深度解讀氫能產業鏈的關鍵技術與發展趨勢

氫作為相對原子質量最小的元素，化學性質非常活潑。氫氣在制備、儲存、加注、運輸及使用過程中，均存在性質不穩定導致泄漏爆炸的風險，為實現氫能持續穩定、安全高效應用及商業化推廣，研究不同條件下氫氣爆炸范圍、點火能量、擴散系數及對材料性能的影響等具有重要意義。國際社會許多國家成立專門的研究機構開展氫安全研究，并成立國際氫安全協會推動氫安全的發展。在此，對甲烷、丙烷、汽油氫等燃料的安全性質參數進行總結（表1，其中cp為定壓比熱容；cV為定容比熱容）。

氫能是一種二次能源，是通過一定方法利用其他能源制取的。目前常用制氫方法有工業副產制氫、化石能源制氫、水電解制氫等。熱化學制氫、生物質制氫、光解水制氫等新型制氫技術尚處于實驗開發階段，不具備規模制氫技術能力。

1.2.1 工業副產制氫

（1）焦爐煤氣制氫（圖1）。

中國是全球最大的焦炭生產國。焦爐煤氣是煉焦過程的副產物，除含有大量氫氣（體積分數55％以上）、甲烷（體積分數20％~30％）之外，還有一氧化碳、二氧化碳等成分，隨原料煤的不同而有明顯差別。氫氣提純多數采用PSA裝置，提純后氫純度可達99％~99.999％。

（2）氯堿工業副產氣制氫。氯堿廠通常采用石棉 隔膜電解槽電解飽和食鹽水得到燒堿、氯氣及氫氣。

（3）輕烴裂解制氫。其主要有兩種方法：丙烷脫氫和乙烷裂解。該方法得到的氫氣純度較高，雜質含量較低，提純難度較小，但受制于原材料，成本較高。

1.2.2 化石能源制氫

（1）天然氣制氫。其是氫氣的主要來源，主要有兩種方法：蒸汽重整和部分氧化。其中蒸汽重整技術（圖2）是目前工業應用最廣泛、最成熟的天然氣制氫工藝。

蒸汽重整屬吸熱反應，需要在高溫下進行，催化劑需要具有高甲烷轉化活性、長壽命、高氫氣選擇性、高機械強度，并應在700~850℃時表現出高穩定性和良好的傳熱性，通常使用Ni作為催化劑。

儲氫方法主要分為氣態儲氫、液態儲氫、固體儲氫3種。高壓氣態儲氫是現階段主要儲氫方式。

1.3.1 高壓氣態儲氫

高壓氣態儲氫是將壓縮氫氣以高密度氣態形式在高壓下儲存，是發展最成熟、最常用的儲氫技術。該技術的儲氫密度受壓力影響較大，而壓力受儲罐材質限制。氫氣質量密度隨壓力提高而增大，在30～40MPa區間增大較快，在壓力大于70MPa后變化很小。因此，儲罐工作壓力應在35～70MPa之間。高壓氣態儲氫容器主要有高壓儲氫氣瓶、高壓復合儲氫罐、玻璃儲氫容器。

1.3.2 液態儲氫

液態儲氫技術主要包括低溫液態儲氫和有機液態儲氫兩種。

低溫液態儲氫是將氫氣在一定條件下壓縮冷卻至液化后再置于絕熱真空容器中的一種儲氫方式。與氣-態氫相比，液態氫密度更高，是氣態氫的845倍。這種儲氫方式輕巧緊湊，特別適于儲存空間有限的場合，如航天用火箭發動機。迄今世界上最大的低溫液化儲氫罐位于美國肯尼迪航天中心，容積達112×10^4L。

液態有機儲氫系統主要由少氫有機化合物和多氫有機化合物組成，通過催化加氫反應將少氫有機化合物轉化成多氫有機化合物實現氫氣儲存，通過其逆過程便可實現氫氣的釋放。常用不飽和液體有機物包括環己烷、甲基環己烷、咔唑、乙基咔唑、反式-十氫化萘等，其中環己烷、甲基環己烷等在常溫常壓下即可實現儲氫。早在20世紀80年代，已有學者提出有機液態儲氫技術，相比其他儲氫方式，該技術儲氫量大、能量密度高，且在常溫常壓下即可穩定存在，儲存設備簡單。基于此，有機液態儲氫技術受到廣泛關注，具有廣闊發展前景。

