傳統化石能源制氫和電解水制氫是人們比較了解的制氫方案，除了這些方案之外，還有多種制氫方案。此文將一一道來(lái)：

傳統制氫技術(shù)體系概況

在傳統制氫方法中，煤與天然氣重整等化石能源制氫是現今工業(yè)制氫的主流。當前化石能源制氫工藝成熟，可用于大規模工業(yè)生產(chǎn)，且原料價(jià)格相對低廉，但氫氣制備過(guò)程中會(huì )排放大量CO2和污染物。工業(yè)副產(chǎn)氫則集中分布于化工、冶金等領(lǐng)域，其中煤氣化制氫(圖1)規模較大，技術(shù)相對成熟，且成本低廉，但卻面臨污染大、制氫純度低等瓶頸。氯堿副產(chǎn)制氫因其經(jīng)濟、操作簡(jiǎn)單、純度高等特點(diǎn)，擁有較好的應用潛能，但也存在產(chǎn)氫量小且產(chǎn)能分散的問(wèn)題。

化石能源制氫具有較高的碳排量，其中煤制氫碳排量最高，制取1kgH2的碳排量超過(guò)20kgCO2。目前我國電力大部分來(lái)自火電，因此碳排放很高，甚至超過(guò)煤制氫。近年來(lái)，隨著(zhù)化石能源制氫耦合碳捕集技術(shù)的發(fā)展和完善，碳排放強度會(huì )大幅度下降，但仍高于可再生能源制氫，且帶來(lái)較高的碳捕集成本。

先進(jìn)綠色制氫關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

2.1電解水制氫技術(shù)

現階段，常用的電解水制氫技術(shù)包括堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水制氫及固體氧化物電解水制氫三大類(lèi)。

2.1.1堿性電解水制氫

堿性電解水(AWE)制氫裝置由電解槽與輔助系統構成，以KOH為電解液、多孔膜為隔膜，在直流電的刺激下將H2O分解為H2和O2。堿性電解水制氫的優(yōu)點(diǎn)是不需要貴金屬作為催化劑，成本相對較低，裝備技術(shù)成熟，產(chǎn)品耐久性好，服役壽命可達30年。缺點(diǎn)在于所需的隔膜較厚、電阻較大、制氫的工作電流低、設備體積大等。此外，由于多孔膜透氣性強，需有效保證電解槽兩側的壓力平衡。更重要的是，堿性電解液會(huì )與空氣中的CO2反應，形成難容性的碳酸鹽(如K2CO3、Na2CO3等)。

2.1.2質(zhì)子交換膜電解水制氫

質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫采用的質(zhì)子交換膜很薄、電阻較小，可在高效率前提下承受較大的電流，因此設備體積和占地面積都遠小于堿性電解水設備。同時(shí)由于PEM電解水采用不透氣的膜，可承受更大的壓力，無(wú)需兩側嚴格的壓力控制，可做到快速啟停，功率調節的幅度和響應速度也遠高于堿性電解水。當前國外PEM制氫技術(shù)已較為成熟，進(jìn)入市場(chǎng)化應用早期。普頓、西門(mén)子、ITMPower等代表性企業(yè)已相繼發(fā)布了兆瓦級PEN電解水系統產(chǎn)品，大力推動(dòng)了其規?；瘧?。

中國PEM制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后，雖部分企業(yè)已形成具有較高自主化程度的制氫樣機，但還存在質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵材料的“卡脖子”問(wèn)題。后續應加大力度攻關(guān)低成本催化劑和氣體擴散層等關(guān)鍵技術(shù)，提升關(guān)鍵設備的效率與壽命。

2.1.3固體氧化物電解水制氫

固體氧化物(SOEC)電解水制氫是一種高溫電解水技術(shù)，操作溫度為700～1000℃，其結構由多孔的氫電極、氧電極和一層致密的固體電解質(zhì)組成。由于其工作溫度高，能夠大大增加反應的動(dòng)力，同時(shí)可大幅降低電能消耗。在某些特定場(chǎng)合，如高溫氣冷堆、太陽(yáng)能集熱等，SOEC電解水制氫技術(shù)有較大的發(fā)揮空間。SOEC電解水制氫技術(shù)在電耗等方面具有不小優(yōu)勢，但仍存在使用溫度高、投入大、啟停慢、循環(huán)壽命低等技術(shù)壁壘，尚處于室內驗證階段，未實(shí)現市場(chǎng)化推廣。目前除固體氧化物電解水外，AWE和PEM制氫都已獲得規?；瘧?。

2.2太陽(yáng)能分解水制氫技術(shù)

目前，已存在的太陽(yáng)能分解水制氫涵蓋光催化法制氫、光電化學(xué)法制氫及固光熱分解法制氫三大類(lèi)。

2.2.1光催化法制氫

光催化制氫的原理是利用光催化劑的吸光特性，實(shí)現光解水反應。光催化劑在光照的作用下可產(chǎn)生一定數量的光生電子和空穴，可將吸附在催化劑表面的H2O分子還原為H2(圖2)。

