氫氣制備方法綜合分析

妙 叢 王嘉煒 安 剛

（1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.航天氫能科技有限公司，北京 100074）

目前，氫能源作為清潔可再生能源越來越受到大眾的青睞，各國政府紛紛出臺扶持政策著力發展氫能源，重點建設一批氫能基礎設施，推動氫能的發展。隨著氫能基礎設施的普及，氫氣的應用場景更加廣泛，氫氣制備行業迎來了新的發展契機。

1 氫氣的制備方法

1.1 氫氣的實驗室制備方法

高校尤其是理工科院校經常會有一些實驗用到氫氣，因為用量小、使用時間不固定且可以作為學生的實操課培養學生的動手能力，所以使用化學反應方式獲得氫氣是一種可行方法[1-3]。

氫氣的實驗室制備方法主要有兩種：一種是鋁和氫氧化鈉溶液加熱反應產生氫氣，其化學反應方程式為2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑；另一種為稀硫酸與金屬鋅粒反應產生氫氣，其化學反應方程式為Zn+H2SO4（稀）=ZnSO4+H2↑。兩種方法用到的物料均容易獲得且相對便宜，化學反應簡單且快速。

1.2 水電解制氫

水電解制氫的工藝主要有堿性水電解制氫、質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水電解制氫、高溫固體氧化物水電解制氫、氯堿工業電解NaCl制氫、重水電解制氫、煤水制氫以及高溫熱水制氫7種工藝。它們的分類和各自的工作原理如表1所示[3-5]。

表1 水電解制氫工藝分類及工作原理

1.3 熱化學制氫

熱化學制氫指在水系統中，不同溫度下，經歷一系列化學反應將水分解成氫氣和氧氣，不消耗制氫過程的添加元素或化合物，整個反應過程構成一個封閉循環系統。熱化學制氫在1 073～1 273 K下進行，可與高溫核反應堆或太陽能所提供的溫度水平匹配，可望實現工業化[6]。

按熱化學循環制氫過程所涉及的物料可分為表2中的幾類。

表2 熱化學循環制氫按物料分類

1.4 化石能源制氫

商業用氫約96%從化石能源中制取儲備，會污染環境。作為一種過渡工藝，在石油化工生產過程中，常用石油分餾產品（包括石油氣）為原料，采用比裂化更高的溫度700～800 ℃（有時甚至高達1 000 ℃以上），使具有長鏈分子的烴斷裂成各種短鏈的氣態烴和少量液態烴，其中就含有氫氣[6]。

1.5 水煤氣法制氫

對于煤間接制氫，煤-甲醇-甲醇重整制氫傳統煤制氫技術（煤氣化為主）包括3個過程，分別為造氣反應、水煤氣變換反應、氫的提純和壓縮C+H2O—CO+H2CO+H2O—CO2+H2，可得含氫量在80%以上的氣體，將氣體壓入水中以溶去CO，再通過含氨蟻酸亞銅（或含氨乙酸亞銅）溶液除去殘存的CO得到較純的氫氣，流程如圖1所示。這種方法制氫成本較低，產量大，設備多，多應用于合成氨廠[7-9]。

1.6 氣體原料制氫

氣體原料制氫是指使用天然氣制氫，根據制氫工藝的不同主要分為3類，如表3所示[8]。

表3 氣體原料制氫分類

1.7 液體化石原料制氫

液體化石原料一般指甲醇、輕質油和重油等，以它們重整制氫的主要工藝如表4所示。

表4 液體化石原料制氫工藝

1.8 生物質制氫

生物質利用主要有微生物轉化和熱化學轉化兩類。微生物主要用來生產甲醇、乙醇及氫氣。在常壓常溫下，通過酶的催化作用，以水為原料，利用光能通過生物體制氫的方法是最有前途的方法。生物質能在利用過程中不排放額外的二氧化碳。

目前已證明，產氫作為一種生理性狀廣泛存在于光合營養生物，而能產氫的生物有幾百種。微生物轉化技術可以分為光解產氫生物（綠藻、藍細菌和光合細菌）和發酵產氫細菌兩類。藍細菌和光合細菌產氫能力是綠藻的1‰，無研發價值，而綠藻產氫效率很低，研發緩慢。發酵法則具有3大優點，一是產氫能力和菌種生長速度高于光合產氫菌種，二是無需光源且操作管理簡便，三是原料來源廣且成本低。

1.9 其他制氫方法

隨著科技的進步，制氫的方法層出不窮，其中發展較好且較受追捧的方法主要有太陽能直接制氫、太陽能電池板與水電解槽、輻射性催化劑制氫、各種化工過程副產氫氣的回收、電子共振裂解水、陶瓷和水反應制取氫氣以及新型氧化物材料制氫等。此外，電解食鹽制堿、發酵制酒精、合成氨化肥工業以及石油煉制工業也有大量氫氣產生。

2 各種制氫方法應用場合、經濟性、安全環保性的對比分析

根據物料儲備、地域、經濟性以及安全環保等要求，現對上述制氫方法做了對比分析，分析比較結果如表5所示。

表5 各種制氫方法應用場合、經濟性、安全環保性對比分析表

3 未來制氫產業的發展方向

從表5可以看出，生物質制氫從經濟性和安全環保角度看都具有廣闊的發展潛力。目前，我國已經在哈爾濱工業大學建立中試規模的生物發酵制氫，日產氫氣600 m3。環保是將來制氫技術發展的一個重要方向。PEM水電解技術具有電流密度高、無電解液腐蝕、工作安全及控制簡單等優點，在實際生產中的應用越來越廣泛，并在民用領域展示出了廣闊的應用前景。但是，PEM也存在弊端，需要突破質子交換膜、電催化劑以及膜電極等技術壁壘，打破國外技術壟斷的格局。