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第 50 卷 第 6 期 Vol.50 No.6 2021 年 6 月 THERMAL POWER GENERATION Jun. 2021 收 稿 日 期2021-01-07 基 金 项 目北京市百千万人才工程资助项目2020A30 Supported byBeijing Millions of Talents Funding Project 2020A30 第一作者简介李建林1976，男，博士，教授，主要研究方向为大规模储能技术，。 通信作者简介马速良1988，男，博士，助理研究员，主要研究方向为大规模储能技术与应用，。 碳中和目标下制氢关键技术进展及 发展前景综述 李建林 1，李光辉1，马速良1，王 含2 （1.储能技术工程研究中心北方工业大学，北京 100144； 2.国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209） 摘 要本文围绕制氢关键技术的研究进展进行综述，分析了氢能发展的背景，整理并解读了当前 我国与氢能相关的政策，并调研了几项国内典型制氢项目。对氢能产业链中制氢环节应用 现状及关键技术原理进行了梳理和对比， 包括煤制氢、 醇类制氢及电解水制氢技术的原理、 电解槽结构及数学模型，并分析了由“灰氢”到“绿氢”转化的重要意义，为我国“绿氢” 制取关键技术的发展提供借鉴和参考。 关 键 词制氢技术；电解制氢；绿氢；可再生能源；电解槽；燃料电池 中图分类号TM734 文献标识码A DOI 编号10.19666/j.rlfd.202101002 引用本文格式李建林, 李光辉, 马速良, 等. 碳中和目标下制氢关键技术进展及发展前景综述J. 热力发电, 2021, 506 1-8. LI Jianlin, LI Guanghui, MA Suliang, et al. Overview of the progress and development prospects of key technologies for hydrogen production under the goal of carbon neutralityJ. Thermal Power Generation, 2021, 506 1-8. Overview of the progress and development prospects of key technologies for hydrogen production under the goal of carbon neutrality LI Jianlin1, LI Guanghui1, MA Suliang1, WANG Han2 1. Energy Storage Technology Engineering Research Center, North China University of Technology, Beijing 100144, China; 2. SPIC Science and Technology Research Institute, Beijing 102209, China Abstract This article reviews the research progress of hydrogen production technology, analyzes the background of hydrogen energy development, sorts out and interprets Chinas current policies related to hydrogen energy, and investigates several typical hydrogen production projects in China. The application status and key technology principles of hydrogen production are sorted out and compared, including the principles of hydrogen production from coal, hydrogen production from alcohols, and hydrogen production from water electrolysis, electrolytic cell structure, and mathematical models. Moreover, the significance of the conversion from “gray hydrogen” to “green hydrogen” is analyzed, which provides reference for the development of key technology of “green hydrogen” production. Key words hydrogen production, hydrogen production by electrolysis, green hydrogen, renewable energy, electrolyzer, fuel cell 1 我国氢能产业发展现状 做好碳达峰、 碳中和工作， 即力争在 2030 年前 使国内二氧化碳排放达到峰值， 2060 年前实现碳中 和，是我国今后一段时期的重点任务之一。