绿氢制备与氢储能，是支撑燃料电池发展的关键

2022年，随着世界局势变化，以及欧洲已经开始突现出的能源安全问题，使越来越多的人意识到，能源安全问题是一个着力发展制造业的国家需要面对的核心问题。对中国的汽车产业来说，解决能源安全也是必修课——围绕新能源发展，从光伏、风电和新能源汽车（纯电动和插电/增程）一路形成闭环，是否就完全能跑通呢？

对此我的理解是：中国领土广袤，在电网建设方面的投入相当巨大；从长远发展来看，解决中国能源安全，兼容化石能源和新能源，氢能经济将是未来发展的主题之一。事实上，在全球能源转型、实现碳中和过程中，氢能承担着不可替代的重要角色。而中国具有良好制氢基础和大规模应用市场，氢能产业正在呈现积极发展态势。

目前光靠化学储能系列来驱动中国能源是有短板的，我们看到锂电池配合太阳能和风电这系列组合，在锂电池资源上游段，已经出现了一定层面的资源问题。中国的能源安全问题，是需要靠几条腿走路的。氢燃料电池技术，将氢气和氧气的化学能直接转换成电能，也可以做成氢燃气能机。而氢储能具备几个优势：大容量长时间的储能可充分利用再生电力；储能具有可观的规模经济性；制储运方式灵活（管道，可以拖车，高压电、长途输电、长途制氢等等）。如果能大规模应用，可以成为未来解决能源危机的终极方案。

氢能的发展

氢能有储量丰富、能量密度高、可循环利用的特点，且能达成温室气体零排放，是中国实现2060年碳中和目标不可忽视的能源构成，也是未来国家能源体系的组成部分。 中国是目前全球第一产氢大国，统计显示，目前国际制氢年产量6300万吨左右，中国是世界上最大的制氢国，年制氢产量约3300万吨，占世界氢产量的三分之一。

但这些产能中，煤制氢和天然气制氢占比近八成，氯碱、焦炉煤气、丙烷脱氢等工业副产氢占比约两成，绿氢规模很小。绿氢是中国的氢能行业的发展发向，潜力巨大。

什么是绿氢？按制氢的来源来区分，氢能可以分为：蓝氢和绿氢，还有灰氢。

●灰氢（Grey Hydrogen）：是通过化石燃料燃烧产生的氢气，事实上这类氢气约占当今全球氢气产量的95％。氢原子并不存在于自然界中，向于依附在化学化合物、碳水化合物以及碳氢化合物等物质中的氧和碳原子。使用的电力由化石燃料产生，那将其称之为灰氢。生产灰氢的过程中会形成副产物，例如二氧化碳等温室气体。

●蓝氢（Blue Hydrogen）：也由化石燃料产生而来，主要来源是天然气。融入了碳捕获与储存技术，事实上全球范围内蓝氢比绿氢更难获取。

●绿氢（Green Hydrogen）：如果们使用清洁电力（零碳排），产生的氢就是绿色氢，绿氢是利用可再生能源、通过电解工序产生的，其碳排放可以达到净零。

绿氢是我们能源战略目标的重要发展方向，这从绿氢的获得途径可以看出。

由光伏和风能构成的绿电，是生产绿氢最理想的能量来源。“风光”绿电+绿氢，是互相成就的双环保路线。

◎太阳能、风能转化为绿电，通过电解水设备产生绿氢，氢燃料电池的发电效率与综合能效远高于传统化石能源（是石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍），还是零碳排放。

◎在风电和光伏发电的聚集区建设制氢基地，能有效消纳风光电能。风光发电有很强的波动性和随机性，将风光电用于电解水制氢，可提高能源储存，拓展电能利用。

◎中国规模化的风电和光伏基地都在欠发达地区，如新疆、内蒙古、甘肃等，当地对风光电的消耗十分有限。氢气需求被打开，不仅为光伏风电网找到了规模化的大市场，也将进一步促进绿电产能的优化。

配合特高压进行传输，以及部分电能的储存需求，绿氢产业有着极大的市场前景，单在中国便有着万亿的产业潜能，绿氢将是中国通往2030和2050年重要的能源介质。

在中国，蓬勃发展的氢能燃料电池汽车就是绿氢的先导和突破口。伴随着中国的新能源汽车革命，越来越多的可再生能源被利用发电，电可以制备氢能——氢和电作为可再生能源革命的两个主要的能源载体，可以实现互换。

▲图2.绿氢的制备

绿氢的制备

绿氢制备方式中主流的是通过可再生能源发电所得电力接入电解槽电解水制氢，电解水制氢技术主要有碱水电解（AWE）制氢、质子交换膜（PEM）纯水电解制氢和固体氧化物电解（SOE）制氢技术三种。

事实上，要发展绿色制氢产业，主要是依靠电解水制氢。面向近中远期，中国也在开展三种电解水制氢技术的研发。

●碱水电解制氢：目前在市场化中最成熟的电解技术占据着主导地位，碱性电解液通常采用氢氧化钾水溶液，在电解水制氢过程中输送离子。通过多孔石棉来分离水产生氢气和氧气。

●质子交换膜纯水电解制氢：PEM电解槽由2个电极和1个膜组成，不需要电解液，只需要纯水，使用膜电极组件，电极材料为多孔铂，催化剂附着在交换膜表面。

●固体氧化物电解制氢：水蒸气进入管状电解槽后，在阴极分解成H＋和O2－，H＋获得电子生成氢气。

▲表2.电解氢主要方法对比

未来绿氢的制取成本还将持续下降——伴随着可再生能源发电成本的持续下降、规模经济、现有项目的经验积累以及技术进步，都将使绿氢成为更具经济性的能源。从目前来看，2050年，绿氢发电潜在总市场将达到1万亿美元。绿氢产业路线刚刚起步。