光導體材料應具備的特殊性能應涵蓋:①太陽(yáng)光響應范圍廣;②電子和空穴分離效率高;③合適的表面反應活性位;④耐久性強等。光催化制氫具有光催化材料易得、制氫系統簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景。但光催化劑現階段還處于示范研發(fā)階段，普遍存在制氫效率低、光激電子－空穴對易復合等難題，與商業(yè)化應用仍有較大距離。

2.2.2光電化學(xué)法制氫

光電化學(xué)(PEC)制氫在分解水過(guò)程中，可產(chǎn)生大量的載流子，可實(shí)現強光條件下和強電解質(zhì)中的長(cháng)期耐久性。迄今為止，已研發(fā)的PEC制氫光電極材料包括:GaAs、InGaN、MoS2及金屬硒化物等。MoS2因具備經(jīng)濟、合成流程簡(jiǎn)易及良好的光電效應等特性，制氫效果最好。經(jīng)大量實(shí)踐證明，經(jīng)改性后的MoS2材料制氫性能更優(yōu)，通過(guò)引入高性能碳材料，能夠大幅增加MoS2表面的活性位點(diǎn)，同時(shí)顯著(zhù)改善其電學(xué)性能。

2.2.3光熱分解法制氫

早在1971年，Ford等便率先報道了直接光熱分解制氫工藝，其主要原理為:在光照下使系統溫度達到2000K以上，一步到位直接獲取H2和O2，最后再利用分離裝置獲取純氫。因此，光熱分解制氫(TWSC)的核心在于良好的抗溫材料和有效的氣體分離設施。為顯著(zhù)改善TWSC制氫的功效和純度，研究人員提出了上百種太陽(yáng)能熱化學(xué)制氫方法，包括HyS、Cu－Cl及S－I等TWSC制氫技術(shù)。而Cu－Cl制氫因其產(chǎn)氫純度高、污染小、節約等優(yōu)勢，已成為當下TWSC制氫的主流。Pal等于21世紀初建立了Cu－Cl制氫模型，并成功應用于全年光照充足的Algeria地區，現場(chǎng)結果顯示，該模型的太陽(yáng)能利用效率高達93%，年制氫量突破82t/a。

2.3生物質(zhì)制氫技術(shù)

目前，生物質(zhì)制氫技術(shù)主要包括熱化學(xué)法和生物法兩大類(lèi)。

2.3.1熱化學(xué)法制氫

當下主流的熱化學(xué)制氫技術(shù)有生物質(zhì)催化氣化、生物質(zhì)重整及生物質(zhì)熱解制氫等，其工藝流程如圖3所示。生物質(zhì)催化氣化制氫的研究重點(diǎn)是提高產(chǎn)物中的H2純度，由于氣化過(guò)程中還產(chǎn)生H2S、HCl、堿金屬等微量雜質(zhì)，反應器中需加入吸附劑加以處理。

生物油重整制氫最早由美國NＲEL于1997年報道，其通過(guò)生物質(zhì)熱裂解獲得生物油，再結合水蒸氣重整進(jìn)而實(shí)現制氫。經(jīng)過(guò)多年的創(chuàng )新和發(fā)展，已成為一項舉足輕重的制氫技術(shù)。與前者相比，生物質(zhì)熱解制氫發(fā)展至今，技術(shù)成熟度已相對成熟，當前全世界已有多套商業(yè)化運作的生物質(zhì)熱解裝置。與其他制氫技術(shù)相比，熱化學(xué)制氫優(yōu)勢顯著(zhù)，但也存在一定的技術(shù)瓶頸，如熱化學(xué)制氫成本高，混合產(chǎn)物中氫含量低，含有大量的CO、H2S及焦油等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)均會(huì )對燃料電池產(chǎn)生一定的損害，因此混合產(chǎn)物適合作為燃料或工業(yè)原料，不適合于燃料電池等高純氫應用場(chǎng)景。

2.3.2生物法制氫

生物法制氫體系包括暗厭氧菌發(fā)酵、光合生物及其耦合制氫等。暗厭氧菌發(fā)酵制氫是通過(guò)厭氧細菌在氫化酶的作用下實(shí)現有機物分解從而獲取H2，此過(guò)程可實(shí)現無(wú)光能產(chǎn)氫。光合生物制氫則是以光能為反應條件，利于微藻等光合微生物分解水產(chǎn)氫。該技術(shù)制氫利用的能源既有生物能也有光能，因此光發(fā)酵制氫效率一般高于暗發(fā)酵。

光合－發(fā)酵耦合技術(shù)可兼具暗發(fā)酵與光合生物制氫的優(yōu)勢，不僅能夠在一定程度上減少光能需求，同時(shí)可大幅增加H2的產(chǎn)量，是生物法制氫的主要發(fā)展方向。

2.4核能制氫技術(shù)

