深度解读氢能产业链的关键技术与发展趋势

氢作为相对原子质量最小的元素，化学性质非常活泼。氢气在制备、储存、加注、运输及使用过程中，均存在性质不稳定导致泄漏爆炸的风险，为实现氢能持续稳定、安全高效应用及商业化推广，研究不同条件下氢气爆炸范围、点火能量、扩散系数及对材料性能的影响等具有重要意义。国际社会许多国家成立专门的研究机构开展氢安全研究，并成立国际氢安全协会推动氢安全的发展。在此，对甲烷、丙烷、汽油氢等燃料的安全性质参数进行总结（表1，其中cp为定压比热容；cV为定容比热容）。

氢能是一种二次能源，是通过一定方法利用其他能源制取的。目前常用制氢方法有工业副产制氢、化石能源制氢、水电解制氢等。热化学制氢、生物质制氢、光解水制氢等新型制氢技术尚处于实验开发阶段，不具备规模制氢技术能力。

1.2.1 工业副产制氢

（1）焦炉煤气制氢（图1）。

中国是全球最大的焦炭生产国。焦炉煤气是炼焦过程的副产物，除含有大量氢气（体积分数55％以上）、甲烷（体积分数20％~30％）之外，还有一氧化碳、二氧化碳等成分，随原料煤的不同而有明显差别。氢气提纯多数采用PSA装置，提纯后氢纯度可达99％~99.999％。

（2）氯碱工业副产气制氢。氯碱厂通常采用石棉 隔膜电解槽电解饱和食盐水得到烧碱、氯气及氢气。

（3）轻烃裂解制氢。其主要有两种方法：丙烷脱氢和乙烷裂解。该方法得到的氢气纯度较高，杂质含量较低，提纯难度较小，但受制于原材料，成本较高。

1.2.2 化石能源制氢

（1）天然气制氢。其是氢气的主要来源，主要有两种方法：蒸汽重整和部分氧化。其中蒸汽重整技术（图2）是目前工业应用最广泛、最成熟的天然气制氢工艺。

蒸汽重整属吸热反应，需要在高温下进行，催化剂需要具有高甲烷转化活性、长寿命、高氢气选择性、高机械强度，并应在700~850℃时表现出高稳定性和良好的传热性，通常使用Ni作为催化剂。

储氢方法主要分为气态储氢、液态储氢、固体储氢3种。高压气态储氢是现阶段主要储氢方式。

1.3.1 高压气态储氢

高压气态储氢是将压缩氢气以高密度气态形式在高压下储存，是发展最成熟、最常用的储氢技术。该技术的储氢密度受压力影响较大，而压力受储罐材质限制。氢气质量密度随压力提高而增大，在30～40MPa区间增大较快，在压力大于70MPa后变化很小。因此，储罐工作压力应在35～70MPa之间。高压气态储氢容器主要有高压储氢气瓶、高压复合储氢罐、玻璃储氢容器。

1.3.2 液态储氢

液态储氢技术主要包括低温液态储氢和有机液态储氢两种。

低温液态储氢是将氢气在一定条件下压缩冷却至液化后再置于绝热真空容器中的一种储氢方式。与气-态氢相比，液态氢密度更高，是气态氢的845倍。这种储氢方式轻巧紧凑，特别适于储存空间有限的场合，如航天用火箭发动机。迄今世界上最大的低温液化储氢罐位于美国肯尼迪航天中心，容积达112×10^4L。

液态有机储氢系统主要由少氢有机化合物和多氢有机化合物组成，通过催化加氢反应将少氢有机化合物转化成多氢有机化合物实现氢气储存，通过其逆过程便可实现氢气的释放。常用不饱和液体有机物包括环己烷、甲基环己烷、咔唑、乙基咔唑、反式-十氢化萘等，其中环己烷、甲基环己烷等在常温常压下即可实现储氢。早在20世纪80年代，已有学者提出有机液态储氢技术，相比其他储氢方式，该技术储氢量大、能量密度高，且在常温常压下即可稳定存在，储存设备简单。基于此，有机液态储氢技术受到广泛关注，具有广阔发展前景。

