氫能開發與利用中的關鍵問題

曹 湘 洪

(中國石油化工集團公司，北京100728)

氫能開發與利用中的關鍵問題

曹 湘 洪

(中國石油化工集團公司，北京100728)

通過分析利用化石能源及可再生能源制氫和氫氣利用過程的能源效率、三廢排放對相關產業的帶動作用，強調氫能是一次能源高效利用的有效途徑，氫能是最清潔的二次能源，發展氫能將有力推動產業創新與產業轉型，氫能開發利用中的安全風險是可以控制的。系統完整的技術支持是氫能開發利用的關鍵，提出了我國開發利用氫能需要深入研究開發的技術與裝備。

氫能 開發 利用 能源效率 安全風險

長期以來，氫氣主要在煉油及化工行業作為原料使用。1839年英國的Grove發明了燃料電池，用氫氣與氧氣發生電化學反應，產生電流。從此以后，燃料電池技術不斷進步，現在氫燃料電池汽車已投放市場，兆瓦級燃料電池發電的工業示范項目已在計劃中，氫氣作為重要的二次能源的潛力開始逐步被人們認知。但氫氣能否真正成為未來重要的二次能源，持懷疑態度的人仍然很多。因此有必要從氫能對化石能源和可再生能源等一次能源的高效利用、氫能的環保效益和減排二氧化碳效果、氫能開發利用對產業結構調整的帶動作用、氫能使用中的安全風險控制等方面深化對氫能的認識，促進氫能的開發和利用，加強氫能開發利用技術的創新，使我國氫能的開發利用跟上世界先進水平。

1 氫能是實現一次能源高效利用的最有效途徑

氫氣的能量密度為140 MJ/kg，是汽油能量密度(43 MJ/kg)的3.25倍，固體燃料能量密度(50 MJ/kg)的2.80倍。氫氣可來自化石能源，包括煤(含高硫煤等劣質煤)制氫、石油焦和渣油(含高硫石油焦、劣質渣油、石油瀝青)制氫、天然氣制氫。雖然這些技術仍在不斷改進，但已經相當成熟。氫氣也可來自可再生能源，自然界大量存在的生物質可氣化制氫，水力發電、風力發電、太陽能發電產生的電可電解水制氫。風電、太陽能發電是不穩定電源，為保證電網安全，有上網比例限制，利用棄風的風電、棄光的光伏電電解水制氫，將氫氣壓縮或液化后儲存，有利于解決“棄風、棄光”問題。大型電廠可利用峰谷電電解水制氫，將氫氣儲存起來，作為燃料電池汽車的動力源。氫氣還可以來自工業過程排放的含氫尾氣，如鋼鐵廠的焦爐煤氣。

氫燃料電池有很高的能源利用效率，日本豐田公司和本田公司已經向市場銷售的車用燃料電池的效率可以達到65%；日本三菱重工業有限公司正在進行實驗室驗證、計劃2017年投入市場的工業用1 350 kW固體氧化物燃料電池的發電效率已達到55%；日本北九州八幡市實施氫能的示范項目家用燃料電池可為家庭供電及提供熱水，能源效率達到90%以上[1]。

美國能源部提出了如圖1所示的煤制氫-燃料電池發電工廠的生產流程，采用煤氣化-高溫脫硫-高溫陶瓷膜分離制氫-固體氧化物燃料電池發電方案，工廠的總熱效率(高熱值基準)可達65.2%。采用如圖2所示煤制氫、氫氣燃氣透平發電、氫分離器尾氣(含CO，CO2，H2)燃氣透平發電的煤制氫-聯產電力流程，包括CO2回收系統的整體熱效率(高熱值基準)可達到59%[2-3]。日本電力(J-power)公司正在開發IGFC(煤氣化和固體氧化物燃料電池集成發電)技術，其能源效率有望達到55%[4]。這些研究表明，以煤為原料的IGFC技術及氫-電聯產技術的能源效率都可明顯高于正在研究開發的能源效率達到48%的新一代超臨界發電技術。