积极探 索新型清洁能源有助于促进我国碳达峰、碳中和工 作的加速进行，加快产业结构的优化。氢能作为一 种储量丰富、热值高、能量密度大、来源多样的绿 色能源，被誉为 21 世纪的“终极能源”1-6。氢能 的开发利用也受到了世界各国的高度重视，美国、 日本、澳大利亚等国已制定相关政策，将氢能列为 国家能源结构的重要组成部分7，我国也在积极布 局氢能发展战略，逐步完善氢能政策体系。 2016 年， 国家发展改革委、 国家能源局印发 能 源技术革命创新行动计划（20162030 年） ，将氢 能列为 15 项能源技术革命重点任务之一，把可再 生能源制氢、氢能与燃料电池技术创新作为重点任 务8。使用可再生能源电解水制氢是氢能产业新的 2 2021 年 发展趋势，使用弃风、弃光、弃水打通制氢环节路 线，可最大程度避免能源浪费，提高电解水制氢的 经济性，符合绿色能源可持续发展需求9。 2020 年 5 月，中共中央颁布2020 年政府工 作报告 ，提出引导加大氢燃料电池基础科研投入， 鼓励能源企业建立稳定、便利、低成本的氢能供应 体系，制定国家顶层氢能规划。 2020 年 9 月 8 日，国家发展改革委、科技部、 工业和信息化部、财政部 4 部委联合印发关于扩 大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极 的指导意见 。意见指出， 加快新能源发展， 加快制 氢加氢设施建设10。随着氢能相关政策的颁布和完 善，国家还鼓励支持了一大批氢能项目的建设发 展，具体见表 1。 表 1 我国部分制氢项目汇总 Tab.1 Summary of some hydrogen production projects in China 项目/装置 时间 地区 氢气产量 作用 20 万 m3/h 煤制氢装置 2011 年 广东茂名 20 万 m3/h 煤制氢 山东寿光鲁清石化有限公司 6 万 m/h 甲醇制氢装置 2018 年 山东寿光 6 万 m3/h 甲醇制氢 沽源风电制氢综合利用示范项目 2019 年 河北沽源 1 752 万 m3/a 风电制氢 风电及制氢综合示范项目 2020 年 吉林榆树 风电制氢 太阳能电解水制氢储能及综合应用示范项目 2020 年 宁夏 1.6 亿 m3/a 光伏电解水制氢 氢能一体化示范基地建设项目 2020 年 河北张家口 打造氢气的生产、储存、运输、加注和应 用在内的一体化氢能产业链 随着我国政策的引导以及大批氢能项目落地 实施，氢能技术不断突破，产业体系逐步完善，我 国氢能领域的发展已加速进入产业化阶段。经过多 年的工业积累，中国已经是世界最大的制氢国，氢 能市场潜力巨大。中国每年仅风力、光伏、水电等 可再生能源弃电约 1 000 亿 kW h， 可用于电解制氢 约 200 万 t11，如果能将这些富余的被弃掉的能源 用于电解制氢，将会大大减少能源浪费。近年来， 我国氢能产业发展速度快、覆盖广，截至 2020 年 1 月，我国已建成加氢站 61 座（图 1） ， 规划和在建 的加氢站有 84 座12，内蒙古、辽宁、山东、河南、 湖北、广东、四川、安徽等地均有分布。 图 1 我国各省市已建成加氢站数量（截至 2020 年 1 月） Fig.1 The number of hydrogen refueling stations which have been constructed in China up to Jan. 2020 但是，我国氢能产业还存在诸多问题，如关键 技术亟待突破、缺乏自主知识产权、基础设施仍有 待加强等。对此，本文从氢能产业链制氢环节关键 技术切入，分析总结国内外制氢技术现状，并结合 我国制氢领域亟待解决的问题，对 3 种主流制氢工 艺进行分析，总结现有技术的优缺点，最后对氢能 未来技术发展方向进行展望，对我国氢能产业发展 提出建议，以期对我国氢能产业的发展提供指导。 2 制氢关键技术 氢气制备主要技术工艺有热化学制氢和水电解 制氢，其中热化学制氢技术主要有化石能源制氢及 第 6 期 李建林 等 碳中和目标下制氢关键技术进展及发展前景综述 3 化工原料制氢。 化石能源制氢包括水煤气制氢、 天然 气重整制氢等， 目前已经进行工业生产， 技术相对成 熟， 但能量的产出大于投入， 若用此法制氢发电， 能 量转换效率低， 经济性差， 因此传统能源制氢并非理 想的制氢技术13。