摘要：介绍了传统制氢技能的系统概略，侧重总述了当时干流的绿色制氢要害技能，并在此基础上，比照不同先进制氢技能的优势和短少，深入剖析了其在制氢配备、技能、经济及规范系统等方面存在的瓶颈和壁垒，一起指出推进制氢工业有序展开的相应对策，最终指明晰我国绿色制氢技能的展开远景。

  氢能是一种二次动力，有必要经过化学进程由存在于化合物中的氢元素转化而来。我国是氢气（H2）出产大国，2021年我国氢气总产值超越3000万t。当时我国H2首要用于化工范畴，其间化石燃料出产的H2占了将近80%，而电解水及其他绿色制氢技能所制H2总量短少1%。现阶段，我国动力央企纷繁将构建氢能供应系统作为重要的展开方向。国家电投、我国石油及我国石化等国家动力巨子，结合本身优势挑选不同的技能道路，相继着手在国内布局氢能出产和供应，中船重工及部分民企制氢技能和设备已具有商业化推行条件。除此之外，我国企业及科研院所也在积极探索其他新式制氢技能或贱价制氢技能，但距其工业化运用还有适当长的一段路要走。

  在传统制氢办法中，煤与天然气重整等化石动力制氢是如今工业制氢的干流。当时化石动力制氢工艺老练，可用于大规划工业出产，且质料价格相对低价，但氢气制备进程中会排放很多CO2和污染物。工业副产氢则会集散布于化工、冶金等范畴，其间煤气化制氢（图1）规划较大，技能相对老练，且本钱低价，但却面对污染大、制氢纯度低一级瓶颈。氯碱副产制氢因其经济、操作简略、纯度高级特色，具有较好的运用潜能，但也存在产氢量小且产能涣散的问题。化石动力制氢具有较高的碳排量，其间煤制氢碳排量最高，制取1kg H2的碳排量超越20kg CO2。现在我国电力大部分来自火电，因而碳排放很高，乃至超越煤制氢。近年来，跟着化石动力制氢耦合碳捕集技能的展开和完善，碳排放强度会大起伏下降，但仍高于可再生动力制氢，且带来较高的碳捕集本钱。

  现阶段，常用的电解水制氢技能包含碱性电解水制氢、质子交流膜电解水制氢及固体氧化物电解水制氢三大类。

  碱性电解水（AWE）制氢设备由电解槽与辅佐系统构成，以KOH为电解液、多孔膜为隔阂，在直流电的影响下将H2O分化为H2和O2。碱性电解水制氢的长处是不需要贵金属作为催化剂，本钱相对较低，配备技能老练，产品耐久性好，执役寿数可达30年。缺陷在于所需的隔阂较厚，电阻较大，制氢的作业电流低，设备体积大等。此外，因为多孔膜透气性强，需有用确保电解槽两边的压力平衡。更重要的是，碱性电解液会与空气中的CO2反响，构成难容性的碳酸盐（如K2CO3、Na2CO3等）。

  质子交流膜（PEM）电解水制氢选用的质子交流膜很薄、电阻较小，可在高功率前提下接受较大的电流，因而设备体积和占地面积都远小于碱性电解水设备。一起因为PEM电解水选用不透气的膜，可接受更大的压力，无需两边严厉的压力操控，可做到快速启停，功率调理的起伏和呼应速度也远高于碱性电解水。当时国外PEM制氢技能已较为老练，进入商场化运用前期。普顿、西门子、ITM Power等代表性企业已相继散布了兆瓦级PEN电解水系统产品，大力推进了其规划化运用。我国PEM制氢工业展开相对滞后，虽部分企业已构成具有较高自主化程度的制氢样机，但还存在质子交流膜等要害资料的“卡脖子”问题。后续应加大力度攻关低本钱催化剂和气体涣散层等要害技能，进步要害设备的功率与寿数。

  固体氧化物（SOEC）电解水制氢是一种高温电解水技能，操作温度为700~1000℃，其结构由多孔的氢电极、氧电极和一层细密的固体电解质组成。因为其作业温度高，能够大大增加反响的动力，一起可大幅下降电能耗费。在某些特定场合，如高温气冷堆、太阳能集热等，SOEC电解水制氢技能有较大的发挥空间。SOEC电解水制氢技能在电耗等方面具有不小优势，但仍存在运用温度高、投入大、启停慢、循环寿数低一级技能壁垒，尚处于室内验证阶段，未完成商场化推行。现在除固体氧化物电解水外，AWE和PEM制氢都已取得规划化运用。