圖1 煤制氫-燃料電池發電工廠的生產流程示意

圖2 煤制氫-聯產電力工廠的生產流程示意

2 氫能是最清潔的二次能源

在我國經濟社會發展過程中，受發展階段及發展方式、人口及消費模式等諸多因素的影響，能源消費總量快速增長，環境污染問題日益突出，近幾年許多地區霧霾天氣經常出現，二氧化碳排放總量躍升至世界首位，調整我國能源結構是解決問題的重要措施。

控制能源消費總量、調整能源消費結構成為我國今后很長時間內必須著力解決的問題。面向未來，我國的能源結構中，可再生能源及核電的比例會逐步上升，然而國情決定2050年乃至更長的時間內，化石能源是主要能源，且化石能源中煤炭是主要的一次能源的格局不會改變。必須高度重視化石能源的高效清潔利用，尤其是煤炭的高效清潔利用。通過轉化成氫能不僅可實現煤炭等化石能源的高效利用，而且利用過程的清潔環保程度高于電能、油品等二次能源。

從化石能源制氫過程分析，煤炭(包括劣質煤炭)、石油產品(包括高硫渣油、石油焦或石油瀝青)、天然氣采用如圖3所示的非催化部分氧化氣化制氫，原料中的碳和氧氣在高溫氣化爐內發生反應，生成合成氣，合成氣的主要組成為一氧化碳、氫氣、二氧化碳，還含有原料中硫化物轉化成的硫化氫，原料中的重金屬會聚集到氣化爐排出的灰渣中。對于天然氣制氫過程，因天然氣本身清潔，合成氣不會含硫化氫，也沒有重金屬排放，其流程更簡單。合成氣經過水煤氣變換，脫除硫化氫、二氧化碳后，通過變壓吸附即可得到高純氫氣，硫化氫經過脫硫制硫裝置可轉化成硫磺加以回收利用。整個過程不產生氧化氮，氧化硫排放量也很低。2012年中國華能集團公司在天津建成IGCC示范電站，裝機容量265 MW，采用2臺干式粉煤加氫氣化爐，生成的合成氣凈化后進燃氣輪機發電，長周期運行結果顯示，粉塵排放量為0.6 mg/m3，SO2排放量為0.9 mg/m3，NOx排放量為50 mg/m3，其中NOx排放由燃氣輪機發電過程產生[5]。

圖3 常規煤或渣油氣化制氫工藝流程示意

圖4 天然氣蒸汽重整制氫工藝流程示意

表1 天然氣蒸汽重整制氫裝置的工藝數據

天然氣制氫采用如圖4所示的水蒸氣重整工藝，某天然氣蒸汽重整制氫裝置的工藝數據如表1所示。該工藝技術成熟，工業化生產經驗豐富，高熱值當量熱效率可達83.9%[2]。該過程中，蒸汽重整反應在并列管式反應爐中進行，反應溫度850 ℃，壓力1.5～3.0 MPa，反應爐煙氣中含有NOx，雖然與天然氣氣化制氫工藝相比有一定量的NOx排放，但也是清潔的制氫工藝。

從作為能源利用的過程看，氫氣在燃料電池中與氧氣反應產生電，生成水，沒有任何污染物排放。

綜合化石能源制氫與氫能利用的全過程，氫能是最清潔、最環境友好的二次能源。從全壽命周期看，氫燃料電池汽車才是最接近零污染排放和最低二氧化碳排放的汽車，并且氫能利用方式具有高能源利用效率，因此氫能是化石能源高效清潔利用的最佳方式。正因為如此，世界上一些知名的汽車公司和能源公司都十分重視氫能及燃料電池技術開發，如戴姆勒奔馳汽車公司始終將燃料電池汽車視為可持續交通的終極解決方案；殼牌公司認為氫能將成為未來汽車的主要動力之一[6]。

