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黃格省1，閻捷2，師曉玉1，盧紅1，鮮楠瑩1
（1.中國石油石油化工研究院，北京102206；2.中國石油蘭州石化公司，甘肅蘭州730060）
摘要：介紹了化學(xué)鏈制氫、生物質(zhì)制氫、利用棄風(fēng)/棄光電解水制氫、太陽能光催化分解水制氫等新型清潔能源制氫技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，對各種制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景進(jìn)行了分析。在氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，化石原料制氫（包括工業(yè)副產(chǎn)氫氣及化合物熱分解制氫）仍將是制氫技術(shù)中的主流工藝路線，而生物質(zhì)制氫、“綠電”電解水制氫、太陽能光催化分解水制氫等新能源制氫是化石原料制氫的重要補充，未來的氫氣生產(chǎn)將呈現(xiàn)化石原料路線和可再生原料路線優(yōu)勢互補、多元化并存發(fā)展的格局。為推動新型清潔制氫技術(shù)的快速發(fā)展，建議我國政府應(yīng)從國家層面持續(xù)做好頂層設(shè)計，對新能源制氫產(chǎn)業(yè)化項目給予產(chǎn)業(yè)政策扶持；國內(nèi)科研院所應(yīng)加強與企業(yè)的技術(shù)研發(fā)合作，加大開發(fā)綠色、低碳、低成本制氫技術(shù)，推動制氫技術(shù)進(jìn)步和氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速成長。
隨著全球氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫氣來源和制氫技術(shù)備受關(guān)注。傳統(tǒng)制氫技術(shù)主要包括煤制氫、天然氣制氫、重油制氫、甲醇等化合物制氫、煉廠重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫氣等多種方式。由于傳統(tǒng)制氫技術(shù)需要消耗煤、石油、天然氣化石原料，從長遠(yuǎn)來看原料資源供給不可持續(xù)，且制氫過程存在污染物和CO2排放量大的缺點。因此，如何對傳統(tǒng)制氫技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)、提升制氫效率、降低碳排放（如基于工藝過程簡單、能耗低、氫氣易于分離、CO2易于回收的化學(xué)鏈制氫技術(shù)），如何利用原料資源可持續(xù)、低碳、環(huán)保、高效的新型制氫技術(shù)（如基于原料資源可再生的生物質(zhì)制氫技術(shù)以及基于棄風(fēng)、棄光、棄水富裕電力與電解水制氫相耦合的“綠色”制氫技術(shù)），已成為當(dāng)前新能源汽車行業(yè)發(fā)展過程中重點關(guān)注和研究的熱點問題。
1化學(xué)鏈制氫技術(shù)
目前，全球工業(yè)化用氫主要來自于天然氣蒸汽重整工藝（我國主要采用煤制氫），但該工藝反應(yīng)條件需高溫（650~1000℃）、高壓（1.6~2.0MPa），為得到純氫還需要對產(chǎn)出的合成氣進(jìn)行復(fù)雜的后續(xù)水汽變換和氫氣、CO2分離工藝步驟，過程能耗高。1983年，德國科學(xué)家Richter和Knoche首次提出化學(xué)鏈燃燒（CLC）概念，之后研究者將CLC與蒸汽鐵法制氫相結(jié)合，即形成了化學(xué)鏈制氫技術(shù)，原理如圖1所示[1]。
化學(xué)鏈制氫反應(yīng)裝置由燃料反應(yīng)器、蒸汽反應(yīng)器、空氣反應(yīng)器共3個反應(yīng)器組成，全部過程按照3個步驟進(jìn)行氫氣的制取及CO2的捕集：在燃料反應(yīng)器中，燃料與載氧體（Fe2O3）發(fā)生反應(yīng)，燃料被完全氧化為CO2和水（將水蒸氣冷凝下來即可得到純凈CO2），同時載氧體被還原為還原態(tài)（FeO）；還原態(tài)的載氧體進(jìn)入蒸氣反應(yīng)器中，與通入的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，同時載氧體被部分氧化；部分氧化的載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器中，空氣將其完全氧化，并在空氣反應(yīng)器中除去反應(yīng)過程中產(chǎn)生的積炭等污染物。總的反應(yīng)結(jié)果是烴類水蒸氣反應(yīng)生成CO2和氫氣。