1.3.3 固態儲氫

固態儲氫是一種通過吸附作用將氫氣加注到固體材料中的方法，儲氫密度約是同等條件下氣態儲氫方法的1000倍，而且吸氫、放氫速度穩定，可以保證儲氫過程的穩定性。與高壓氣態儲氫和液態儲氫相比，固體儲氫技術儲氫密度高、安全性好。

在此，對各種儲氫方法優缺點進行對比分析（表3）。

固態儲氫與其他兩種儲氫方式相比，儲氫密度更高、運輸更方便、安全性更好，應用前景良好。但這種儲氫方式的發展和應用需要依賴儲氫材料的開發和利用。目前采用的固體儲氫材料主要有金屬氫化物材料、絡合物儲氫材料、碳納米管儲氫材料、沸石以及新型類沸石材料等。鎂基儲氫材料具有儲氫量高、無毒性、鎂資源豐富、成本低廉、安全性高等優點，應用前景廣闊。在幾個高電位氫化物體系中，氫化鎂因其較高的體積氫密度和質量氫密度而成為研究最多的材料之一。

2014 年，日本研發出世界上第一款續航能力達到500km的氫燃料電池汽車。此后兩年，奔馳公司與福特公司共同開發了一款氫燃料電池概念車型，可提供450km氫氣續航里程和48km電動續航里程，并且可以外接充電。中國氫燃料電池汽車發展相對緩慢，隨著綠色能源經濟的發展，近年來國家能源政策逐漸向 氫燃料傾斜，促進了氫燃料電池汽車的發展。

根據目前已有技術及市場需求，氫燃料電池種類眾多，其原理是使氫氣與各種化學材料進行化學反應，氫氣被催化而產生電能。由于制作材料不同，氫燃料電池種類各異，質子交換膜式燃料電池是最常見的一種。氫燃料電池發電的具體反應過程為（圖7）：陽極上的氫在催化劑作用下分解為H+和電子，

H+穿過隔膜到達陰極，電子在外部電路運行，產生電能；陰極上的氧在催化劑作用下與電子、H+發生化合反應生成水。

只要保證氫氧供應及其電化學反應條件，氫燃料 電池就能持續發電，并且只會排出熱量和水，綠色環保且效率高。然而，氫燃料電池研發與利用尚存在一些問題有待解決，包括密封性要求極高，制氫、儲氫技術 復雜，在汽車上使用需要配備輔助電池系統等。

1.6.2 氫能發電

目前有兩種方法能夠將氫能轉化為電能：氫能發 電機和PEMFC燃料電池（圖8）。

PEMFC燃料電池在外型上與普通電池相似，其工作原理是氫氣與氧氣發生化學反應生成水并釋放電能。

1.6.3 家庭用氫

伴隨國際能源戰略調整，新能源發展越來越快，為了全面滿足民眾日常需要，家庭用氫成為未來發展的新動能。當前，氫能在下游用戶逐漸普及，一些家庭已 啟動氫能的利用，類似于已有的天然氣管網，氫氣通過專用管道進入用戶，作為新型燃料為用戶燒水、烹飪提供能量。

氫氣是一種無色無味氣體，易泄漏擴散；在常溫常壓空氣中，可燃范圍寬，易爆炸，爆轟極限體積分數為11％～59％，爆轟速度為1480～2150m/s；氫對金屬管道和設備具有劣化性，易使金屬發生氫損傷。毋庸置疑，氫的使用存在較高風險，因此，明確危險因素，對預防氫氣應用中的危險事故具有重要意義。