美國加州對機動車排放的管控世界領先，2011年12月加州環保局空氣資源董事會發布的“先進清潔汽車”報告提出了“先進清潔汽車計劃”，明確在滿足環境空氣質量標準和減少溫室氣體排放上繼續擔任領先角色，要協調低排放汽車、零排放汽車和清潔燃料的銷售，期望的目標如圖5所示，到2040年新車銷售中零排放汽車銷量接近100%，2050年道路行駛汽車中氫燃料電池汽車約占60%，與電動汽車合計占道路行駛汽車的87%[7]。加州“先進清潔汽車計劃”也印證了氫能是最清潔和高效的二次能源。

圖5 美國加州道路行駛輕負荷車的期望目標

3 發展氫能將有力推動產業創新和產業轉型

發展氫能可以實現化石能源的高效清潔利用，可以成為風電、光電等不穩定電能的大容量儲能手段，是能源利用上的一項重大變革，這項變革是一個逐步推進的過程。目前處于市場起步階段的燃料電池汽車成本高，加氫站建設、氫氣的儲存運輸投入大、運行費用高，暫時難以被市場接受并大規模推廣，但是隨著技術的進步及市場規模的擴大，其經濟性會明顯改善。如豐田汽車公司2014年12月開始向市場發售Mirai燃料電池汽車，其2014年電池堆的成本是2008年的1/20。從事燃料電池汽車研究的專家預計，未來燃料電池汽車的成本將與同級別的電動汽車、混合動力汽車、內燃機汽車相當。日本政府制定并開始實施的氫能燃料電池戰略路線圖提出，2020年氫能燃料電池汽車的氫氣費用將實現與混合動力汽車的燃油費用同等或以下，2025年銷售的FCV汽車的售價與同配置的混合動力汽車相當[8]。因此決不能因為氫能目前使用的經濟性差而忽視其未來發展將會對產業結構帶來的影響，要充分重視其未來發展對產業創新及產業轉型的推動作用。

燃料電池是氫能利用的最佳方式，按使用的電解質不同分為五大類，即堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。這五類燃料電池有不同的工作溫度，性能特點各異，適用于汽車、家庭、工業發電等不同場合。氫能的開發利用將逐步創造出一個規模龐大的燃料電池產業，燃料電池和服務燃料電池的制氫、氫氣儲存運輸與分銷又會給材料及裝備制造業帶來新的機遇。

燃料電池汽車的開發與推廣將使傳統內燃機汽車、汽油、柴油逐步失去市場，傳統汽車產業、煉油業是受到直接沖擊的產業，與其相關的一批產業會間接受到沖擊。與煉油業相關的產業就有石油開采、石油與成品油運輸、石油與煉油工程、石油與煉油裝備制造等等，涉及面非常廣。

順應氫能的發展，將石油加工、油品銷售轉變成制氫、儲氫、氫氣銷售，煉油行業將會在轉型中獲得新生；將內燃機汽車制造轉變成燃料電池汽車制造，內燃機行業也將從產業創新中得到新的發展。

充分認識氫能的開發利用將會給已有產業帶來沖擊以及給產業轉型、產業創新帶來的機遇，應對沖擊、把握機遇、未雨綢繆，積極參與科技創新、產業創新，適時實施產業轉型才是正確的選擇。

4 氫能開發利用中的安全風險是可以控制的

氫氣是一種易燃易爆氣體，在空氣中的爆炸極限是4%～75%(φ)，發展氫能時人們最擔心的是氫能使用的安全性問題。國內外物理危險性類似氫氣的氣體利用及制氫用氫實踐證明，氫氣利用中的安全風險是可以控制的。

乙炔俗稱電石氣，相對分子質量為26.04，氣體密度為1.16 kg/m3，熔點為-80.8 ℃，沸點為-84 ℃，易燃易爆，在空氣中的爆炸極限是2.3%～72.3%。因分子中有不飽和的炔鍵，化學性質活潑，在液態和固態下，或在氣態和一定壓力下就有猛烈爆炸的危險。可是利用其在氧氣中燃燒可達3 600 ℃的特性，將其廣泛應用于氣焊和氣割。氫氣在空氣中的爆炸極限與乙炔相近，但其密度小，僅為0.089 9 kg/m3，密度僅為空氣密度的1/14，輕微泄漏很容易在空氣中向上逸散，乙炔的密度是空氣密度的90%，泄漏到空氣中時其擴散比氫氣要困難得多，與乙炔氣相比氫氣發生著火爆炸的危險性要小，應該可以像乙炔那樣廣泛應用。

