一、氫氣的來源

目前，氫氣主要還是用于工業(yè)，是重要的工業(yè)原料，主要用于石化、電子、建材、冶金等行業(yè)，主流的制氫方式包括：

（1）電解法

將直流電通過鉑電極（或其它惰性材料）通入水中,在陰極可以得到氫氣,純度高達(dá)99.5~99.8%。氯堿工業(yè)電解飽和食鹽水制氯氣和燒堿時,也同時得到副產(chǎn)品氫氣。在電解槽中,電解25%NaOH溶液,溫度控制在80~85℃,在陰極上析出氫氣,在陽極上析出氧氣，用這種方法制得的氫氣,含雜質(zhì)很少,其純度為99.7%~99.8%。

（2）烴類裂解和蒸汽轉(zhuǎn)化法

碳?xì)浠衔?/span>經(jīng)過高溫裂解,裂解氣中含有大量氫氣,經(jīng)過低溫冷凍系統(tǒng),可得到90%的氫氣。如甲烷裂解法。 碳?xì)浠衔?/span>在高溫和催化劑的作用下與水蒸氣作用,可以得到主要含氫氣和一氧化碳的一種混合氣體，如甲醇制氫。用分子篩吸附法或水煤氣轉(zhuǎn)化法除去CO,可得到純凈的氫氣。天然氣、油田氣和煉廠氣（石油煉制廠的副產(chǎn)氣體）等都可用烴類裂解法和烴類蒸氣轉(zhuǎn)化法得到氫氣。

（3）煤焦化或煤氣化制氫

焦化是指煤在隔絕空氣條件下，在900～1000℃制取焦炭，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t煤氣組成中含氫氣55～60%（體積）、甲烷23～27%、一氧化碳6～8%等，而后將其中的萘、硫等雜質(zhì)去除，通過變壓吸附裝置將焦?fàn)t煤氣中的氫氣提純，該工藝流程復(fù)雜，投資大，規(guī)模大能耗高，同時受到焦化行業(yè)的制約。

大型工業(yè)煤氣化爐如魯奇爐是一種固定床式氣化爐，所制得煤氣組成為氫氣37～39%（體積）、一氧化碳17～18%、二氧化碳32%、甲烷8～10%。我國擁有大型魯奇爐，每臺產(chǎn)氣量可達(dá)100000m³/h，另一種新型爐型為氣流床煤氣化爐，稱德士古煤氣化爐，用水煤漿為原料，目前已建有工業(yè)生產(chǎn)裝置生產(chǎn)合成氨、合成甲醇原料氣，其煤氣組成為氫氣35～36%（體積）、一氧化碳44～51%、二氧化碳13～18%、甲烷0.1%，甲烷含量低為其特點。采用煤氣化制氫方法，其設(shè)備費占投資主要部分，因此水煤氣制氫適合100000 m³/h以上的大型氫氣用戶，一般用于合成氨和甲醇生產(chǎn)中。

（4）其他制法

焦?fàn)t煤氣冷凍制氫：

把經(jīng)初步提凈的焦?fàn)t氣冷凍加壓,使其他氣體液化而剩下氫氣。

釀造工業(yè)副產(chǎn)氫：

用玉米發(fā)酵丙酮、丁醇時,發(fā)酵罐的廢氣中有1/3以上的氫氣,經(jīng)多次提純后可生產(chǎn)普氫（97%以上）,把普氫通過用液氮冷卻到─100℃以下的硅膠列管中則進一步除去雜質(zhì)（如少量N₂）可制取純氫（99.99%以上）,像北京釀酒廠就生產(chǎn)這種副產(chǎn)氫,用來燒制石英制品和供外單位用。

（5）各種制氫方法的比較

目前，我國使用最多的是天然氣制氫、甲醇制氫和電解水制氫。從工藝成熟程度來看，三種方法的工藝流程均十分成熟，天然氣制氫存在原料利用率低，工藝復(fù)雜，操作條件苛刻，設(shè)備制造要求高，控制水平要求高的特點。

從氫氣成本來看（參考目前主流能源價格），天然氣制氫的成本最低，每標(biāo)方約1.3元，甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化約2.5元，電解水制氫約5元。但在投資方面，天然氣制氫投資最高，甲醇最低，只有天然氣制氫投資的1/2-2/3，電解水制氫介于兩者之間。

從適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的角度來看，天然氣制氫具有不可比擬的優(yōu)勢。按30萬噸/年合成氨的規(guī)模計算，其制氫能力達(dá)到48000Nm³/h以上。目前國內(nèi)甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置，單系列規(guī)模達(dá)到8000Nm³/h。國內(nèi)電解水槽的單臺制氫能力達(dá)到600Nm³/h，尚無達(dá)到1000Nm³/h以上的裝置運行。