與水蒸氣重整制氫相比，化學(xué)鏈制氫的優(yōu)點主要包括5個方面：（1）裝置相對簡單，無需水汽變換裝置、氫氣與CO2提純分離裝置；（2）只需要載氧體1種固體顆粒，而傳統(tǒng)的水蒸氣重整過程需要包括水蒸氣重整、高溫水汽變換劑、低溫水汽3種變換催化劑及CO2吸附劑；（3）不需要復(fù)雜的氫氣凈化過程，只需將蒸汽反應(yīng)器出口的氣體直接冷凝即可得到純氫；（4）燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)溫度相對較低，且燃料不與氧氣直接接觸，幾乎無NOx生成，污染氣體排放少；（5）在燃料反應(yīng)器中，燃料燃燒產(chǎn)物主要是CO2和水蒸氣，經(jīng)過簡單冷凝即可得到純凈的CO2，不需要復(fù)雜的分離裝置，投資少，能耗低。
目前，化學(xué)鏈制氫過程中用到的燃料主要為氣體燃料（天然氣），只有少數(shù)研究涉及利用固體燃料（煤、石油焦、生物質(zhì)等）化學(xué)鏈制氫的可行性[2-3]。以煤為原料的直接化學(xué)鏈（CDCL）制氫工藝流程如圖2所示。AspenPlus模擬發(fā)現(xiàn)[4]：CDCL過程中在保持碳排放為零的情況下，制氫效率高達(dá)79%，發(fā)電效率可達(dá)50%；與傳統(tǒng)的煤氣化之后再經(jīng)水汽轉(zhuǎn)換過程制氫相比，能量轉(zhuǎn)換效率高出約20%。目前，針對固體燃料應(yīng)用于化學(xué)鏈制氫過程有2種方式：（1）先把固體燃料氣化，利用氣化產(chǎn)生的還原性氣體進(jìn)行化學(xué)鏈制氫；（2）直接利用固體燃料作為還原性物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)鏈制氫[5]。
化學(xué)鏈制氫技術(shù)目前尚有諸多問題需要改進(jìn)：（1）制備性能優(yōu)異的載氧體，以期解決機(jī)械強度差、產(chǎn)氫量低、易燒結(jié)、易積炭、不耐高溫等問題；（2）化學(xué)鏈制氫反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化，重點解決載氧體在反應(yīng)器之間的循環(huán)方式以及反應(yīng)器之間的密封等關(guān)鍵問題，同時持續(xù)研究設(shè)計適用于液態(tài)、固態(tài)燃料的化學(xué)鏈制氫反應(yīng)器；（3）研究開發(fā)采用固體燃料作為化學(xué)鏈制氫原料的可行技術(shù)[6]。
2可再生能源制氫技術(shù)
2.1生物質(zhì)制氫
我國生物質(zhì)資源十分豐富，主要以農(nóng)林廢棄物和城市生活垃圾為主，利用生物質(zhì)原料制氫不失為一種具有良好發(fā)展前景的制氫技術(shù)路線。生物質(zhì)制氫技術(shù)主要有生物質(zhì)氣化制氫、生物質(zhì)熱裂解制氫、生物質(zhì)超臨界水轉(zhuǎn)換制氫以及微生物降解制氫等技術(shù)路線[7]。
2.1.1生物質(zhì)氣化制氫
生物質(zhì)氣化制氫是在1000℃以上的高溫條件下，生物質(zhì)與氣化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）在氣化爐中反應(yīng)，產(chǎn)生富氫燃?xì)狻Ｊ褂玫臍饣瘎┎煌瑲饣磻?yīng)產(chǎn)生的氣體和焦油收率也不同。氣化制氫技術(shù)具有工藝流程簡單、操作方便和氫氣產(chǎn)率高等優(yōu)點。生物質(zhì)氣化制氫在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生焦油，焦油的產(chǎn)生不僅降低反應(yīng)效率，還會腐蝕和損害設(shè)備，阻礙制氫的進(jìn)行。催化劑可以降低反應(yīng)所需的活化能，低溫下分解焦油，從而降低焦油含量。該工藝技術(shù)接近成熟階段，目前國內(nèi)運行的生物質(zhì)氣化裝置一般將生物質(zhì)高溫氣化后再發(fā)電，使生物質(zhì)的化學(xué)能先轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化為電能，如用于制氫僅需在氣化裝置后部增設(shè)相應(yīng)的水汽變換裝置和氫氣分離系統(tǒng)，所用主要技術(shù)均為常規(guī)技術(shù)。
2.1.2生物質(zhì)熱裂解制氫