關于氫氣的安全風險控制，國內外已積累了豐富的經驗。煉油廠內一般都有制氫裝置和采用加氫工藝的油品加工裝置，而且采用高溫高壓加氫工藝進行油品深度加工的裝置越來越多，制氫用氫超過50 kt/a的煉油廠越來越多；中國神華集團1 Mt/a直接法煤制油項目中煤制氫裝置的產氫量約為120 kt/a，用氫裝置都是高溫高壓裝置。大量制氫、用氫的煉油及現代煤化工工廠極少發生制氫用氫系統的著火爆炸事故。

為開發和推廣燃料電池汽車，全球已建成運行的加氫站超過200座，還沒有發生過加氫站著火爆炸事故的報道。2016年7月筆者專門赴日本進行氫能考察，其中一項重要的內容是考察日本開發利用氫能的安全規范標準和安全風險防控措施。所接觸的日本專家都介紹，他們的做法就是嚴格執行日本政府20世紀50年代發布的“高壓氣體法”，沒有另立其它安全規范與標準。

日本巖谷產業制氫工廠有兩條3 000 L/h的液氫生產線，兩條600 m3/h(標準狀態)的高壓壓縮氫生產線，產生的氫氣全部外銷，液氫用專用液氫罐車，20 MPa高壓壓縮氫氣用集裝壓縮氣瓶車送到客戶處，該工廠已投運11年，嚴格執行“高壓氣體法”，沒有發生過安全事故。參觀考察了3個公司、6座加氫站，除豐田汽車廠試驗車廠加氫站以外，都建在居民稠密區(如圖6所示)，與居民住宅的距離只有一墻之隔，站內有儲存壓力為70 MPa的氫氣瓶、小型氫氣高壓壓縮機、向燃料電池汽車注氫的加氫機。采用集裝高壓氣瓶車將氫氣送到加氫站，通過管線轉移到站內的儲氣瓶中，是一個完整的接、卸、儲、加系統；還有一個加氫站用站內的以丙烷為原料的小型制氫工廠供氫，不需要外供氫氣。在北九州八幡市氫能示范社區，用家用燃料電池為家庭和公用設施供電、供熱水，從新日鐵工廠向社區供氫的管線如圖7所示，這些管線穿過JR高速鐵路和北九州都市高速路，離管線5 m處有員工宿舍，離管線10 m處有居民住宅。為了及時發現管線泄漏，在氫氣中注入質量分數為10-6數量級的有臭味的環己烯，同時在管線上鋪設了光纜，對氫氣管線運行過程中的異常情況及時進行報警處理。

圖6 日本東京目黑加氫站

圖7 日本北九州氫能試點的街區氫氣管線示意

對于燃料電池汽車在意外情況下的安全性問題，豐田汽車公司展示了燃料電池車碰撞實驗的視頻，在外力撞擊致車輛徹底破壞的情況下，儲氫的高壓氣瓶完好無損；并且在車輛遭遇突發事故時，氫氣罐可采用快速卸壓等安全措施以保障安全。在日本進行氫能開發利用的商業示范中，認為安全距離只要符合“高壓氣體法”的規定，控制氫氣安全風險的措施就是嚴格執行“高壓氣體法”。

