐng)域。

此外，還可用于交通領(lǐng)域，正在開發(fā)的氫燃料電池汽車行業(yè)剛剛起步，截至2018年底，全球FCEV（燃料電池電動汽車）庫存達(dá)11200輛，當(dāng)年銷量約為4000輛（比2017年增長80%），預(yù)計(jì)到2030年，燃料電池汽車行業(yè)將實(shí)現(xiàn)大幅發(fā)展，預(yù)測趨勢如圖1所示。

圖1 2018~2030年部分國家燃料電池汽車

目前我國氫能發(fā)展已提升到戰(zhàn)略層面，但仍存在成本高、安全性待突破、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱等問題，早期應(yīng)以本地消納為主，優(yōu)先發(fā)展加氫示范基礎(chǔ)設(shè)施及氫氣燃料電池等，逐步由本地化走向區(qū)域化，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)培育及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)積攢經(jīng)驗(yàn)。

隨著可再生能源系統(tǒng)的大規(guī)?；瘧?yīng)用，燃料電池制作成本的大幅度下降，國內(nèi)燃料電池車、加氫站將有較大增幅，我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)將會以氫能為主要組成部分，國家的“能源獨(dú)立”有望完成，氫能產(chǎn)業(yè)會從區(qū)域發(fā)展逐步拓展到各主要市場，依托全國天然氣管網(wǎng)的氫氣與天然氣混輸將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)行，包括氫能輸送管網(wǎng)和加氫站在內(nèi)的全國性基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基本形成。氫氣作為一種清潔能源，將在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

本文摘編自2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“可再生能源多能互補(bǔ)制-儲-運(yùn)氫關(guān)鍵技術(shù)綜述”，作者為李爭、張蕊 等。