生物質(zhì)熱裂解制氫是在500~600℃且隔絕空氣和氧氣的條件下，對生物質(zhì)進(jìn)行間接加熱，使其發(fā)生熱解轉(zhuǎn)化為生物焦油、焦炭和氣體，對焦油等烴類物質(zhì)進(jìn)一步催化裂解，得到富氫氣體并對氣體進(jìn)行分離即可獲得氫氣[8]。該工藝流程簡單，對生物質(zhì)的利用率高，制氫效率主要與反應(yīng)溫度、停留時間和生物質(zhì)原料特性有關(guān)。在使用催化劑的前提下，熱解氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)30%~50%[9]。在熱解過程中產(chǎn)生的焦油會腐蝕設(shè)備和管道，造成產(chǎn)氫效率下降。目前研究的熱點主要集中在熱解反應(yīng)器的設(shè)計、反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化、開發(fā)新型催化劑等方面，以提高產(chǎn)氫效率。該技術(shù)目前正處于工業(yè)試驗階段，國內(nèi)也已建有多套小規(guī)模工業(yè)示范裝置。
2.1.3生物質(zhì)超臨界水制氫
生物質(zhì)超臨界水制氫的技術(shù)原理是生物質(zhì)在超臨界水（374~650℃、22.1~25.0MPa）中經(jīng)歷熱解、水解、縮合、脫氫等一系列復(fù)雜的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生H2，CO，CO2，CH4等氣體，該技術(shù)的主要優(yōu)點在于超臨界水氣化過程前不需對原料進(jìn)行干燥預(yù)處理，有助于減少能耗。在實際反應(yīng)過程中，由于生物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜（主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成），在超臨界水中的水解產(chǎn)物主要是糖類（五碳糖和六碳糖）及酚類，之后再降解為較小分子的醇、醛、酸等物質(zhì)，最終降解為H2，CO等氣體，具體反應(yīng)過程如圖3所示[10]。近年來，國內(nèi)外科研人員對不同種類生物質(zhì)超臨界水氣化過程的轉(zhuǎn)化規(guī)律及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究，對反應(yīng)溫度、壓力、物料濃度、停留時間等工藝參數(shù)進(jìn)行了探索，獲得了大量相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但由于生物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)及反應(yīng)體系復(fù)雜，總體上仍處于試驗研究階段。
2.1.4微生物降解制氫法
微生物降解制氫法（也稱生物制氫法）是利用微生物降解生物質(zhì)得到氫氣的一種制氫方法。根據(jù)生物質(zhì)生長所需的能量來源，將其分為光合微生物制氫法和發(fā)酵生物制氫法。光合微生物制氫法是以太陽能為輸出能源，利用光合微生物（光合細(xì)菌和藻類等）將水或者生物質(zhì)分解產(chǎn)生氫氣。該方法的優(yōu)點是利用了取之不盡的太陽能，缺點是無法降解大分子有機(jī)物，太陽能轉(zhuǎn)換利用率低，氫氣產(chǎn)率低，可控制能力差，運行成本高，目前還處于實驗室研究階段。發(fā)酵生物制氫法是指發(fā)酵細(xì)菌（包括兼性厭氧菌和專性厭氧菌2類）在黑暗環(huán)境下降解生物質(zhì)制氫的一種方法。發(fā)酵生物制氫過程較光合生物制氫穩(wěn)定，發(fā)酵過程不需要光源，易于控制，產(chǎn)氫能力高于光合細(xì)菌，綜合成本低，易于實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
2.2電力電解水制氫技術(shù)
2.2.1傳統(tǒng)水電解制氫
