氢能产业链构建与关键技术创新研究

氢能产业链构建与关键技术创新研究

王宏江  黄煜清

中国石油西北销售宁夏分公司  宁夏回族自治区银川市  750000

摘要：氢能产业链构建与关键技术创新研究的意义重大，因为氢能被誉为21世纪的“终极能源”。随着全球能源结构的深度调整和应对气候变化的紧迫性，寻找清洁、可再生的替代能源成为当务之急。氢能具有零排放、高热值和可储存等优点，是实现碳中和目标的重要途径。因此，深入研究氢能产业链的构建，有助于推动能源转型，促进绿色经济的发展。

关键词：氢能产业链；构建；关键技术；创新研究

1.氢能的定义

氢能，是指通过一定的方法从含氢物质中获得的氢气，并通过其燃烧或与其他物质反应释放出的能量。氢气是宇宙中最丰富的元素，通过电解水等方式制备的氢气，燃烧后仅生成水，不排放二氧化碳等温室气体，因此具有极高的环保价值。在能源转型的大背景下，氢能作为绿色低碳的二次能源，正逐渐成为世界各国竞相发展的重点。

2.氢能产业链构建

2.1氢气生产

氢气生产是氢能产业链的基础环节。目前，氢气生产的主要方法包括热化学法、电化学法和生物法。（1）热化学法：以化石燃料为主或者可再生能源为能源进行化学反应生成氢气。在这些方法中，比较常用的有水煤气化法，天然气蒸汽重整法及燃料电池废气回收法等。但由于热化学法生产需要耗费大量化石燃料和对环境造成一定影响而使应用受到限制。（2）电化学法：利用电解水的方法，使水分分解成氢气与氧气。电化学法制备氢气具有无污染，能耗低等特点，是目前较为环境友好的氢能源制备技术。当前电解水制氢技术以碱性电解法，酸性电解法以及固体氧化物电解法为主。但是电化学法的生产成本比较高，经济性有待进一步改善。（3）生物法：用生物体内酶或者微生物使有机物质经生物反应转化成氢气。生物法制备氢气工艺无污染、能量来源于可再生能源、环境友好性强。但是生物法的生产效率比较低下，仍需进一步改进。

2.2氢气储存与运输

氢气储存和输送是氢能产业链的关键环节。现阶段，氢气的储存技术主要涵盖了高压气态储氢、液态储氢、固态储氢以及化学储氢等多种方法。其中高压气态储氢技术的成熟度较高但是储存密度较小安全性较差；液态储氢技术具有存储密度大的特点，但是液化过程耗能大，而且液氢的存储及运输成本也较高；尽管固态和化学储氢技术拥有更高的存储密度和更强的安全性，但这些技术目前还不够成熟。氢气运输中管道运输与液氢运输为两大途径。管道运输技术比较成熟，但是投资较高、建设周期较长、灵活性较差；液氢运输技术灵活性强，运输距离长，但是液化过程耗能大，费用昂贵。

2.3氢气应用

氢气应用是氢能产业链的最终环节。目前，氢气应用主要包括氢能发电、氢能交通和氢能工业等领域。（1）氢能发电：主要采用燃料电池与氢内燃机相结合的方法来完成。燃料电池通过氢气与氧气之间的电化学反应来产生电能，效率高，零排放；氢内燃机采用氢气作为其燃料来源，并通过燃烧过程产生电能，这种方式结构简洁且成本相对较低。但是燃料电池的造价昂贵并且有耐久性的问题；由于氢内燃机的氮氧化物排放量相当高，因此有必要对排放控制技术进行进一步的优化和改进。（2）氢能交通：主要包括氢燃料电池汽车、氢内燃机汽车和氢气动车三种类型。氢燃料电池驱动的汽车因其零排放和较长的续航里程等特点，赢得了交通运输领域的普遍关注。但是氢燃料电池汽车造价昂贵并且具有耐久性；氢内燃机汽车氮氧化物的排放量很高；氢气动车续航里程短，加氢站落后。（3）氢能工业：氢气作为一种工业原料可以应用于氢气焊接，氢气炉和其他工业生产的工艺。氢气可以代替传统煤炭和天然气作为能源来降低碳排放。但氢能工业发展要求构建氢气供应网络以满足工业生产需求。

3.关键技术创新研究

3.1电解水制氢技术创新

电解水制氢技术是目前公认的今后氢能开发的主流。为提高电解水制氢效率和减少成本，研究者们正致力于研发新型电解槽材料，优化电解工艺和增加电流密度。此外，利用可再生能源（如风能、太阳能）产生的电力进行电解水制氢，可以实现氢能制造环节的零排放，是未来发展的重要方向。

