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氢能产业链及氢能发电利用前景阐述

摘要：随着我国实施碳达峰、碳中和战略，以及我国的能源体制改革，氢能成为了我国国民经济发展的主要能源之一。氢能产业链涵盖了大量的生产、储存、运输工业环节，其中包括许多行业技术的交叉和创新，本文通过对现有的研究成果进行了梳理，并对各个环节的难点进行了探讨，以期为未来的氢能产业发展提供建议。

关键词：氢能产业链；氢能发电利用；前景

近些年，随着科技的飞速发展，人们对石油、煤炭等化石资源的大量使用，不但对生态环境产生了严重的影响，而且因资源的开发而引发的区域矛盾也越来越多。在这样的大环境下，发展洁净能源已成为我国能源产业的主要发展趋势。近几年，由于科技水平的不断提高，对环境保护的要求越来越高，氢的能量性质也越来越受到人们的关注。氢能源的生产、储存、运输、利用等四个方面构成了一条完整的产业链。由于氢能源行业正处在发展阶段，各种技术都有其优势和不足之处，目前还没有确定的最佳方案，必须根据不同的实际情况来确定优良的技术路径。

一、氢气的制备

就氢能的制备而言，按原料的不同和所产生的二氧化碳的排放量可划分为三大类型：（1）利用矿物原料制造的氢气，占世界上的氢气总量约有95%；(2)蓝色氢气，由天然气或蒸汽转化而来，它与二氧化碳捕获设备（CCUS）相结合，可以减少二氧化碳的排放，从而达到减排目的；(3)绿色氢气，利用可更新能源（光伏、风力发电、核能、水电等）制造出的氢气，并且不会产生二氧化碳。绿色氢气是电解水能源开发的终极目的。当前，我国的电解水法有三大类：碱性电解水技术、质子交换膜法、SOEC法等【1】。

1.碱性电解水技术

碱法生产氢气，是利用氢氧化钠或氢氧化钾作为电解液，在高压下进行电解生成氢气和氧，经去碱雾化后，可获得99%以上的氢气。利用碱电解水生产氢气具有技术上的优势，其使用年限可以达到15年以上。由于其具有较低的生产费用（不使用重金属催化剂，技术成熟）和较低的工作温度（60-90摄氏度），这使其在生产过程中的应用越来越广泛。碱电解工艺存在以下问题：(1)碱溶液与CO2发生化学反应，产生碳酸根，使催化剂发生阻塞，使电解质的稳定性下降；(2)用碱电解水生产氢气必须始终维持在阴阳极两边的气压均衡，以避免由阴阳极生成的氢与氧的混合物而导致爆裂；(3)由于碱电解水生产装置运行周期长，反应速度很慢。

2.质子交换膜电解水技术

PEM电解水生产装置包括：阴极板、扩散层、催化层、质子交换层等。在电解水中，H2O在阳极氧化时产生了氧和H+,H+在电磁场的影响下，经过质子交换膜向阴极转移，然后进行了还原，产生了氢。该方法具有1A/cm2的功率密度，可以达到4A/cm2的水平。而且，在理论上可以实现90%以上的转化，实际的转化效率可以达到60%以上，这比用碱电解水生产的氢气要好得多。

3.固体氧化物电解水技术

固态氧化物电解水制氢可以看作是SOFC的反向反应，其反应的温度一般高于600摄氏度，最大的效率可以达到90%。由于SOEC不需要昂贵的PMR薄膜，所以可以大大减少SOEC的生产费用。但是SOEC的工作温度较高，使用寿命较久，会造成其性能迅速下降。所以SOEC工艺的难点在于电解质、连接体等组件的研制。SOEC技术成熟程度不高，商品化程度不高，与实际使用存在着很大的差距。

二、氢的储存和运输

1.气体储存和运输的压力

在高压气体储存方面，一般采用长管式挂车输送20MPa，加氢站的加氢压力可划分为35MPa和70MPa，目前国内的主要供氢点是35MPa。采用气体储存方法，使用方便，只需使用一个压力调节器就能将其转化为氢，技术较为成熟，是一种较为普遍的储存方法。但这种方法也有一个很大的缺陷，那就是，尽管氢的输送速度可以得到很大的提升，但是因为它的体积太小，所以它的储藏容量依然很小，而且它的体积很大，重量很大，所以它适合在小范围内进行储存。