利用水的電解制氫是指在電解槽中加入電解質(zhì)并導(dǎo)通電流（直流電），將水分子電解解離，負(fù)極析出氫氣，正極析出氧氣。作為一種傳統(tǒng)技術(shù)，電解水制氫技術(shù)設(shè)備簡單、無污染，所得氫氣純度高、雜質(zhì)含量少，適用于各種場合，缺點是耗能大、制氫成本高。根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水技術(shù)可分為堿水電解、固體氧化物電解和質(zhì)子交換膜（PEM）純水電解3種，技術(shù)參數(shù)對比如表1所列[11]。由表1可知，3種電解水技術(shù)各有優(yōu)缺點，相比較而言，堿水電解技術(shù)是目前商業(yè)化程度最高、最為成熟的電解水技術(shù)，國外技術(shù)商主要有法國Mcphy公司、美國Teledyne公司和挪威Nel公司，國內(nèi)代表企業(yè)主要有蘇州競立制氫、天津大陸制氫和中船重工718所。PEM純水電解在國外已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，主要技術(shù)商有Proton公司、Hydrogenics公司等，國內(nèi)對于該技術(shù)研究主要有中船重工718所、中電豐業(yè)、中科院大連化物所等單位。PEM純水制氫過程無腐蝕性液體，運維簡單，成本低，是我國今后需要重點開發(fā)的純水電解制氫技術(shù)。
2.2.2風(fēng)電/光電電解水制氫
由于利用化石原料制氫存在高能耗、高污染、工藝流程長且出氫純度低等缺點，而電解水制氫技術(shù)具有近零排放和產(chǎn)品純度高等優(yōu)勢，因此電解水制氫一直是行業(yè)重點研究的制氫技術(shù)之一。然而，由于電解水制氫需要消耗大量的電力，用于規(guī)模化制氫并不具備經(jīng)濟(jì)性，因此，基于最近幾年氫燃料電池汽車發(fā)展對低成本、規(guī)模化制氫技術(shù)的迫切需求，業(yè)內(nèi)一致看好采用風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源產(chǎn)生的富裕電力（也稱“綠電”）電解水制氫，從而有效解決棄風(fēng)、棄水、棄光現(xiàn)象，達(dá)到節(jié)約電力資源、調(diào)整電力系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)、并實現(xiàn)規(guī)模化制氫的目標(biāo)。2011-2018年我國棄風(fēng)電量及棄風(fēng)率（指棄風(fēng)損失電量占風(fēng)力發(fā)電總量的比例）情況見圖4[12-14]。
在風(fēng)電、光電制氫領(lǐng)域，德國最早引入可再生能源制氫并轉(zhuǎn)化為氣體燃料技術(shù)（P2G）的概念。德國、美國等多個國家較早開始探索該技術(shù)的實際應(yīng)用。目前僅歐洲已經(jīng)運營和正在建設(shè)的P2G項目已達(dá)45個。利用風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等的剩余電力（即調(diào)峰谷電及無法上網(wǎng)的富裕電力）電解水制氫，由于節(jié)約了化石資源，發(fā)電成本低，工藝路線低碳環(huán)保，被公認(rèn)為是目前與電解水技術(shù)耦合、實現(xiàn)大規(guī)模制氫的理想途徑，受到業(yè)內(nèi)普遍重視。
2018年10月，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合印發(fā)的《清潔能源消納計劃（2018—2020年）》中提出：探索可再生能源富余電力轉(zhuǎn)化為熱能、冷能、氫能，實現(xiàn)可再生能源多途徑就近高效利用。自2009年開始，國家電網(wǎng)率先開展了風(fēng)光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究和氫儲能關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究。2014年以來，中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)公司、河北建投投資集團(tuán)、國家電投集團(tuán)公司、國家能源集團(tuán)等相繼啟動了風(fēng)電或風(fēng)/光互補制氫及燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用項目，但由于國內(nèi)制氫裝置必須建設(shè)在化工園區(qū)以及發(fā)電過網(wǎng)等因素的影響，風(fēng)電制氫僅停留在示范階段（規(guī)模最大為10MW），商業(yè)化運行的經(jīng)濟(jì)性均面臨較大挑戰(zhàn)。當(dāng)前我國風(fēng)電/光電制氫項目運營進(jìn)展情況見表2[15]。按照當(dāng)前國內(nèi)各省份的風(fēng)電發(fā)電量并結(jié)合棄風(fēng)和消納情況，可直接制取55萬t氫氣。目前風(fēng)電制氫的成本仍然偏高，據(jù)行業(yè)人士測算，煤制氫成本不足1元/m3，而每生產(chǎn)1m3氫氣需要消耗電5.1~5.2kW·h，即便按棄風(fēng)發(fā)電價格為0.25元/（kW·h）計算，即使不計風(fēng)電設(shè)施投資折舊成本及運維成本，風(fēng)電制氫僅電的成本已達(dá)到1.25元，與煤制氫相比缺乏經(jīng)濟(jì)性[16]。