2.1.1 泄漏擴散

氫氣是一種比甲烷小得多的分子，其通過管壁和接頭泄漏可能性更大。美國燃氣技術研究院研究結果表明，氫氣在鋼管或鑄鐵管中的體積滲透泄漏速率約是天然氣的3倍。滲透泄漏主要發生在非金屬材料和接頭中。在非金屬管道中，氫氣滲透泄漏速率 是甲烷的 4~5倍，且隨著管道壓力升高，滲透泄漏速 率增大。另有研究表明，若有體積分數20％的氫氣摻入天然氣管道系統中，混合氣滲透泄漏損失約是天然氣的2倍，但對經濟性影響不大。針對荷蘭供氣 管網，當配氣系統中加入體積分數17％的氫氣時，滲透泄漏損失量僅占所輸氫氣量的0.0005，可忽略不計。

氫氣密度很小，擴散性強。劉延雷等利用Fluent建立了管道運輸高壓氫氣和天然氣泄漏擴散模型，得到相應的泄漏擴散特性。與天然氣相比，氫氣泄漏擴散形成的云團大且集中，氫氣初始泄漏速率遠大于天然氣初始泄漏速率，與周圍環境達到壓力平衡所需時間短；氫氣云團擴散最大高度比天然氣云團擴散最大高度增加得快，因此，近地面天然氣泄漏產生的危險性比氫氣大。Denisenko等總結了可預見的氫氣泄漏到不同形狀、大小、邊界條件的密閉空間中，導致氫氣-空氣可燃氣云形成、演化機制及動力學實驗結果，認為氫氣在受限空間內有兩種擴散模式：“填充箱”（Filling Box）模式和“衰落箱”（Fading up Box）模式。

天然氣摻氫管道泄漏后的擴散情況可能因環境條件而發生變化，Wilkening等建立了有風和無風條件下氫氣-甲烷混合物和純甲烷的小孔泄漏模型，結果表明：摻氫混合物的泄漏速率與泄漏量遠大于甲烷。Lowesmith等開展了兩次摻氫體積分數為22％的天然氣-氫氣混合物管道失效實驗，結果表明：天然氣泄漏質量流量略高于混合氣泄漏質量流量，天然氣摻入氫氣對火災的輻射特性影響不大。

摻氫天然氣事故下的泄漏不同于天然氣，摻氫后輸氣管道事故的發生概率也將發生變化，例如：因氫氣與空氣之間的湍流混合，從加壓設備泄漏的氫氣可能會自燃。從高壓儲存系統泄漏的氫氣通過孔徑很小的泄漏口時，可能在出口外形成高壓、欠膨脹射流。氫氣在車庫、廠房、站房等受限空間中泄漏后，易積聚形成爆炸混合物。

2.1.2 燃燒爆炸

氫氣具有燃燒速度快、點火能低等特性，因此，氫氣在生產利用過程中的火災爆炸危險性較大。

從20世紀50年代開始，國內外對摻氫燃氣的燃燒特性及其影響機制開展了大量研究。燃料摻入氫氣后火焰速度增大，可能導致劇烈燃燒甚至發生爆炸。有研究表明：當燃料摻氫體積分數超過45％時，存在爆燃轉變為爆轟的危險。鄭凱通過實驗與數值模擬研究了氫氣-甲烷-空氣混合物爆燃預混火焰傳播特征，發現摻混氫氣能夠明顯縮短火焰傳播時間，同時爆炸壓力峰值隨氫氣體積分數增大而增大。Bouras等研究發現：氫氣摻混提高了甲烷火焰的溫度和速度，并減少CO的排放。尚融雪等通過實驗與數值模擬研究得出結論：在相同初始溫度下，摻氫天然氣層流預混火焰傳播速度在高摻氫比條件下增大更顯著；在相同當量比下，摻氫天然氣層流預混火焰傳播速度及絕熱火焰溫度隨初始溫度升高近似呈線性增大。

當前，關于摻氫燃料爆轟特性的研究相對較少。Chaumeix等通過實驗研究了氣體初始組成、氫氣與甲烷含量比、氧氣含量以及初始壓力對爆轟特性的影響，結果表明：甲烷對可燃混合物的爆轟有重要的抑制作用。Porowski等研究了293K溫度及大氣壓下有障礙物時管道中甲烷-氫氣-空氣混合物的爆燃轉爆轟過程，結果表明：氫氣濃度越高，混合氣體的爆轟敏感性越強。倪靖等設計了長3000mm、管徑30mm的圓柱形半封閉燃燒室，對不同初始壓力下摻氫體積分數分別為0、5.1％、9.5％的CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2的爆轟特性開展實驗研究，結果表明：甲烷-氧氣摻氫后提高了爆轟波的傳播速率，且在相同條件下，摻氫比例越高，傳播速率越大。