在大型制氫裝置方面，煤制氫的成本比天然氣制氫稍低。根據(jù)測算，在煤價為500元/噸的情況下，大規(guī)模制氫成本僅為0.7元/Nm³，在天然氣價格為2.9元/Nm³的情況下，制氫成本約為1.3元/Nm³。

二、氫氣的儲運

目前國際上對氫氣的儲運主要有兩種模式：壓縮氫氣儲運（CH）和液化氫氣儲運（LH）。其中壓縮氫氣儲運是目前運用于加氫站的主流儲運供應(yīng)手段，液化氫氣目前還是主要應(yīng)用于火箭發(fā)射等航空航天領(lǐng)域和軍工領(lǐng)域。

（1）壓縮氫氣儲運

用于氫燃料電池的壓縮氫氣儲運，主要工藝流程為：氫氣純化-氫氣壓縮裝車-氫氣運輸?shù)葞讉€環(huán)節(jié)。

氫氣純化：由于用于燃料電池的氫氣純度要求達(dá)到99.99%以上，因此在儲運之前，有必要對氫氣進行純化處理。目前氫氣純化的方法主要有膜分離法、低溫分離法、變壓吸附法、金屬氫化物法、催化脫氧法、聯(lián)合工藝法等。其中使用最多的是變壓吸附法，具有工藝流程簡單，自動化程度高，操作維修費用低，產(chǎn)品純度可調(diào)性強，一次分離同時除去多種雜質(zhì)組分的特優(yōu)點。變壓吸附（PSA）技術(shù)是以特定的吸附劑(多孔固體物質(zhì))內(nèi)部表面對氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ)，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組分、不易吸附低沸點組分和高壓下吸附量增加、低壓下吸附量減少的特性，將原料氣在一定壓力下通過吸附床，相對于氫的高沸點雜質(zhì)組分被選擇性吸附，低沸點的氫氣不易被吸附而穿過吸附床，達(dá)到氫和雜質(zhì)組分的分離。

氫氣壓縮與裝車：純化后的氫氣，通過壓縮機壓縮到20MPa，進行裝車。從目前的技術(shù)水平看，為保證氫氣在儲運過程中的純度，壓縮機宜采用隔膜式壓縮機，輔以相關(guān)放散、溫控、安防等措施，通過防拉斷裝車柱對高壓槽車進行充裝。

氫氣高壓運輸：目前主要是通過20MPa的管束拖車進行公路運輸。根據(jù)了解，目前國內(nèi)石家莊安瑞科等企業(yè)生產(chǎn)氫氣運輸?shù)拈L管拖車，主要產(chǎn)品有兩種規(guī)格：7管26m³氫氣集裝管束，額定載氫量413kg，約合4526.6Nm³;10管23.7m³氫氣集裝管束，額定載氫量375kg，約合4200Nm³。

（2）液化氫氣儲運

不論是美國，歐洲，還是日本，對液氫的需求都是隨宇航事業(yè)的發(fā)展而增加的。我國的情況還要差一些，目前僅有陜西興平化肥廠的液氫生產(chǎn)裝置和101所新建液氫生產(chǎn)裝置可生產(chǎn)。興平裝置名義產(chǎn)量可達(dá)1200L／h，但開工生產(chǎn)率不足10％，因為產(chǎn)品僅供航天發(fā)射和氫氧發(fā)動機研制試驗用。而且工藝流程落后，生產(chǎn)設(shè)備陳舊，液氫價格異常昂貴，用戶一次購量超過100m³售價為20000元／m³ 不足20m³時，價格竟高達(dá)50000元／m³。而且，每輛液氫鐵路槽車要外加10萬元的預(yù)冷費。101所新建氫液化裝置目前尚處試運行階段，許多方面還不能下結(jié)論。但有兩點似乎可以肯定：其一是氫液化工藝的技術(shù)水平提高了一大步；其二是液氫生產(chǎn)成本會有所降低，但不會降低很多。這主要是因為生產(chǎn)規(guī)模小，原料氫生產(chǎn)工藝落后（電解水制氫）、生產(chǎn)成本高。

中國航天科技集團101所順應(yīng)全國氫燃料電池汽車發(fā)展的趨勢，已經(jīng)開始了液氫從生產(chǎn)、儲運到車輛應(yīng)用的研究和示范。在液氫生產(chǎn)方面，中航科技具備了高效正仲氫轉(zhuǎn)化器、先進除油系統(tǒng)、高集成度智能監(jiān)控、全方位液氫品質(zhì)監(jiān)控等一系列核心技術(shù)，達(dá)到世界先進水平。目前由于主要設(shè)備依靠進口，液氫生產(chǎn)工廠的建設(shè)成本在130-140萬元/kg.h，隨著需求的擴大和國產(chǎn)化，成本將大幅降低。據(jù)介紹，該公司目前承接一個8000萬方/年的液氫工廠工程，總投資約4億元。