5 系統完整的技術支持是實現氫能開發利用的關鍵

氫氣作為能源使用有明顯的優勢，但是由于氫氣的特殊性質和使用過程的特點，也面臨一系列的挑戰，既有技術性問題，也有經濟性問題。比如氫氣是世界上已知的密度最小的氣體，沸點為-252.8 ℃，熔點為-259.2 ℃，可壓縮成高壓氣體或轉化成液體儲存運輸，工程技術問題都可以解決，但各有難度、成本高；汽車是隨機變速的移動機械，燃料電池作為汽車動力，電池的電能輸出要與隨機的動力需求契合，技術上可以找到解決方案，但動力系統必將復雜化，同時導致成本增加。由于技術和經濟性上一直面臨挑戰，因此提出燃料電池原理117年后的1955年，燃料電池才開始商業應用于美國的雙子星計劃(Project Gemini)，1991年才發明首個應用于汽車的氫氧燃料電池。經過一代又一代科學家和工程師堅持不懈的努力，燃料電池汽車商業化的條件逐步成熟，2014年日本率先向市場銷售燃料電池汽車。

我國進行燃料電池的研究開發已經有四十多年的歷史，經過努力國內已掌握了燃料電池汽車整車、動力系統和關鍵部件的集成技術。上海汽車集團股份有限公司開發的第三代榮威950燃料電池車，布置了2個容量為4.34 kg的儲氫瓶，續航里程300 km，百公里耗氫量低于1 kg。北汽福田汽車股份有限公司開發的燃料電池客車的電堆使用壽命為2 000～3 000 h，續航里程也達到了300 km。但是我國開發的燃料電池汽車的性能數據與國外已在市場銷售的燃料電池汽車的性能數據相比，電池的功率密度、壽命、低溫環境適應性等都存在明顯的差距。

圍繞氫能的開發利用，國際上除了燃料電池汽車研究外，還在進行新一代高效化石能源制氫技術、高效低成本電解水制氫技術、多孔材料儲氫技術、化學儲氫技術、家庭用燃料電池技術、工業及商業用燃料電池技術等的研究與開發。在日本家用燃料電池2009年就開始進入市場，預計2020年、2030年家用燃料電池的銷量將分別達到140萬臺和530萬臺，2017年工業及商業用燃料電池也將進入市場。我國在上述方面的差距也很大。

在氫能利用中，氫氣的壓縮、液化、儲存及運輸過程，加氫站氫氣接卸、壓縮、氫氣加注過程對工藝操作及設備、材料及儀器儀表都有很高的技術要求。國外都進行過相關技術研究，我國的研究則比較遲后。我國已制定的加氫站設計規范及標準與國外標準規范也有不小的差距，要通過研究論證修改完善。我國氫氣長距離管道運輸還沒有設計規范及標準，要盡快研究制定。這些問題解決不好，都會成為氫能開發利用的制約因素。

總之，氫能開發利用是一項系統工程，必須有完整的、系統的技術支持，要針對我國存在的問題和差距，加大研發投入，開展協同創新，組織聯合攻關，形成支持氫能開發利用的系列技術。

在氫能開發方面，要開展化石能源高效制氫及水電解低成本高效制氫技術研究。化石能源高效制氫技術包括化石能源高效制合成氣技術、合成氣脫硫脫碳與水蒸氣變換制氫集成新工藝、低成本提純生產高純度氫氣新技術等。水電解低成本高效制氫技術包括新型電極及隔膜技術、電解質改性技術。面向未來的技術還包括熱化學制氫、光催化制氫、光電化學制氫、太陽能直接制氫技術。

在儲氫技術與裝備研究方面，壓縮儲氫、液化儲氫是近中期可行的儲氫和氫氣運輸方式，其技術與裝備研究的重點是承壓70 MPa和90 MPa氫氣瓶用的低成本碳纖維材料生產技術和氫氣瓶制造工藝及裝備技術，高壓氫氣瓶及液氫儲罐使用壽命檢測評估技術。著眼長期的儲氫技術有化學儲氫技術、多孔材料吸附儲氫技術。

加氫站裝備制造技術研究的重點是新型防爆單電機驅動小型多缸氫氣高壓壓縮機設計及制造技術，加氫槍批量制造裝備及工藝技術，加氫槍使用安全性監測檢驗壽命評測技術。操作工藝技術研究的重點是氫氣接卸及車輛注氫全過程生熱與溫度控制技術。