2.1.3 相容性

輸氣管網設施及終端用戶設備對氫氣的適應性是決定天然氣管道能否摻氫及摻氫比例的重要因素。

2.1.3.1 管網設施

氫氣會對金屬材料造成氫損傷，破壞金屬材料的強度、塑性、韌性等力學性能，其中氫脆風險最大，危害最嚴重。因此，摻氫天然氣不可避免會使管線鋼力學性能劣化，進而影響管道長期服役的安全性，管材與摻氫天然氣的相容性是開展既有天然氣管網輸送混合氣需要解決的首要問題。環境溫度、管輸壓力、氫氣含量、材料微觀組織、加載速率等都是導致氫脆發生的影響因素。管道鋼級越高，越易受氫氣影響，管道壽命受影響程度越大。

近年來，國內外圍繞管材與摻氫天然氣的相容性問題開展了大量研究。Chatzidouros等在氫氣環境中實施管線鋼三點彎曲斷裂韌性試驗，對比X52、X65、X70管線鋼材料充氫前后斷裂韌性的變化，發現充氫后X65斷裂韌性降低最顯著。趙穎等應用拉伸和慢拉伸試驗研究X70管線鋼充氫后材料力學性能的變化，顯示充氫后X70管線鋼塑性、斷裂韌性、斷裂強度均有降低。有研究表明，充氫對X80、X100管線鋼的強度沒有顯著影響，但將使其塑性明顯降低。與空氣環境相比，材料在含氫環境中塑性、疲勞性能、斷裂韌性劣化顯著。管線鋼拉伸性能劣化程度與拉伸速率、氫氣壓力等因素有關；疲勞性能劣化程度與氫氣壓力、應力比、加載頻率、微觀組織結構等因素有關；斷裂韌性與加載速率、氫氣壓力、晶粒尺寸、馬氏體/奧氏體含量等因素有關。

天然氣管網中的配送管道為非金屬材質，運行壓力大都低于1MPa。有研究表明，與空氣相比，氫氣對聚乙烯的力學性能影響較小，長期處于氫環境中的聚 乙烯管道的微觀組織也沒有發生顯著變化，尚未發現氫氣與聚乙烯管道發生相互作用，從而影響管道正常使用的情況。

氫氣不僅對管道材料產生影響，還會對管網中的設備造成影響，如壓縮機、閥門、法蘭、密封件、儀表等。有研究指出，摻氫影響天然氣管網計量設施的精度，摻氫比例不宜大于5％。朱建魯等建立了摻氫天然 氣管道動態仿真模型，發現摻氫使壓縮機穩定運行參數范圍變窄，入口體積流量的降低將增大壓縮機發生喘振的可能性。

2.1.3.2 終端用戶

天然氣摻氫后將影響其熱值、華白數等參數，導致火焰燃燒速率、絕熱火焰溫度、火焰長度、穩定性等發生變化。因此，探討終端用戶對混合氣燃料的適應性非常重要（表5）。通常認為，摻氫體積分數小于5％對終端用戶影響有限。在燃氣輪機方面，多數燃氣輪機要求原料氣中氫氣體積分數限制在1％或更低；燃氣發動機對摻氫體積分數要求則限制在2％。

隨著氫能戰略的發展，氫能產業成本逐漸成為備受關注的問題。依據氫燃料發展統計數據，氫作為燃料的成本與傳統化石燃料相比，經濟優勢明顯。

在技術層面，氫能發展面臨的經濟挑戰主要包括：①降低氫氣生產成本；②開發環境友好和無碳的清潔氫氣生產系統，并實現大規模生產；③氫氣輸送和分配基礎設施的開發建設；④氫氣存儲系統的開發建設；⑤大幅降低燃料電池成本并提高其耐用性。