1.3.3 固态储氢

固态储氢是一种通过吸附作用将氢气加注到固体材料中的方法，储氢密度约是同等条件下气态储氢方法的1000倍，而且吸氢、放氢速度稳定，可以保证储氢过程的稳定性。与高压气态储氢和液态储氢相比，固体储氢技术储氢密度高、安全性好。

在此，对各种储氢方法优缺点进行对比分析（表3）。

固态储氢与其他两种储氢方式相比，储氢密度更高、运输更方便、安全性更好，应用前景良好。但这种储氢方式的发展和应用需要依赖储氢材料的开发和利用。目前采用的固体储氢材料主要有金属氢化物材料、络合物储氢材料、碳纳米管储氢材料、沸石以及新型类沸石材料等。镁基储氢材料具有储氢量高、无毒性、镁资源丰富、成本低廉、安全性高等优点，应用前景广阔。在几个高电位氢化物体系中，氢化镁因其较高的体积氢密度和质量氢密度而成为研究最多的材料之一。

2014 年，日本研发出世界上第一款续航能力达到500km的氢燃料电池汽车。此后两年，奔驰公司与福特公司共同开发了一款氢燃料电池概念车型，可提供450km氢气续航里程和48km电动续航里程，并且可以外接充电。中国氢燃料电池汽车发展相对缓慢，随着绿色能源经济的发展，近年来国家能源政策逐渐向 氢燃料倾斜，促进了氢燃料电池汽车的发展。

根据目前已有技术及市场需求，氢燃料电池种类众多，其原理是使氢气与各种化学材料进行化学反应，氢气被催化而产生电能。由于制作材料不同，氢燃料电池种类各异，质子交换膜式燃料电池是最常见的一种。氢燃料电池发电的具体反应过程为（图7）：阳极上的氢在催化剂作用下分解为H+和电子，

H+穿过隔膜到达阴极，电子在外部电路运行，产生电能；阴极上的氧在催化剂作用下与电子、H+发生化合反应生成水。

只要保证氢氧供应及其电化学反应条件，氢燃料 电池就能持续发电，并且只会排出热量和水，绿色环保且效率高。然而，氢燃料电池研发与利用尚存在一些问题有待解决，包括密封性要求极高，制氢、储氢技术 复杂，在汽车上使用需要配备辅助电池系统等。

1.6.2 氢能发电

目前有两种方法能够将氢能转化为电能：氢能发 电机和PEMFC燃料电池（图8）。

PEMFC燃料电池在外型上与普通电池相似，其工作原理是氢气与氧气发生化学反应生成水并释放电能。

1.6.3 家庭用氢

伴随国际能源战略调整，新能源发展越来越快，为了全面满足民众日常需要，家庭用氢成为未来发展的新动能。当前，氢能在下游用户逐渐普及，一些家庭已 启动氢能的利用，类似于已有的天然气管网，氢气通过专用管道进入用户，作为新型燃料为用户烧水、烹饪提供能量。

氢气是一种无色无味气体，易泄漏扩散；在常温常压空气中，可燃范围宽，易爆炸，爆轰极限体积分数为11％～59％，爆轰速度为1480～2150m/s；氢对金属管道和设备具有劣化性，易使金属发生氢损伤。毋庸置疑，氢的使用存在较高风险，因此，明确危险因素，对预防氢气应用中的危险事故具有重要意义。