2.低温液体贮藏与运输

在此基础上对其进行了加压和降温，以达到更好的储氢效果。在0.1MPa时，氢气耗电量为-253摄氏度，浓度为76.98克/升，比气体氢气高出八百多个百分点。液体储存技术的发展趋势是储存和运输氢能的效率得到极大地改善，有利于长途运输，改善储存效率【2】。但是，由于氢的液化温度非常低，而且液化的时候，要保持超低温，必须要有一个超级的真空容器，这就造成了技术难度很高，价格也很昂贵。我国液氢技术还没有进入规模化使用阶段，大型液氢装置主要依靠国外生产和使用。所以，发展我国的液氢技术与装备，对我国的发展意义重大。

3.氢气的运输工艺

建立一条专门的氢传输通道，成本高昂，建设时间较长，目前还不能完全适应目前的发展速度。而在现有的输气系统中，采用现有的输气网络进行天然气与氢的混合运输，可以节省能源费用，提高能源行业的布局效率。氢气可以直接供应居民、工厂和商业使用者。但使用管线输送氢气时，存在着较大的问题，例如氢气的传播速度较气体快，易造成管线的氢脆性，所以必须对气体掺氢的配比进行严格的调控，并对相应的工艺及装备进行改进。由于氢气的高效分离和氢传输技术的发展还处在初期，我国还没有开展过混合后的应用研究。

三、氢能的利用

1.掺氢燃机

富氢燃气涡轮机，指将氢气与燃气混合后，用作燃气涡轮机的动力，从而实现电能的产生。气体的浓度是氢的8倍，气体的传播速度是氢的3.8倍。在天然气和氢的混合中，由于其较低的热能和较高的流率，所以必须对其进行回火和火焰振动来确保其安全和可靠。因为在较低温度下，氢的热量较低，为了保持原来的输出功率，需要加大进气流量，并对燃烧器和压缩机进行改造。富氢燃气涡轮技术现已在世界各国逐渐发展。西门子，通用电气，三菱日立等大型的发电公司，都已经在氢能涡轮技术方面进行了深入的研究，并且在技术和性能方面都有很大的成就。在韩国，意大利，美国，日本等多个国际上都有关于氢燃料发动机的具体应用。

2.燃料电池

燃料电池是一种可以将燃料的化学能量转换成电的反应器，它不需要进行内部能量和机械能量的转换，因而可以不受到卡诺周期的制约，其理论上的能量利用率在90%以上。和普通的蓄电池一样，它也是一个正负极，一个电解质【3】。但与电池中含有铅、锂离子、锌锰电池等的活性材料不同，电池中的正、负活性材料气体（或者氧）与燃油气体分别被单独地存储，电池主体只是作为催化剂的转化设备。所以在运行的时候，理论上，只要有足够的能量供应，就可以继续生产。在20世纪中期，人们首次使用了燃料电池。20世纪60年代，阿波罗航天飞机上的碱燃料电池被GM公司开发出来，并被用于许多太空任务。在1973年的石油禁令刺激了寻找可供选择的原油资源，而在此之后，燃料电池再次受到了广泛的重视。燃料电池技术包括：碱性燃料、质子交换薄膜燃料、熔融碳酸盐燃料、SOFC、PAFC等。其主要用途包括航天，军事，新能源发电，交通运输等。在能量方面，燃料电池可分为两个方面：大规模/分散热电联产、通信基站供电以及交通工具等。目前，最有发展潜力的是PEMFC和SOC。

四、结语

在实现碳达峰、实现碳中和的前提下，发展氢能源已是我国能源节约、减排和工业发展的主要任务。我们必须认识到，尽管氢能工业发展速度相对较快，但还必须坚持合理的发展思路，既要重视发展，也要重视对目前装置的更新，满足企业的安全生产要求，确保氢能工业科学快速发展。

参考文献

[1]凌文,刘玮,李育磊等.中国氢能基础设施产业发展战略研究[J].中国工程科学,2019,21(3): 76-83.

[2]罗佐县,曹勇.氢能产业发展前景及其在中国的发展路径研究[J].中外能源, 2020,25(2): 9-15.

[3]李永恒,陈洁, 刘城市等.氢气制备技术的研究进展[J].电镀与精饰,2019, 41(10): 22-27.