2.3太陽能制氫技術(shù)
在利用可再生能源制氫的技術(shù)中，太陽能制氫是近年來科研人員正在研究開發(fā)的一項新技術(shù)。目前利用太陽能制氫的方法主要有太陽能熱分解水制氫、太陽光催化分解水制氫、太陽光電電解水制氫、太陽能生物制氫等多種。
2.3.1太陽能熱分解水制氫
該技術(shù)是直接利用太陽能聚光器收集太陽能，將水加熱到2500K高溫下分解為氫氣和氧氣。太陽能熱分解水制氫技術(shù)的主要問題在于：高溫太陽能反應(yīng)器的材料問題和實現(xiàn)高溫下氫氣與氧氣的有效分離。由于太陽光的能量密度很低，首先需要將太陽能聚集。目前提出的聚焦裝置分為槽式、塔式、碟式和雙反射聚焦器共4種，后3種裝置可將能量密度提高500~1000倍，獲得1000~2000℃的高溫[17]。但如果要將水直接分解，需要的溫度在2500K以上[18]，這對聚焦裝置、反應(yīng)器以及產(chǎn)物分離材料都提出了極高的要求。隨著聚光科技和膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽能熱分解制氫技術(shù)得到快速發(fā)展。以色列科研人員對太陽能熱分解水制氫的多孔陶瓷膜反應(yīng)器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在水中加入催化劑后，水的分解可以分多步進(jìn)行，可大大降低加熱溫度，在溫度為1000K時的制氫效率可達(dá)50%左右[19]。
2.3.2太陽光電解水制氫
太陽光電解水制氫是由光陽極和陰極共同組成光化學(xué)電池，在電解質(zhì)環(huán)境下依托光陽極來吸收周圍的陽光，在半導(dǎo)體陽極上產(chǎn)生電子，之后借助外路電流將電子傳輸?shù)疥帢O上。水中的質(zhì)子能從陰極接收到電子產(chǎn)生氫氣。光電解水的效率受自由電子空穴對數(shù)量、自由電子空穴對分離和壽命、逆反應(yīng)抑制等因素影響。受限于電極材料和催化劑，目前研究工作得到的光電解水效率普遍較低（10%~13%）。澳大利亞莫納什化學(xué)院研究團(tuán)隊采用泡沫鎳電極材料，使電極表面積大大增加，可使太陽能光電電解水制氫效率達(dá)到22%[20]。
2.3.3太陽光催化分解水制氫
該技術(shù)基于紫外光照射TiO2時可以分解水的原理，當(dāng)半導(dǎo)體吸收光子后，價帶的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶并在價帶留下空穴h+，h+獲取水分子的電子，并把水氧化分解為氧氣和質(zhì)子H+，而電子與H+結(jié)合后放出氫氣。高效光解水催化劑必須具備合適的帶隙、良好的電子-空穴分離及傳輸能力，放氧放氫位具有高的活性，要求使用廉價的催化材料且具有良好的穩(wěn)定性和抗腐蝕能力。
該技術(shù)類似于太陽光電分解水制氫，不同之處在于光陽極和陰極并沒有像光電分解水制氫一樣被隔開，而是陽極和陰極在同一粒子上，水分解成氫氣和氧氣的反應(yīng)同時發(fā)生。太陽光催化分解水的反應(yīng)相比光電分解水，反應(yīng)過程大幅簡化，但由于水分解成氫氣和氧氣的反應(yīng)同時發(fā)生，同一粒子上產(chǎn)生的電子空穴極易復(fù)合，從而阻礙氫氣與氧氣的產(chǎn)生，所以抑制光催化逆反應(yīng)的發(fā)生是推動光催化分解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵。
自20世紀(jì)70年代，日本科學(xué)家利用TiO2光催化分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣以來，光催化材料一直是國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域[21]。經(jīng)過多年的研究，人們在半導(dǎo)體作為光催化劑的主催化劑和助催化劑研發(fā)、光生電子-空穴對的分離和傳輸機(jī)理研究以及放氧放氫反應(yīng)機(jī)理的研究方面均取得諸多進(jìn)展，光催化材料的太陽能轉(zhuǎn)換效率逐步提高，對光催化機(jī)理認(rèn)識逐步深入、表征手段快速發(fā)展，光催化材料種類也在不斷拓展，光催化技術(shù)正處于從實驗室研究邁向規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵階段。目前光催化技術(shù)的研究重點是：如何實現(xiàn)光催化材料帶隙與太陽光譜匹配，如何實現(xiàn)光催化材料的導(dǎo)價帶位置與反應(yīng)物電極電位匹配，如何降低電子-空穴復(fù)合提高量子效率，如何提高光催化材料的穩(wěn)定性等問題[22]。