2.1.1 泄漏扩散

氢气是一种比甲烷小得多的分子，其通过管壁和接头泄漏可能性更大。美国燃气技术研究院研究结果表明，氢气在钢管或铸铁管中的体积渗透泄漏速率约是天然气的3倍。渗透泄漏主要发生在非金属材料和接头中。在非金属管道中，氢气渗透泄漏速率 是甲烷的 4~5倍，且随着管道压力升高，渗透泄漏速 率增大。另有研究表明，若有体积分数20％的氢气掺入天然气管道系统中，混合气渗透泄漏损失约是天然气的2倍，但对经济性影响不大。针对荷兰供气 管网，当配气系统中加入体积分数17％的氢气时，渗透泄漏损失量仅占所输氢气量的0.0005，可忽略不计。

氢气密度很小，扩散性强。刘延雷等利用Fluent建立了管道运输高压氢气和天然气泄漏扩散模型，得到相应的泄漏扩散特性。与天然气相比，氢气泄漏扩散形成的云团大且集中，氢气初始泄漏速率远大于天然气初始泄漏速率，与周围环境达到压力平衡所需时间短；氢气云团扩散最大高度比天然气云团扩散最大高度增加得快，因此，近地面天然气泄漏产生的危险性比氢气大。Denisenko等总结了可预见的氢气泄漏到不同形状、大小、边界条件的密闭空间中，导致氢气-空气可燃气云形成、演化机制及动力学实验结果，认为氢气在受限空间内有两种扩散模式：“填充箱”（Filling Box）模式和“衰落箱”（Fading up Box）模式。

天然气掺氢管道泄漏后的扩散情况可能因环境条件而发生变化，Wilkening等建立了有风和无风条件下氢气-甲烷混合物和纯甲烷的小孔泄漏模型，结果表明：掺氢混合物的泄漏速率与泄漏量远大于甲烷。Lowesmith等开展了两次掺氢体积分数为22％的天然气-氢气混合物管道失效实验，结果表明：天然气泄漏质量流量略高于混合气泄漏质量流量，天然气掺入氢气对火灾的辐射特性影响不大。

掺氢天然气事故下的泄漏不同于天然气，掺氢后输气管道事故的发生概率也将发生变化，例如：因氢气与空气之间的湍流混合，从加压设备泄漏的氢气可能会自燃。从高压储存系统泄漏的氢气通过孔径很小的泄漏口时，可能在出口外形成高压、欠膨胀射流。氢气在车库、厂房、站房等受限空间中泄漏后，易积聚形成爆炸混合物。

2.1.2 燃烧爆炸

氢气具有燃烧速度快、点火能低等特性，因此，氢气在生产利用过程中的火灾爆炸危险性较大。

从20世纪50年代开始，国内外对掺氢燃气的燃烧特性及其影响机制开展了大量研究。燃料掺入氢气后火焰速度增大，可能导致剧烈燃烧甚至发生爆炸。有研究表明：当燃料掺氢体积分数超过45％时，存在爆燃转变为爆轰的危险。郑凯通过实验与数值模拟研究了氢气-甲烷-空气混合物爆燃预混火焰传播特征，发现掺混氢气能够明显缩短火焰传播时间，同时爆炸压力峰值随氢气体积分数增大而增大。Bouras等研究发现：氢气掺混提高了甲烷火焰的温度和速度，并减少CO的排放。尚融雪等通过实验与数值模拟研究得出结论：在相同初始温度下，掺氢天然气层流预混火焰传播速度在高掺氢比条件下增大更显著；在相同当量比下，掺氢天然气层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度升高近似呈线性增大。

当前，关于掺氢燃料爆轰特性的研究相对较少。Chaumeix等通过实验研究了气体初始组成、氢气与甲烷含量比、氧气含量以及初始压力对爆轰特性的影响，结果表明：甲烷对可燃混合物的爆轰有重要的抑制作用。Porowski等研究了293K温度及大气压下有障碍物时管道中甲烷-氢气-空气混合物的爆燃转爆轰过程，结果表明：氢气浓度越高，混合气体的爆轰敏感性越强。倪靖等设计了长3000mm、管径30mm的圆柱形半封闭燃烧室，对不同初始压力下掺氢体积分数分别为0、5.1％、9.5％的CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2的爆轰特性开展实验研究，结果表明：甲烷-氧气掺氢后提高了爆轰波的传播速率，且在相同条件下，掺氢比例越高，传播速率越大。