制氫工藝分為傳統制氫技術和新型制氫技術兩類。因制氫設備、規模、原料不同，不同制氫工藝的制氫成本也不同。使用化石能源制氫成本相對較低，可以大規模生產，但碳排放量超標，與環境友好需求相悖。使用工業副產品制氫成本也不高，技術比較成熟，但限制較多。電解水制氫綠色環保，但電能消耗量大，成本高。熱化學制氫與催化劑技術水平密切相關。生物質制氫和光解水制氫等新型制氫技術處于研發初級階段，制氫成本受實際生產條件影響較大。

長管拖車輸送高壓氣氫是目前主流氫氣運輸方式，技術成熟，但受限于所運輸的氫氣質量小，而儲氫容器本身質量過大，最終運輸的氫氣質量只占整體運輸質量的1％~2％，運輸效率過低。隨著運輸距離的增加，單位質量氫氣運輸成本直線上升。

加氫站是整個氫能產業鏈的終端。典型加氫站由儲存系統、壓縮系統、加注系統、控制系統等組成。除土建成本和管閥成本外，加氫站建設成本集中在核心設備的選用上，目前中國缺乏成熟量產的加氫站設備廠商，而從國外進口設備極大提高了加氫站建設成本。

氫能燃料電池汽車與加氫站的發展相互促進又相互制約。國外氫燃料電池汽車整車性能漸趨完善，接近傳統汽車水平，成熟度接近產業化階段，如日本豐田、本田及韓國現代汽車，其中豐田Mirai汽車銷量處于世界領先水平。在中國，氫燃料電池汽車在整車總體布置、氫氣消耗量等基本性能方面與國際水平差距不大，但在燃料電池汽車核心技術上，還存在較大差距，致使加氫站無法投入大規模運營，氫能發展緩慢。

高成本氫能應用對技術發展、生產規模、國家政策扶持等均要求較高，而國家能源戰略轉型需要全社會高度關注以形成推動化石能源向綠色能源轉型的聚合力。為突破氫能利用的成本瓶頸，國際社會紛紛出臺氫能戰略，競相采取政策扶持。

氫能作為具有高效供能效應的清潔能源，在全面應對全球氣候問題、推動全球綠色經濟發展的大背景下，發展前景廣闊。在大量文獻調研的基礎上，對全球氫能產業鏈研究發展現狀進行分析和探討。目前，國內外氫能研究取得一定進展，但受制于技術、成本及安全性等瓶頸，氫能暫未得到大規模應用。建議未來加強以下研究：

（1）在制氫環節，目前以具有成本優勢的化石能源制氫、工業副產氫為主，太陽能制氫、生物質制氫等技術處于研究和示范階段，可再生能源發電后電解水制氫是未來制氫技術的重要發展方向。

（2）在儲氫環節，目前高壓氣態儲氫是中國主流發展方向，但其存在安全隱患大和儲氫密度低等問題。有機液體儲氫配合成熟的成品油供銷體系具有非常優秀的發展前景，可由此技術為突破口，打破氫能儲存技術壁壘，加速氫能產業發展。

（3）在輸氫環節，目前氫能大規模應用的有效途徑是利用管道實現長距離跨地區運輸，無論是氣氫管道輸送還是液氫管道輸送，在金屬/非金屬管材評價、安全運行、工藝方案及標準體系等方面仍存在諸多關鍵難題亟待解決。

（4）在用氫環節，燃料電池性能提高、經濟成本降低以及加氫站建設等問題是目前限制氫燃料電池發展的重要因素，解決這些問題是實現氫能燃料電池商業化應用的關鍵。借助在役燃氣系統消納氫氣，實現“氫進萬家”，是推動氫能大規模應用的主要手段。

（5）氫的事故存在事故特征演化規律不清、失效后果預測困難、防護效果差等問題，尚需進一步研究純氫、摻氫滲透泄漏、積聚、燃燒、爆炸事故特征及演化規律，同時建立失效定量評價方法及完整性管理體系，研發泄漏監測技術。

（6）針對臨氫環境下管材相容性評價，國內外均缺乏純氫、摻氫環境中材料-載荷-環境多因素耦合作用下管道和連接部位的氫失效原位測試方法以及純氫、摻氫管道系統的相容性評價方法。

（7）針對氫能產業鏈關鍵環節，尚需從標準制定、示范工程或科技試驗平臺建設等方面提升研究水平。