化工原料制氢主要有醇类裂解制 氢、 醇类重整制氢， 如甲醇水蒸气重整制氢。 水电解 制氢法即利用光伏、风电等新能源电力电解水制氢， 这种制氢方式近零碳排放，可充分利用“三弃” （弃 风、弃光、弃水）能源水解制氢，还可大大降低制氢 成本，是实现“绿氢”生产的重要技术环节，也是氢 能领域投资的重点领域6,14-17。不同制氢技术所使用 的制氢原料及制氢工艺大有不同。 2.1 制氢原料 图2给出了目前全球制氢原料占比和主流制氢方 法的经济性对比。由图 2a可以看出，在所有制氢原 料中，天然气使用最为广泛，占比达到48，其次是 醇类 （占比为30） ， 电解水使用较少， 占比仅为4。 目前，全球制氢技术的主流选择是化石能源制 氢和化工原料制氢，这主要是由于化石能源制氢和 化工原料制氢的成本较低（图 2b） 。此外，由于清 洁性好、效率高、成本低，采用天然气重整制氢具 有较大利润空间18。采用电解水制氢是当前制氢环 节的研究热点，技术也较为成熟，其他新型制氢法 尚未应用于大规模制氢。 图 2 制氢原料和不同制氢方法经济性对比 Fig.2 Economic comparison of hydrogen production raw materials and different hydrogen production s 从制氢原料占比来看，近期我国仍将主要采用 化石能源制氢和工业副产氢碳捕集、利用与封存 （carbon capture utilization and storage，CCUS）技术 （即 “蓝氢” ） ， 助力化石能源制氢降低碳排放。 而随 着我国可再生能源装机容量不断增大，在西北地区 出现大量弃风弃光现象，如果能够将弃风弃光所发 电力用于电解水制氢 （ “绿氢” ， 即采用风电、 光伏等 可再生能源电解水制氢） ，“绿氢” 制取经济性也非常 可观。因此，长远来看，随着碳达峰、碳中和工作的 推进， “绿氢”将成为氢能应用的主流选择。 2.2 制氢工艺 现有主要制氢方式如图 3 所示。较为成熟的 技术路线有 3 种，即使用煤炭、天然气等化石能 源重整制氢，以醇类裂解制氢技术为代表的化工 原料高温分解重整制氢，以及电解水制氢10-11。光 解水和生物质气化制氢等技术路线仍处于实验 和开发阶段，相关技术难以突破，尚未达到规模化 制氢的需求。 表 2 给出了典型制氢工艺中各类能源的能量转 换效率与碳排放量。由表 2 可以看出虽然化石能 源制氢工艺成熟且原料价格低廉，但是会排放大量 的温室气体， 对环境造成污染， 因此环境成本极高； 而电解水制氢工艺几乎无碳排放，符合绿色发展及 可持续发展的环保理念。 2.2.1 化石能源重整制氢 天然气制氢技术中，蒸汽重整制氢较为成熟， 是国外主流制氢方式11。其原理是先对天然气进 行预处理，甲烷和水蒸气在转化炉中反应生成一氧 化碳和氢气等；经余热回收后，在变换塔中，一氧 化碳和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气。该技术是 在天然气蒸汽转化技术的基础上实现的13,19-21。在 变换塔中， 在催化剂存在的条件下， 控制反应温度， 转化气中的一氧化碳和水反应，生成氢气和二氧化 碳。主要反应式为 422 CH H OCOH 高温 1 222 COH OCO H 高温 三氧化二铁催化 2 目前，国内天然气重整制氢、高温裂解制氢主 要应用于大型制氢工业。天然气制氢过程的原料气 也是燃料气， 无需运输， 但天然气制氢投资比较高， 适合大规模工业化生产。 一般制氢规模在5 000 m3/h 4 2021 年 以上时选择天然气制氢工艺更经济。此外，天然气 原料占制氢成本的 70以上，天然气价格是决定氢 价格的重要因素，而我国富煤、缺油、少气的能源 特点，制约着天然气制氢在我国的实施11。 图 3 目前主要制氢方式 Fig.3 Current main hydrogen production s 表 2 典型制氢工艺中各类能量转换效率与碳排放量 Tab.2 The energy conversion efficiency and carbon emissions in a typical hydrogen production process 制氢工艺 原料 能源 能量密度/MW km2 能量转换效率/ 二氧化碳排放量/kg 重整制氢 烃类 天然气 750 76.0 69 煤化物制氢 煤炭 煤炭 750 59.0 193 电解水制氢 水 核能 500 28.0 17 水力 5 70.0 15 潮汐 1 70.0 20 风能 4 70.0 18 太阳能 120 10.5 27 光催化制氢 水 太阳能 120 4.0 27 煤气化制氢是工业大规模制氢的首选，也是我 国主流的化石能源制氢方法。该制氢工艺通过气化 技术将煤炭转化为合成气（CO、CH4、H2、CO2、 N2等） ，再经水煤气变换分离处理以提取高纯度 的氢气，是制备合成氨、甲醇、液体燃料、天然 气等多种产品的原料，广泛应用于石化、钢铁等领 域21-22。