  现在，已存在的太阳能分化水制氢包含光催化法制氢、光电化学法制氢及固光热分化法制氢三大类。

  光催化制氢的原理是使用光催化剂的吸光特性，完成光解水反响。光催化剂在光照的作用下可发生必定数量的光生电子和空穴，可将吸附在催化剂外表的H2O分子还原为H2（图2）。光导体资料应具有的特别功能应包含：①太阳光呼应规模广；②电子和空穴别离功率高；③适宜的外表反响活性位；④耐久性强等。光催化制氢具有光催化资料易得、制氢系统简洁、本钱低一级优势，具有宽广的运用远景。但光催化剂现阶段还处于演示研制阶段，普遍存在制氢功率低、光激电子-空穴对易复合等难题，与商业化运用仍有较大间隔。

  光电化学（PEC）制氢在分化水进程中，可发生很多的载流子，可完成强光条件下和强电解质中的长时间耐久性。迄今为止，已研制的PEC制氢光电极资料包含：GaAs、InGaN、MoS2及金属硒化物等。MoS2因具有经济、组成流程简易及杰出的光电效应等特性，制氢作用最好。经很多实践证明，经改性后的MoS2资料制氢功能更优，经过引进高功能碳资料，能够大幅增加MoS2外表的活性位点，一起显着改进其电学功能。

  早在1971年，Ford等便首要报导了直接光热分化制氢工艺，其首要原理为：在光照下使系统温度到达2000K以上，一步到位直接获取H2和O2，最终再使用别离设备获取纯氢。因而，光热分化制氢（TWSC）的中心在于杰出的抗温资料和有用的气体别离设备。为显着改进TWSC制氢的成效和纯度，研讨人员提出了上百种太阳能热化学制氢办法，包含HyS、Cu-Cl及S-I等TWSC制氢技能。而Cu-Cl制氢因其产氢纯度高、污染小、节省等优势，已成为当下TWSC制氢的干流。Pal等于21世纪初树立了Cu-Cl制氢模型，并成功运用于全年光照足够的Algeria区域，现场成果显现，该模型的太阳能使用功率高达93%，年制氢量打破82 t/a。

  当下干流的热化学制氢技能有生物质催化气化、生物质重整及生物质热解制氢等，其工艺流程如图3所示。生物质催化气化制氢的研讨重点是进步产品中的H2纯度，因为气化进程中还发生H2S、HCl、碱金属等微量杂质，反响器中需参加吸附剂加以处理。生物油重整制氢最早由美国NREL于1997年报导，其经过生物质热裂解取得生物油，再结合水蒸气重整然后完成制氢。经过多年的创新和展开，已成为一项无足轻重的制氢技能。与前者比较，生物质热解制氢展开至今，技能老练度已相对老练，当时全世界已有多套商业化运作的生物质热解设备。与其他制氢技能比较，热化学制氢优势显着，但也存在必定的技能瓶颈，如热化学制氢本钱高，混合产品中氢含量低，含有很多的CO、H2S及焦油等杂质。这些杂质均会对燃料电池发生必定的危害，因而混合产品合适作为燃料或工业质料，不合适于燃料电池等高纯氢运用场景。

  生物法制氢系统包含暗厌氧菌发酵、光合生物及其耦合制氢等。暗厌氧菌发酵制氢是经过厌氧细菌在氢化酶的作用下完成有机物分化然后获取H2，此进程可完成无光能产氢。光合生物制氢则是以光能为反响条件，利于微藻等光合微生物分化水产氢。该技能制氢使用的动力既有生物能也有光能，因而光发酵制氢功率一般高于暗发酵。光合-发酵耦合技能可兼具暗发酵与光合生物制氢的优势，不只能够在必定程度上削减光能需求，一起可大幅增加H2的产值，是生物法制氢的首要展开方向。