3制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景分析
無論是化石原料制氫還是可再生能源制氫技術(shù)，均有各自的優(yōu)劣勢。幾種新型制氫技術(shù)與傳統(tǒng)化石原料制氫（包括工業(yè)副產(chǎn)氫及化合物熱分解制氫）技術(shù)的優(yōu)缺點比較見表3。
3.1化石原料制氫技術(shù)成熟，并且占據(jù)主導(dǎo)地位
從目前我國氫氣生產(chǎn)現(xiàn)狀看，氫氣產(chǎn)能已超過2000萬t/a，其中化石原料制氫占70%，工業(yè)副產(chǎn)氫占比將近30%，電解水制氫占比不到1%；從氫氣消費現(xiàn)狀看，基本上全部用于合成氨、合成甲醇以及煉油化工加氫生產(chǎn)過程。預(yù)計今后化石原料制氫仍將是實現(xiàn)大規(guī)模制氫的主體技術(shù)路線。但從長遠(yuǎn)看，由于我國油氣資源對外依存度逐年提高，采用化石原料制氫尤其是天然氣制氫、重油制氫（由于經(jīng)濟(jì)性不佳目前已經(jīng)基本淘汰）不僅原料來源不具有可持續(xù)性，而且碳排放量也較大。我國煤炭資源雖然比較豐富，而且近年來國內(nèi)大型煉化一體化項目配套建設(shè)的制氫裝置一般均采用煤制氫（少部分采用天然氣制氫），但煤制氫路線耗水量大、碳排放量大，在我國社會經(jīng)濟(jì)清潔低碳發(fā)展的大背景下，煤制氫和天然氣制氫都將受到制約，而工業(yè)副產(chǎn)氫例如煉油廠重整制氫、丙烷脫氫、乙烷裂解、焦?fàn)t煤氣和氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫氣路線，由于氣體來源廣泛、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)性高，無疑將會得到較快發(fā)展。
3.2化學(xué)鏈制氫技術(shù)思路新穎，亟待深入研究與探索
化學(xué)鏈制氫技術(shù)不僅可以達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)換效率，同時還可以低能耗地分離捕集CO2，目前對該技術(shù)的研究僅處于實驗研究階段，在化學(xué)鏈制氫反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化、性能優(yōu)異的載氧體制備、化學(xué)鏈制氫原料的拓展等方面仍有待開展許多研究工作，離實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用具有較大的差距，但基于該技術(shù)的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和技術(shù)工藝的能耗低，估計對該技術(shù)的研究開發(fā)力度將會進(jìn)一步加大。
3.3生物質(zhì)制氫技術(shù)發(fā)展緩慢，仍需解決諸多技術(shù)問題
與化石原料相比，我國生物質(zhì)資源種類多、資源量大、分布廣泛，例如農(nóng)作物秸稈、農(nóng)林廢棄物、畜禽糞便、能源植物、城市生活垃圾等都可作為制氫的原料，但生物質(zhì)原料也存在能量密度低、資源分散、收集加工成本高等缺點。目前各種生物質(zhì)制氫技術(shù)，包括生物質(zhì)氣化制氫、熱裂解制氫、超臨界水制氫以及微生物降解生物質(zhì)制氫技術(shù)，均未達(dá)到成熟階段，尤其是生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)熱裂解技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，但技術(shù)進(jìn)展緩慢，仍需開展進(jìn)一步的深入研究和工藝優(yōu)化。從長遠(yuǎn)發(fā)展看，由于生物質(zhì)原料具有可持續(xù)性，相對化石原料制氫過程其碳排放量較少，符合綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，因此利用生物質(zhì)制氫仍然會受到行業(yè)重視。