煤制氢技术路线成熟高效，可大规模稳定 制备，是当前成本最低的制氢方式。 2.2.2 甲醇水蒸气重整制氢 甲醇水蒸气重整制氢，即甲醇和水在一定温 度、压力和催化剂作用下转化生成氢气、二氧化碳 以及少量一氧化碳和甲烷的混合气体，该方法产物 中氢气体积分数是甲醇制氢法中最高的。甲醇水蒸 气重整制氢具有反应温度低、产物氢气体积分数 高、一氧化碳体积分数（2）较甲醇分解制氢法 低等优点。因此，目前开发的甲醇制氢技术主要采 用甲醇水蒸气重整制氢工艺23-26，其反应机理见 式3，工艺流程如图 4 所示。甲醇水蒸气重整制氢 装置已经广泛用于航空航天、精细化工、制药、小 型石化、特种玻璃、特种钢铁等行业27-28。 3222 CH OHH OCO 3H 50.7 kJ/molH 高温 催化剂 3 图 4 甲醇水蒸气重整制氢工艺流程 Fig.4 Flow chart of the methanol steam reing hydrogen production process 第 6 期 李建林 等 碳中和目标下制氢关键技术进展及发展前景综述 5 2.2.3 电解水制氢 化石能源重整制氢、甲醇水蒸气重整制氢过程 均有含碳化合物的排出，不符合可持续发展和绿色 发展的环保理念，而电解水制氢过程为水电解生成 氢气和氧气，无含碳化合物的排出13,29-30，绿色环 保。目前，我国正处于能源转型的关键阶段，将可 再生能源（太阳能、风能等）转化为氢气或者含氢 燃料的能源载体，有助于推进我国能源转型进程， 促进我国能源多元化发展11,31-34。 可再生能源电解水制氢技术路线如图 5 所示。 图5 中， 根据电解质种类， 电解槽可分为碱性电解槽、 质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）电解 槽、固体氧化电解槽（solid oxide electrolyze cells， SOEC） 3 种。 不同电解水制氢技术参数及特点对比见 表 3。由表 3 可以看出碱性电解水制氢技术是目前 市场化最成熟、制氢成本最低的技术；质子交换膜电 解水制氢技术较为成熟，具有宽范围的运行电流密 度，可以更好地适应可再生能源的波动性，是国外发 展的重要方向， 我国应加大质子交换膜电解水制氢技 术的研发力度，加强与国外领先单位的合作研发；固 体氧化物电解水制氢技术是能耗最低、 能量转换效率 最高的电解水制氢技术，国外学者在 Science 上发表 的文章指出， 固体氧化物电解槽可在动态电力输出下 工作，并不会有明显衰减35。因此，固体氧化物电解 水制氢技术有望实现大规模、低成本的氢气供应，应 重点关注并提前进行技术和专利布局。 图 5 可再生能源电解水制氢技术路线 Fig.5 The technical route of hydrogen production from water electrolysis with renewable energy 表 3 3 种典型电解水制氢技术对比 Tab.3 Comparison of three typical electrolysis water hydrogen production technologies 项目 碱性电解水制氢 质子交换膜电解水制氢 固体氧化物电解水制氢 能源效率/ 6075 7090 8595 运行温度/ 7090 7080 7001 000 电流密度/A cm2 0.20.4 1.02.0 1.010.0 能耗/kW h m3 4.55.5 3.85.0 2.63.6 响应速度 较快 快 慢 电能质量要求 稳定电源 稳定或波动 稳定电源 系统运维 腐蚀液体，后期 运维复杂，成本高 无腐蚀液体，运维简单，成本低 目前尚处于实验室阶段， 运维需求暂不明确 电解槽寿命/h 12 000 10 000 设备成本/元 kW1 2 000 8 000 特点 技术成熟，已基本实现工业 大规模应用，成本低 具有较好的可再生能源适应性，无污染， 现阶段成本较高，国内暂未实现商业化， PEM 更换成本较高，催化剂为贵金属 部分电能可以使用热能替代， 转化效率较高，高温条件下材 料选择困难，尚未实现商业化 以 PEM 电解槽为例，其工作原理如图 6 所示。 PEM 电解槽由膜电极组件（MEA） 、气体扩散层 （GDL）及带有流道的隔板（双极板）组成。电解 槽中，水经过电解在阳极产生氧气，在阴极产生氢 气，因此在产生的气体出口设置了流量计36。典型 的碱性电解槽考虑温度影响的 U-I 特性曲线模型及 电解槽制氢量相关模型可以用式4表示36-38。 ac 2 2 12312 c c 2F 0.09/75.5/ F // log1 H 2 96.5e II ttTtTRR T UUIsI AA N nI F 4 式中Uc为电压常数；T 是温度，K；R1、R2是电 6 2021 年 解液的欧姆电阻参数， m2； s 是与稳定相关的过电 压系数，V；t 也是与稳定相关的过电压系数，K/A； nacH2指实际制氢量；F为法拉第效率；Nc为系统 中电解槽的个数；F 为法拉第常数。