2.1.3 相容性

输气管网设施及终端用户设备对氢气的适应性是决定天然气管道能否掺氢及掺氢比例的重要因素。

2.1.3.1 管网设施

氢气会对金属材料造成氢损伤，破坏金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，其中氢脆风险最大，危害最严重。因此，掺氢天然气不可避免会使管线钢力学性能劣化，进而影响管道长期服役的安全性，管材与掺氢天然气的相容性是开展既有天然气管网输送混合气需要解决的首要问题。环境温度、管输压力、氢气含量、材料微观组织、加载速率等都是导致氢脆发生的影响因素。管道钢级越高，越易受氢气影响，管道寿命受影响程度越大。

近年来，国内外围绕管材与掺氢天然气的相容性问题开展了大量研究。Chatzidouros等在氢气环境中实施管线钢三点弯曲断裂韧性试验，对比X52、X65、X70管线钢材料充氢前后断裂韧性的变化，发现充氢后X65断裂韧性降低最显著。赵颖等应用拉伸和慢拉伸试验研究X70管线钢充氢后材料力学性能的变化，显示充氢后X70管线钢塑性、断裂韧性、断裂强度均有降低。有研究表明，充氢对X80、X100管线钢的强度没有显著影响，但将使其塑性明显降低。与空气环境相比，材料在含氢环境中塑性、疲劳性能、断裂韧性劣化显著。管线钢拉伸性能劣化程度与拉伸速率、氢气压力等因素有关；疲劳性能劣化程度与氢气压力、应力比、加载频率、微观组织结构等因素有关；断裂韧性与加载速率、氢气压力、晶粒尺寸、马氏体/奥氏体含量等因素有关。

天然气管网中的配送管道为非金属材质，运行压力大都低于1MPa。有研究表明，与空气相比，氢气对聚乙烯的力学性能影响较小，长期处于氢环境中的聚 乙烯管道的微观组织也没有发生显著变化，尚未发现氢气与聚乙烯管道发生相互作用，从而影响管道正常使用的情况。

氢气不仅对管道材料产生影响，还会对管网中的设备造成影响，如压缩机、阀门、法兰、密封件、仪表等。有研究指出，掺氢影响天然气管网计量设施的精度，掺氢比例不宜大于5％。朱建鲁等建立了掺氢天然 气管道动态仿真模型，发现掺氢使压缩机稳定运行参数范围变窄，入口体积流量的降低将增大压缩机发生喘振的可能性。

2.1.3.2 终端用户

天然气掺氢后将影响其热值、华白数等参数，导致火焰燃烧速率、绝热火焰温度、火焰长度、稳定性等发生变化。因此，探讨终端用户对混合气燃料的适应性非常重要（表5）。通常认为，掺氢体积分数小于5％对终端用户影响有限。在燃气轮机方面，多数燃气轮机要求原料气中氢气体积分数限制在1％或更低；燃气发动机对掺氢体积分数要求则限制在2％。

随着氢能战略的发展，氢能产业成本逐渐成为备受关注的问题。依据氢燃料发展统计数据，氢作为燃料的成本与传统化石燃料相比，经济优势明显。

在技术层面，氢能发展面临的经济挑战主要包括：①降低氢气生产成本；②开发环境友好和无碳的清洁氢气生产系统，并实现大规模生产；③氢气输送和分配基础设施的开发建设；④氢气存储系统的开发建设；⑤大幅降低燃料电池成本并提高其耐用性。

制氢工艺分为传统制氢技术和新型制氢技术两类。因制氢设备、规模、原料不同，不同制氢工艺的制氢成本也不同。使用化石能源制氢成本相对较低，可以大规模生产，但碳排放量超标，与环境友好需求相悖。使用工业副产品制氢成本也不高，技术比较成熟，但限制较多。电解水制氢绿色环保，但电能消耗量大，成本高。热化学制氢与催化剂技术水平密切相关。生物质制氢和光解水制氢等新型制氢技术处于研发初级阶段，制氢成本受实际生产条件影响较大。