3.4風(fēng)電/光電制氫發(fā)展?jié)摿Υ螅瑧?yīng)持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈并降低成本
電解水制氫技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，但由于耗電量大、氫氣生產(chǎn)成本高（每千克H2約40元，成本是煤制氫的約4倍，是天然氣制氫的約2倍），一直無法進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。最近幾年，借鑒國外經(jīng)驗，國內(nèi)開展的利用可再生能源（風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、地?zé)岚l(fā)電等）生產(chǎn)的富裕電力與傳統(tǒng)電解水制氫的耦合路線（也稱“綠氫”路線），為氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展開辟了一條實現(xiàn)大規(guī)模、低成本制氫的創(chuàng)新模式。目前，由于“綠氫”路線一次性發(fā)電設(shè)施投入大、運維成本偏高等原因，尚未顯現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級階段。為降低“綠氫”成本，對于風(fēng)電設(shè)施需要降低發(fā)電機(jī)組、風(fēng)場建設(shè)成本和運維成本，對于光伏設(shè)施需要降低多晶硅片、電池片和組件成本，同時需要持續(xù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈運行模式，充分利用可再生能源谷電、“棄電”降低發(fā)電成本，同時要將制氫裝置盡量建設(shè)在加氫站附近以降低氫氣儲運成本，此外要繼續(xù)加大新型電解水技術(shù)（重點是PEM純水電解技術(shù)）研發(fā)，降低電解水工藝的單位電耗，推動可再生能源制氫技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用。
4結(jié)束語
氫燃料電池汽車被業(yè)內(nèi)多數(shù)人士認(rèn)為是未來新能源汽車發(fā)展的終極模式，目前正處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期，在制氫、儲氫、輸氫、加氫站、燃料電汽及整車制造全產(chǎn)業(yè)鏈中，實現(xiàn)清潔低碳、低成本、規(guī)模化制氫是推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要條件。隨著氫燃料電池汽車技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈的日益成熟，我國氫氣消費將會持續(xù)增長，可再生能源制氫有望成為化石原料制氫技術(shù)的重要補充，未來的氫能產(chǎn)業(yè)必將是化石原料、可再生燃料制氫多種方式并存、優(yōu)勢互補、多元化協(xié)同發(fā)展的格局。當(dāng)前，各種可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展正處于成長階段，我國政府應(yīng)從國家層面持續(xù)做好頂層設(shè)計和宏觀指導(dǎo)，對新能源制氫產(chǎn)業(yè)化項目的實施給予適當(dāng)?shù)难a貼和政策優(yōu)惠扶持。國內(nèi)科研院所應(yīng)加強與企業(yè)的技術(shù)研發(fā)合作，加大開發(fā)綠色、低碳、低成本新型制氫技術(shù)。經(jīng)過政府、企業(yè)、科研院所等各方面的共同努力，我國制氫技術(shù)將會取得長足進(jìn)步，有力推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速成長，促進(jìn)我國能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整和社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。
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