PEM 电解槽的 电流由可再生能源发电的输出功率及电解槽相关 特性参数决定。 1PEM 电解槽；2电池电加热器；3压差传感器；4截止阀；5 管道电加热器；6预热罐；7氧气流量计；8控制阀；9循环泵； 10氢气流量计。 图 6 PEM 电解槽工作原理 Fig.6 Working principle of the PEM electrolyzer 通过利用可再生能源发电的弃水、弃光、弃风 电力，电解水制氢可平抑风力、光伏等发电输出的 波动性，并减少能源浪费，解决弃电问题。另一方 面，可以通过远距离输运氢燃料，将可再生能源从 资源丰富的地区高效转移到用能负荷中心，利用氢 气发电增强电网的协调性和可靠性，有效解决可再 生能源供需存在的区域错配问题。上述整个过程清 洁环保，几乎不产生二氧化碳。但是，可再生能源 电解制氢成本较高，因此， “绿氢”的制取亟需可再 生能源电解水制氢技术的进一步攻关，降低制氢成 本，助力碳达峰、碳中和任务的推进。 综合对比以上 3 种制氢技术煤、天然气制氢 技术最为成熟，尤其煤制氢在我国具有较大成本优 势，但此法制得的“灰氢”不符合能源向低碳转型 的绿色发展需求；电解水制氢技术可以制得“绿 氢” ，能源效率高，但是成本较高，经济性较差。 3 种制氢工艺的技术水平及经济性对比见表 4。 煤或天然气制得的“灰氢”通过 CCUS 技术可 转化为 “蓝氢” ， 该技术也是我国实现碳中和目标技 术组合的重要一环39。随着碳达峰、碳中和工作的 深入进行，制氢领域面临的挑战将是实现无碳或碳 中性（ “绿氢”或“蓝氢” ）的技术（目前通过电解 水制取“绿氢”来替代） ，并将这些技术以更大规模 推广应用，进而降低生产成本，产生经济效益。 表 4 3 种制氢工艺技术水平及成本对比 Tab.4 The technical levels and costs of three hydrogen production technologies 制氢类型 技术水平 成本 代表企业 煤制氢 煤制氢技术主要包括煤焦化制氢和煤气 化制氢，其中煤气化制氢技术发展成熟 煤气化制氢具有较大的成本优势。经测算，原料煤价格 在 300800 元/t 波动时，氢气成本为0.610.91 元/m3 煤化工企业 天然气重整制氢 天然气水蒸气重整是工业上最为成熟的 制氢技术，针对该技术工艺，生产 1 m3 氢气需要消耗 0.45 m3天然气 当天然气单价从 2.50 元/m3上升到 4.5 元/m3时，制氢 成本也从 1.22 元/m3升高到 1.88 元/m3 常州蓝博、四川亚联、上 海华西化工、江苏亨通等 甲醇重整制氢 甲醇重整制氢技术较为成熟，应用广泛 当甲醇价格在 2 5003 100 元/t 波动时，制氢成本为 1.822.12 元/m3 主要设备制造商包括四 川天一、亚联高科、蜀泰 化工、邯郸派瑞气体等 电解水制氢 电解水制氢技术需克服成本问题，每生 产 1 m3氢气约消耗电力 3.55.0 kW h 当电价为 0.5 元/kW h时，制氢成本为 1.752.50 元/m3 西门子能源、林德集团 3 结 语 氢能是一种理想的新型能源，通过风光等新能 源电力制氢，并将氢与燃料电池结合发电，以此形 成氢能产业生态圈有助于保障我国能源安全，加快 构建清洁化、低碳化的氢能供应体系，对我国可持 续发展战略具有重大意义。氢储能可以作为储能系 统新思路，解决可再生能源消纳能力不足及新能源 并网问题。氢结合燃料电池发电是氢能全生命周期 应用的关键技术环节，氢气发电可以产出多种有直 接经济效益的产品 （如纯氧） ， 达到大量减少二氧化 碳排放的目的，具有很好的经济效益和环保效益。 氢能应用前景广阔，但有部分难题亟待解决。 氢气扩散能力强，易燃易爆，与金属接触容易导致 氢脆，不好储存，因此妥善解决氢能的储运问题是 氢能安全高效使用的关键。此外，电解水制氢成本 较高。基于上述问题，提出以下建议 1）今后应紧紧围绕氢能的制、储、运、用 4 个 环节，着力建设完善氢能体系，加大氢能源与电网 的互动性，促进我国能源转型； 第 6 期 李建林 等 碳中和目标下制氢关键技术进展及发展前景综述 7 2） 明确氢能发展定位， 给予氢能产业完善的政 策支持； 3） 大力发展电解水制氢技术， 利用弃风、 弃光、 弃水资源制取 “绿氢” ， 解决电解水制氢经济性难题 及能源浪费问题； 4）大力发展可再生能源（如风电与太阳能）与 氢气储能结合，促进氢能在储能领域的发展，加速 推进我国碳达峰、碳中和工作。 参 考 文 献 1 曹蕃, 陈坤洋, 郭婷婷, 等. 氢能产业发展技术路径研 究J. 分布式能源, 2020, 51 1-8. 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