核能到氫能的轉化有多種途徑，可以利用核能發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，也可利用核反應堆產(chǎn)生的熱來(lái)制氫。核能發(fā)電制氫與普通電解水制氫技術(shù)相同，而利用核反應堆發(fā)熱制氫是未來(lái)應用前景廣闊的制氫技術(shù)，其制氫原理見(jiàn)圖4。

甲烷蒸汽重整(SMＲ)是工業(yè)上主要的制氫方法，利用核反應堆產(chǎn)生的熱作為蒸汽重整的熱源時(shí)，可顯著(zhù)降低過(guò)程所需甲烷氣量和成本。但該技術(shù)仍屬于化石能源制氫，會(huì )產(chǎn)生大量的溫室氣體，不利于推動(dòng)碳中和進(jìn)程。高溫電解制氫是以核反應堆產(chǎn)生的高溫蒸汽為原料，電耗可降至2.8kWh/m3，遠低于傳統制氫，但目前仍面臨技術(shù)不夠成熟和高成本等壁壘。而熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫則是利用核反應的產(chǎn)熱直接制氫，由于反應需在2500℃以上的高溫下進(jìn)行，難以實(shí)際應用，如何利用熱循環(huán)將反應溫度控制在適合的范圍內是未來(lái)該領(lǐng)域的主攻方向。

2.5海水制氫技術(shù)

由于海水的成分復雜且缺乏行之有效的催化劑，直接電解海水會(huì )導致制取H2時(shí)副反應競爭、催化劑失活、隔膜堵塞等問(wèn)題?；诖?，諸多專(zhuān)家和學(xué)者提出了不同的間接海水制氫技術(shù)。有研究者采用固體氧化物電解技術(shù)對海水進(jìn)行電解，將海水首先轉化為高溫水蒸氣再電解，大部分海水中的雜質(zhì)不會(huì )接觸到電解裝置，因此電解效率相對較好，但由于固體氧化物電解技術(shù)發(fā)展滯后，且經(jīng)濟性差，在全球范圍內的活躍度相對較低。海水淡化－電解制氫是現今海水制氫技術(shù)的主流，其先通過(guò)處理技術(shù)將海水進(jìn)行淡化，再結合成熟的淡水制氫技術(shù)來(lái)制取H2。從多方面考慮，海水淡化制氫具備明顯優(yōu)勢，但由于受相關(guān)技術(shù)條件的限制，該技術(shù)尚處于實(shí)驗室階段，與實(shí)際應用還有很長(cháng)的距離。

評價(jià)與對策

3.1不同綠色制氫技術(shù)特點(diǎn)對比

近年來(lái)世界各國對電解水制氫、生物質(zhì)制氫及核能制氫等工藝進(jìn)行了大量研究，綠色制氫方法正朝著(zhù)多樣化方向發(fā)展，各種新型制氫技術(shù)蔚然成風(fēng)，在推動(dòng)全球氫能資源的利用中扮演著(zhù)重要的角色，不同綠色制氫技術(shù)在適用條件、應用效果及成本投入等方面不盡相同，其各自工藝特點(diǎn)如表1所示。

3.2綠色制氫產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰

新型綠色制氫技術(shù)雖在諸多方面都體現出一定的優(yōu)勢，但由于相關(guān)技術(shù)條件的局限性，在應用過(guò)程中勢必會(huì )有不少實(shí)際問(wèn)題存在。

(1)首先是制氫裝備及技術(shù)方面，國內雖已有相關(guān)企業(yè)開(kāi)展相應的技術(shù)研發(fā)，但均處于小批量試制階段，尚未形成成熟的制氫工藝生產(chǎn)線(xiàn)，相關(guān)核心技術(shù)成熟度低，系統設備國產(chǎn)化程度不高。

(2)其次是經(jīng)濟性方面，高投入成本仍是限制部分綠色制氫技術(shù)發(fā)展的最大因素，加之多數制氫工藝需添加后續的氫提純技術(shù)，以獲取高純度H2，如何有效降低制氫成本是未來(lái)制氫領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

(3)最后是標準體系方面，當前中國制氫產(chǎn)業(yè)單一、分散，關(guān)鍵技術(shù)指標多有缺少，強制性國家標準較少，已難以適應制氫產(chǎn)業(yè)標準化的需求。

3.3推動(dòng)制氫產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展的策略

加強對制氫核心技術(shù)的研發(fā)力度，最優(yōu)化提升制氫技術(shù)效率的同時(shí)，有效改善光催化劑、反應器等關(guān)鍵材料的耐久性，進(jìn)而實(shí)現H2產(chǎn)量的最大化。

聚焦低成本催化劑、氣體擴散層等關(guān)鍵技術(shù)的提升，提高制氫裝置效率和壽命的同時(shí)，加快實(shí)現低成本化制氫、產(chǎn)氫及提純，最大化實(shí)現降本增效。

打破傳統制氫標準化工作模式，建立系統完整的制氫工藝產(chǎn)業(yè)鏈，盡快彌補制氫標準化工作與技術(shù)發(fā)展間的短板，縮小與美日等國成熟標準體系的差距。