  核能到氢能的转化有多种途径，能够使用核能发电进行电解水制氢，也可使用核反响堆发生的热来制氢。核能发电制氢与一般电解水制氢技能相同，而使用核反响堆发热制氢是未来运用远景宽广的制氢技能，其制氢原理见图4。甲烷蒸汽重整（SMR）是工业上首要的制氢办法，使用核反响堆发生的热作为蒸汽重整的热源时，可显着下降进程所需甲烷气量和本钱。但该技能仍归于化石动力制氢，会发生很多的温室气体，不利于推进碳中和进程。高温电解制氢是以核反响堆发生的高温蒸汽为质料，电耗可降至2.8kWh/m3，远低于传统制氢，但现在仍面对技能不行老练和高本钱等壁垒。而热化学循环分化水制氢则是使用核反响的产热直接制氢，因为反响需在2500℃以上的高温下进行，难以实践运用，怎么使用热循环将反响温度操控在合适的规模内是未来该范畴的主攻方向。

  因为海水的成分杂乱且短少行之有用的催化剂，直接电解海水会导致制取H2时副反响竞赛、催化剂失活、隔阂阻塞等问题。基于此，许多专家和学者提出了不同的直接海水制氢技能。有研讨者选用固体氧化物电解技能对海水进行电解，将海水首要转化为高温水蒸气再电解，大部分海水中的杂质不会接触到电解设备，因而电解功率相对较好，但因为固体氧化物电解技能展开滞后，且经济性差，在全球规模内的活跃度相对较低。海水淡化-电解制氢是如今海水制氢技能的干流，其先经过处理技能将海水进行淡化，在结合老练的淡水制氢技能来制取H2。从多方面考虑，海水淡化制氢都具有显着优势，但因为受相关技能条件的约束，该技能尚处于实验室阶段，与实践运用还有很长的间隔。

  近年来世界各国对电解水制氢、生物质制氢及核能制氢等工艺进行了很多研讨，绿色制氢办法正朝着多样化方向展开，各种新式制氢技能蔚成风气，在推进全球氢能资源的使用中扮演侧重要的人物，不同绿色制氢技能在适用条件、运用作用及本钱投入等方面不尽相同，其各自工艺特色如表1所示。

  新式绿色制氢技能虽在许多方面都体现出必定的优势，但因为相关技能条件的局限性，在运用进程中必然会有不少实践问题存在。（1）首要是制氢配备及技能方面，国内虽已有相关企业展开相应的技能研制，但均处于小批量试制阶段，没有构成老练的制氢工艺出产线，相关中心技能老练度低，系统设备国产化程度不高。（2）其次是经济性方面，高投入本钱仍是约束部分绿色制氢技能展开的最大要素，加之多数制氢工艺需增加后续的氢提纯技能，以获取高纯度H2，怎么有用降氢本钱是未来制氢范畴的首要展开方向。（3）最终是规范系统方面，当时我国制氢工业单一、涣散，要害技能指标多有短少，强制性国家规范较少，已难以适应制氢工业规范化的需求。

  加强对制氢中心技能的研制力度，最优化进步制氢技能功率的一起，有用改进光催化剂、反响器等要害资料的耐久性，然后完成H2产值的最大化。聚集低本钱催化剂、气体涣散层等要害技能的进步，进步制氢设备功率和寿数的一起，加速完成低本钱化制氢、产氢及提纯，最大化完成降本增效。打破传统制氢规范化作业形式，树立系统完好的制氢工艺工业链，赶快补偿制氢规范化作业与技能展开间的短板，缩小与美日等国老练规范系统的距离。

  新式绿色制氢虽然在很多方面都具有显着的优势，但因为受能耗、本钱等方面的约束，部分技能没有在实践出产中得以运用，要想真实完成绿色低碳制氢并非易事。主张从不同视点动身，多管齐下，一起推进我国绿色制氢工业的有序展开。其一：增强国际合作，结合我国绿色制氢工业现状，积极展开合适本国国情的革新性制氢技能的研制。其二：深度学科穿插，集成反响动力学、热力学、气体别离及资料耐久性等多门学科，赋予制氢工艺方针性和高效性。其三：理论实践并重，加强先进制氢技能的实用性点评和经济可行性剖析，室内验证、商场实践两手抓，为推进我国绿色制氢工艺规划化运用供给有力支撑。