中航科技在LH/L-CGH方面也進行了大量的開發(fā)，目前已經(jīng)進入驗證階段。其中關(guān)鍵設(shè)備—液氫低溫高壓柱塞泵已經(jīng)完成了開發(fā)，正在進行可靠性驗證。其他相關(guān)BOG處理系統(tǒng)開發(fā)與驗證，系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化等工作正在加速推進。

在車載系統(tǒng)的研究上，中航科技也進行了大儲量車載供氣系統(tǒng)的開發(fā)與驗證，其中液氫儲罐容積達(dá)到250L-1000L，整體重量只有300kg左右，可以廣泛用于長途重卡和客車使用。

中航科技在液氫運用于氫燃料電池汽車的系統(tǒng)性研究和突破，必將大大降低氫資源的儲運成本和使用成本，將會推動行業(yè)進行革命性的飛躍。

（3）其他儲運方式

除了主流的壓縮氫氣和液化氫氣以外，還有溶劑儲氫等多種方法，目前還沒有進入規(guī)模化儲運的技術(shù)產(chǎn)品條件。我們主要關(guān)注以地質(zhì)大學(xué)程寒松教授研發(fā)的常溫常壓儲氫技術(shù)。

據(jù)程寒松博士介紹，他帶領(lǐng)的團隊利用不飽和芳香化合物催化加氫的方法，成功攻克了氫能在常溫常壓下難以貯存和釋放這一技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了氫能液態(tài)常溫常壓運輸，而且克服了傳統(tǒng)高壓運輸高成本、高風(fēng)險的弊病，所儲氫在溫和條件下加催化劑釋放后即可使用。儲氫材料的技術(shù)性能指標(biāo)超過了美國能源部頒布的車用儲氫材料標(biāo)準(zhǔn)。

實驗室研究顯示，儲氫分子熔點可低至-20℃，能在150℃左右實現(xiàn)高效催化加氫，并在常溫常壓下進行儲存和運輸；催化脫氫溫度低于200℃，脫氫過程產(chǎn)生氫的純度可高達(dá)99.99%，并且不產(chǎn)生CO、NH₃等其他氣體；儲氫材料循環(huán)壽命高、可逆性強（高于2000次）；質(zhì)量儲氫容量>5.5wt%，體積容量>50kg(H₂)/m³。程寒松告訴記者，所用催化劑無需再生即可重復(fù)使用，5年內(nèi)無需更新。業(yè)界認(rèn)為該技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，并有可能引發(fā)氫能利用革命。

2016年，利用該技術(shù)試裝的工程樣車—“泰歌號”在武漢揚子江客車公司下線，標(biāo)志著該項技術(shù)運用于實車，由于汽車使用氫氣的特殊性，該技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用于氫燃料電池汽車還需進一步研究和完善。

（4）各種儲運方式的對比與定位

各種儲運方式主要受制于投資、成本、技術(shù)、生產(chǎn)的連續(xù)性、運輸距離、市場等因素。

在投資成本方面，常溫常壓方式儲運氫氣的成本最低，其次是壓縮儲運方式，液化氫氣方式最高。

在儲能密度方面，液氫最高，壓縮氫氣最低，常溫常壓方式居中。

在經(jīng)濟運輸半徑方面，液氫的運輸半徑可以到1000km以上，壓縮氫氣的運輸半徑只能在周邊200km以內(nèi)，常溫常壓儲氫的經(jīng)濟運輸半徑理論上可以達(dá)到500km左右。

在產(chǎn)運成本方面，壓縮氫氣的產(chǎn)運成本約0.75元/方（200以內(nèi)km），液氫的生產(chǎn)成本約0.4-0.7元/方（主要是電費），運輸成本約0.04元/方百公里。

在生產(chǎn)的連續(xù)性上，液氫的要求最高，其他儲運方式?jīng)]有苛刻要求。

在與銷售終端的對接上，常溫常壓儲氫模式適合于大規(guī)模的儲氫，暫時還不適用于車用。壓縮氫氣終端的投資高，能耗高，液氫終端的投資低，運營成本低，占地小，適于大規(guī)模推廣。

綜上所述，在目前氫燃料電池汽車市場處于培育階段，市場需求量不大的時期，壓縮氫氣是最適宜的儲運方式，待行業(yè)高速發(fā)展時期，液氫是加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，穩(wěn)定提供經(jīng)濟資源供應(yīng)的必由之路，其主要因素取決于氫氣制備的成本和廉價的電力供應(yīng)。