3.2光催化制氢技术创新

光催化制氢技术由于具有绿色环保，成本低等特点而被视为一种很有发展潜力的技术。目前，科研团队正在对半导体、金属有机框架（MOF）等多种材料的光催化特性进行深入探究，目的是为了提升光催化制氢过程的效率和稳定性。但目前光催化制氢技术仍面临着光吸收率不高，光电转化效率不高等难题，材料的结构及光吸收特性有待进一步完善。

3.3氢气储存技术创新

氢气储存技术对氢能大规模利用具有重要意义。为提高氢气存储的密度与安全性，研究者们正致力于新型储氢材料的研发，例如轻质金属氢化物，复合氢化物以及纳米氢化物。另外，固态储氢材料在运输过程中具有安全性高和成本低廉的优势，但是也面临着储氢容量小和体积庞大的挑战，目前的研究重点主要是发展轻质高储氢容量固态储氢材料。

3.4氢能安全技术

氢气属于易燃易爆的气体，在氢能产业的发展中必须要对氢能的安全给予高度的重视。当前氢能安全技术有氢气泄漏检测技术，氢气燃烧爆炸保护技术以及氢气储存运输的安全技术。为提高氢能安全性，研究者们正加大氢能安全技术研发力度，其中包括研制高效精准氢气泄漏检测装置以及对氢气燃烧爆炸机理及防护措施进行研究。

3.5氢能经济性技术

氢能在产生，贮存，运输及使用过程中费用昂贵，致使氢能经济性差。为降低氢能的成本，研究者们正致力于发展高效低成本氢气生产技术以优化氢气储运方式以及提高氢能利用效率。另外政府也应该提供一些政策支持来降低氢能成本促进氢能产业迅速发展。

4.氢能产业链构建的策略建议

4.1 技术研发的策略导向

在氢能产业链构建中，技术研发的策略导向起着至关重要的作用。首先，我们需要聚焦于绿色和高效的制氢技术，如电解水制氢，通过提升电解效率和采用可再生能源供电，降低碳排放。例如，日本的“氢能社会”战略就强调了利用太阳能和风能进行电解水制氢。其次，创新储氢材料和储氢容器技术，以解决氢气高密度储存的难题，提高运输效率。此外，燃料电池技术的优化也是关键，如提升电极催化剂的性能，降低燃料电池的成本，以推动其在汽车、分布式发电等领域的广泛应用。同时，我们还需要建立氢能安全技术标准，确保从制氢到应用的全链条安全。技术研发应与市场需求、政策导向和国际标准同步发展，以促进氢能产业的健康和可持续增长。

4.2 产业链协同创新机制

在构建氢能产业链的过程中，产业链协同创新机制起着至关重要的作用。氢能产业涉及多个环节，包括制氢、储氢、运输、应用以及安全技术，这些环节需要形成高效协同，以降低整体成本并提高产业效率。例如，通过跨行业的合作，可以推动不同技术路线的融合，如可再生能源制氢与化石能源制氢的互补，以实现能源结构的优化。同时，借鉴贝尔实验室的“开放创新”模式，鼓励企业、研究机构和政府部门共享研发资源，加速技术创新的商业化进程。此外，建立产业链协同创新平台，可以促进信息交流和知识传播，提高整个行业的创新能力。例如，德国的“氢能与燃料电池技术平台”就成功地将各方参与者聚集在一起，共同解决技术难题，推动了氢能产业的发展。在此基础上，政府应制定相应的政策，如创新基金支持、税收优惠等，以促进产业链上下游企业的深度合作，共同应对市场挑战。

结论

氢能产业链完善与发展有赖于制氢，储运及加氢等关键技术创新及突破。在开发高压气瓶储氢和金属氢化物储氢技术的同时，继续优化天然气重整，电解水制氢，生物制氢及光催化制氢技术、液态氢储运及管道输送等储运技术方面，在强化加氢站设备，加氢过程控制，加氢安全防护以及加氢站的建设及运行等加氢技术研究，氢能产业链会日趋成熟，对能源结构绿色转型、应对气候变化等提供了强有力支撑。随着科技的持续发展和广泛应用，氢能在能源行业中的角色将变得越来越关键。

参考文献

[1]凌文,刘玮,李育磊等.中国氢能基础设施产业发展战略研究[J].中国工程科学,2019,21(3): 76-83.

[2]罗佐县,曹勇.氢能产业发展前景及其在中国的发展路径研究[J].中外能源, 2020,25(2): 9-15.

[3]李永恒,陈洁, 刘城市等.氢气制备技术的研究进展[J].电镀与精饰,2019, 41(10): 22-27.