长管拖车输送高压气氢是目前主流氢气运输方式，技术成熟，但受限于所运输的氢气质量小，而储氢容器本身质量过大，最终运输的氢气质量只占整体运输质量的1％~2％，运输效率过低。随着运输距离的增加，单位质量氢气运输成本直线上升。

加氢站是整个氢能产业链的终端。典型加氢站由储存系统、压缩系统、加注系统、控制系统等组成。除土建成本和管阀成本外，加氢站建设成本集中在核心设备的选用上，目前中国缺乏成熟量产的加氢站设备厂商，而从国外进口设备极大提高了加氢站建设成本。

氢能燃料电池汽车与加氢站的发展相互促进又相互制约。国外氢燃料电池汽车整车性能渐趋完善，接近传统汽车水平，成熟度接近产业化阶段，如日本丰田、本田及韩国现代汽车，其中丰田Mirai汽车销量处于世界领先水平。在中国，氢燃料电池汽车在整车总体布置、氢气消耗量等基本性能方面与国际水平差距不大，但在燃料电池汽车核心技术上，还存在较大差距，致使加氢站无法投入大规模运营，氢能发展缓慢。

高成本氢能应用对技术发展、生产规模、国家政策扶持等均要求较高，而国家能源战略转型需要全社会高度关注以形成推动化石能源向绿色能源转型的聚合力。为突破氢能利用的成本瓶颈，国际社会纷纷出台氢能战略，竞相采取政策扶持。

氢能作为具有高效供能效应的清洁能源，在全面应对全球气候问题、推动全球绿色经济发展的大背景下，发展前景广阔。在大量文献调研的基础上，对全球氢能产业链研究发展现状进行分析和探讨。目前，国内外氢能研究取得一定进展，但受制于技术、成本及安全性等瓶颈，氢能暂未得到大规模应用。建议未来加强以下研究：

（1）在制氢环节，目前以具有成本优势的化石能源制氢、工业副产氢为主，太阳能制氢、生物质制氢等技术处于研究和示范阶段，可再生能源发电后电解水制氢是未来制氢技术的重要发展方向。

（2）在储氢环节，目前高压气态储氢是中国主流发展方向，但其存在安全隐患大和储氢密度低等问题。有机液体储氢配合成熟的成品油供销体系具有非常优秀的发展前景，可由此技术为突破口，打破氢能储存技术壁垒，加速氢能产业发展。

（3）在输氢环节，目前氢能大规模应用的有效途径是利用管道实现长距离跨地区运输，无论是气氢管道输送还是液氢管道输送，在金属/非金属管材评价、安全运行、工艺方案及标准体系等方面仍存在诸多关键难题亟待解决。

（4）在用氢环节，燃料电池性能提高、经济成本降低以及加氢站建设等问题是目前限制氢燃料电池发展的重要因素，解决这些问题是实现氢能燃料电池商业化应用的关键。借助在役燃气系统消纳氢气，实现“氢进万家”，是推动氢能大规模应用的主要手段。

（5）氢的事故存在事故特征演化规律不清、失效后果预测困难、防护效果差等问题，尚需进一步研究纯氢、掺氢渗透泄漏、积聚、燃烧、爆炸事故特征及演化规律，同时建立失效定量评价方法及完整性管理体系，研发泄漏监测技术。

（6）针对临氢环境下管材相容性评价，国内外均缺乏纯氢、掺氢环境中材料-载荷-环境多因素耦合作用下管道和连接部位的氢失效原位测试方法以及纯氢、掺氢管道系统的相容性评价方法。

（7）针对氢能产业链关键环节，尚需从标准制定、示范工程或科技试验平台建设等方面提升研究水平。