电解水的瓶颈和解决方案

但是，目前采用电解水制备氢能主要有几个问题：

●安全：首先面临的难点是，现有制氢装备多来自主流技术路线，生产过程中各种问题比较多。

氢比其他矿物然料更具有易燃易爆性，氢气无色无味，易泄漏扩散；氢气在常温常压空气中的可燃浓度为4%～75%（体积分数），可燃范围宽；氢气在常温常压空气中的爆轰极限为18.3%～59%（体积分数），爆轰速度为1480m/s～2150m/s。当氢气泄漏与空气或其他氧化剂结合时很容易着火，并会释放出很大的能量爆轰的特点是突然引起极高压力，并产生超声速的冲击波。氢气的易燃易爆特性与石油天然气有很大区别，其威力和破坏性极强，其后果也要严重得多。

这对制氢设备的严密性提出了极高的要求。

●成本

电解制氢所需消耗的电量十分庞大，约占总生产成本的75％，这个成本之高，令人望而却步。囿于成本难题，目前绿氢制氢成本达到17.7元/kg，是灰氢制造成本的3倍。 可见平价制氢将是绿氢得以普及的关键。当前制约电解水制氢的主要为电力成本，这个环节需要解决效率和成本的问题。

由于电解水制氢的瓶颈，再加上能源需求上还有低廉的替代方案，长时间以来，技术层面没有大的突破。目前行业对人员和技术创新很有要求。但随着能源安全的议题被提上日程绿氢的战略前景，这个前瞻性的领域里面，有不少在默默努力的公司，也有越来越多的有识之士加入这个产业链。

比如海德氢能，作为一家绿氢制取、氢储能及氢安全解决方案提供商，这家企业致力于引领绿氢行业技术创新。今年8月，海德氢能在鄂尔多斯发布了自研电解水制氢系统“氢舟”，集成三大绿氢科技：氢安全技术海德SENSOR 2.0、云帆电解制氢单片、制氢数字化平台COMPASS，针对目前困扰绿氢制造行业痛点，提供安全、高效、智能的先进绿氢制备解决方案。

●安全

前面提过，因为氢一旦泄露很难及时发现，容易造成严重后果。因此对氢气的监测提出要求。

海德SENSOR 2.0无线氢安全传感器可以实现对氢气泄露实时监测，将爆炸风险降到极低。这个传感器的前身，曾亮相冬奥会主火炬台的上，为奥运圣火保驾护航。在第一代的基础上，海德氢能推出了无线的2.0版本，不仅在使用上更方便，更是在安全系数上进行了提升换挡，具备更多测点，反应更精准。

●效率

制氢的成本，是阻碍氢能推广普及的关键。在电解水制氢行业一直在提升设备效率方面进行技术创新。

海德氢能推出的标准化方形制氢单片“云帆”，这是一种可以动态扩展的标准化制氢单元，大幅提升制氢整体运行效能，为绿氢低成本、大规模落地提供了技术上的可能性。相比传统的圆形电解单元，云帆的薄片方形结构有更均匀的流场分部，对隔膜冲击更小，让电极反应更充分，从而提升电流密度。利用云帆拓展性，氢舟可实现50标方/小时到单一预制舱500标方/小时的产量拓展。对于制氢厂房内方案，云帆可单槽拓展至1000标方/小时。基于标准化制氢单元“云帆”，“氢舟”系统得以满足不同规模、不同环境客户的绿氢制备需求。

●数字化管理

云帆除了具备灵活行，还在单片上集成了追踪系统，通过智能检测CVM技术，能实时巡检采集每一单片的信息，即时跟踪设备运行情况；具有数字孪生、安全预警、智能运维、能量管理四大功能，实现在云平台上“所见即所得”。

硬件层面的智能性、灵活性、便利性，可以支持打造了制氢数字化云平台，可以实现全国部署全天候监控。出现故障后维修只需要更换报错单片，无需整机运输返场维修，整个设备的维修时间由过去的数周缩短至数小时。“云帆”让制氢走向数字化、精准化管理新阶段。

这些技术整合在一起构成的“氢舟”，能够让技术具有很好的落地特性。目前，海德氢能已经落地内蒙古首个零碳智慧制氢示范项目，还将与碳中和研究院共建1MW光伏示范区，实现院内氢能源应用闭环。

小结：未来中国要实现碳中和，绿氢要达到8000万吨以上的目标。国际氢能委员会预测到2050年全球氢能利用的二氧化碳排放情况累计减少800亿吨，2050年当年减少70亿吨。在这个过程中，绿氢是整个可再生能源的重要一步，海德氢能提供的“氢舟”技术，为电解水制备过程中提供了重要一环。

氢能的产业链很长，氢能燃料电池汽车是一个先导的突破口；氢电的互换技术、氢储能、氢动力，运输和应用，我们正在一步一步地改进技术路线。而绿氨应用范围也极具发展空间，未来的远洋货轮、长途飞机，都可以用用燃气轮机作为备选方案。整个产业链需要更多的“海德氢能”这样的行业先驱，通过技术创新和产业实践，带动氢能全产业链的发展。