車用燃料電池研究包括高功率密度、高效燃料電池研究，無鉑高效高功率密度燃料電池研究，低成本燃料電池汽車整車集成技術研究。其它用途燃料電池研究包括工業用大功率高效燃料電池技術研究，燃料電池與化石能源氣化制氫發電集成(IGFC)技術研究；家用高效燃料電池技術研究，燃料電池與家庭供熱、制冷集成技術研究。

在氫能開發利用的規范標準研究與制定方面，要致力形成氫能安全高效開發利用的國家標準體系，重點是借鑒國外的規范標準，圍繞加氫站、氫氣液化運輸及氫氣高壓壓縮運輸專用設備、氫氣長距離管道輸送，研究建立相應的達到國際先進水平的系列標準，如：充分利用土地資源并可保證安全的加氫站的規劃設計、建設、使用、維修標準系列；液氫儲罐和高壓儲氫瓶的設計、制造、使用、維修、檢驗、監測、壽命評估技術標準系列；液氫和高壓壓縮氫運輸車輛的設計、使用、維修標準系列；氫氣長輸管線的設計、施工、檢驗標準系列。

6 結束語

氫能是實現一次能源高效利用的最有效途徑，是最清潔的二次能源，發展氫能將有力推動產業創新和產業轉型，氫能開發利用中的安全風險是可以控制的，系統完整的技術支持是實現氫能開發利用的關鍵。我國要針對氫能開發利用技術與國外的差距，開展化石能源高效制取高純度氫氣及水電解高效低成本制氫技術、儲氫技術、儲氫裝備和加氫站裝備材料及制造技術、高功率密度低成本車用燃料電池技術、家庭和工業用燃料電池技術等的研究與開發，同時建立氫能安全高效開發利用的國家技術標準體系。

[1] 日本新能源產業技術綜合開發組織.NEDO氫能白皮書(日文版)[R].2015

[2] 陳俊武，李春年，陳香生.石油替代綜論[M].北京：中國石化出版社，2009：570-579

[3] Gary D，Tomlinson G.Hydrogen from Coal[R].Mitretek Technical Paper，MTR 2002-31

[4] J-POWER Group.Harmonizing Energy Supply with the Environment [R/OL].http：//www.jpower.co.jp/english/company_info/environment/pdf/er2016pdf/16-all.pdf

[5] 許世森，劉練波.火電廠燃燒后和燃燒前CO2捕集技術研發與示范[J].基石，2016，4(4)：50-55

[6] Hellenic Shipping News.Big Oil Replaces Rigs with Wind Turbines[R/OL].http：//www.hinterstellar.com/a/article/58d4522b1290715cc2f5e04e

[7] California Environmental Protection Agency Air Resources Board.Advanced Clean Cars[R].2012 pes-4

[8] 経済産業省.「水素·燃料電池戦略ロードマップ」をとりまとめました[EB/OL].http：//www.meti.go.jp/press/2014/06/20140624004/20140624004.html

KEYTODEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFHYDROGENENERGY

Cao Xianghong

(ChinaPetrochemicalCorporation，Beijing100728)

Based on the analysis on energy efficiency，“three wastes” discharges，and driving force for relevant industries of hydrogen manufactures from fossil and renewable energies and its utilization processes，it is recognized that hydrogen energy is the high efficiency way to utilize the primary energy sources and is the cleanest secondary energy.The development of the hydrogen energy will drive industrial innovation and industrial transformation.The risks in the development and applications of hydrogen energy can be controlled and the key is to develop a complete and systematic technical support.The technologies and equipments for developing and utilizing hydrogen energy in China are suggested.

hydrogen energy； development； application； energy efficiency； safety and risk

2017-04-26。

曹湘洪，中國工程院院士，美國國家工程院外籍院士，現任中國石化集團公司科技委員會資深委員，兼任國家石油產品和潤滑劑標準化技術委員會主任、國家能源咨詢專家委員會委員。

曹湘洪，E-mail：caoxh@sinopec.com。