1、氫能制氫儲運應用全產業鏈分析氫能制氫、儲運、應用全產業鏈分析國家能源局能源節約和科技裝備司司長王思強近日表示，氫能也是我 國能源革命重要的探索方向，下一步將會同有關部門打造好產業環境，統 籌推動氫能產業高質量發展。有關部門將研究制定我國氫能產業發展路線 圖，明確氫能發展戰略定位、LI標和任務；同時研究設立一批示范工程，推 動氫能與可再生能源結合、燃料電池分布式發電、氫儲能以及氫燃料電池 交通等多元化應用；加快組織突破燃料電池等關鍵技術裝備，完善有關技術 標準以及檢測、認證和監管體系。前言中游儲運高壓儲運液氫儲運固態儲運有機液態儲氫下游應用加氨站燃料電池應用石化工業應用氫能被認為是最理想的新能源

2、，最有希望成為能源的終極解決方案。 氫能相比于其他能源方案有顯著的優勢：儲量大、比能量高（單位質量所蘊 含的能量高）、污染小、效率高、可貯存、可運輸、安全性高等諸多優點， 受到了各國的高度重視。氫能產業鏈三大環節，每個環節都有很高的技術 壁壘和技術難點，H前上游的電解水制氫技術.中游的化學儲氫技術和下 游的燃料電池在車輛和分布式發電中的應用被廣泛看好。上游制氫電解水制氫化石原料制気化工原料制氫工業尾氣制氫新型制氫技術圖1氫能產業鏈氫能的上游是氫氣的制備，主要技術方式有傳統能源的化石原料制氫. 化工原料制氫、工業尾氣制氫、電解水制氫、新型制氫技術；中游是氫氣的 儲運環節，主要技術方式包括高圧氣態

3、、低溫液態、固體材料儲氫和有機 液態儲運；下游是氫氣的應用，氫氣應用可以滲透到能源的各個方面，除了 傳統石化工業應用如合成氨、石油與煤炭深加工外，在新能源應用方面包 括加氫站、燃料電池下游各種應用。產業鏈相關企業見下表。表1氫能產業鏈相關企業企業氫能產業鏈上游制氫Air Liquide S A.Ally Hi-Tech Co. , Ltd. Alumifuel Power CorporationCaloric Anlagenbau GmbH Taiyo Nippon Sanso Nuvera Fuel Cells, LLC Hy9 Corporation Hydrogenics Corpora

4、tionIwatani CorporationLinde AGMesser Group GmbHPraxair, IncProton OnsiteShowa Denko K K.Xebec Adsorption Inc.中游儲運Air LiquideLinde AGPraxair IncWorthington Industries Inc.Luxfer Holdings PicMcphy Energy S A.Hexagon Composites ASA HBank Technologies Inc InoxcvaVRV S. P. A下游加氫站Air ProductsBOCBallast N

5、edamEbara BallardGeneral HydrogenHydrogenicsLinde AGAir Liquide IndustrialH2 Frontier, Inc上游制氫一常用的制氫技術路線制氫方法是將存在于天然或合成的化合物中的氫元素，通過化學的過 程轉化為氫氣的方法。根據氫氣的原料不同，氫氣的制備方法可以分為非 再生制氫和可再生制氫，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再 生物質。制備氫氣的方法H前較為成熟，從多種能源來源中都可以制備氫 氣，每種技術的成本及環保屬性都不相同。主要分為五種技術路線：工業 尾氣副產氫、電解水制氫、化工原料制氫、石化資源制氫和新型制氫方法

6、等。源制氫，利用 谷電制氫工業尾氣制氫 石油煉廠尾氣 制氫、氫磧鹽 化工制氫、合新型制氫法 生物質制氫、光化學 超氫、熱化甲醇裂齋 制氫、氨 分解制氫石化原絆制氫煤、焦炭氣化 制氫、石油、圖2常用制氫方法電解水制氫，在山電極、電解質與隔膜組成的電解槽中，在電解質水 溶液中通入電流，水電解后，在陰極產生氫氣，在陽極產生氧氣。化石原料制氫，化石原料H前主要指天然氣、石油和煤，其他還有頁 巖氣和可燃冰等。天然氣、頁巖氣和可燃冰的主要成分是屮烷。屮烷水蒸 氣重整制氫是L1前采用最多的制氫技術。煤氣化制氫是以煤在蒸汽條件下 氣化產生含氫和一氧化碳的合成氣，合成氣經變換和分離制得氫。山于石 油量少，現在很

7、少用石油重整制氫。化合物高溫熱分解制氫，甲醇裂解制氫、氨分解制氫等都屬于含氫化 合物高溫熱分解制氫含氫化合物山一次能源制得。工業尾氣制氫，合成氨生產尾氣制氫、石油煉廠回收富氫氣體制氫、 氯堿廠回收副產氫制氫、焦爐煤氣中氫的回收利用等。新型制氫方法，包括生物質制氫、光化學制氫、熱化學制氫等技術。 生物質制氫指生物質通過氣化和微生物催化脫氫方法制氫，在生理代謝過 程中產生分子氫過程的統稱。光化學制氫是將太陽輻射能轉化為氫的化學 自山能，通稱太陽能制氫。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，不消耗制氫過沉重添加的元素 或化合物，可與高溫核反應堆或太陽能提供的

8、溫度水平匹配。二主流制氫源自于傳統能源的化學重整全球來看，U前主要的制氫原料96%以上來源于傳統能源的化學重整 （48%來自天然氣重整、30%來自醇類重整，18%來自焦爐煤氣），4%左右來源 于電解水。日本鹽水電解的產能占所有制氫產能的63%,此外產能占比較高 的還包括天然氣改制（8%）乙烯制氫（7%）.焦爐煤氣制氫（6%）和甲醇改質 （6%）等。 T私水電縊天忍氣跡-汽油改質乙烯制氯煉油J8氣制氨焦爐煤代制氨電解眈鉀甲障改質瀝枕氣改質圖3全球制氫主要來源（左）、日本制氫主要來源（右）三 煤制氫加碳捕捉將成為主流制氫路線對比兒種主要制氫技術的成本，煤氣化制氫的成本最低，為167美元 每千克，其

9、次是天然氣制氫2.00美元/千克，屮醇裂解3.99美元/千克，煤氣化和圖4主要制氫成本對比（美元）中國煤炭資源豐富且相對廉價，故將來煤制氫很有可能成為中國規模 化制氫的主要途徑。但煤制氫工藝過程二氧化碳排放水平高，所以需要引 入二氧化碳捕捉技術（CCS）,以降低碳排放。L1前二氧化碳捕捉技術主要應 用于火電和化工生產中，其工藝過程涉及三個步驟：二氧化碳的捕捉和分 離，二氧化碳的輸送，以及二氧化碳的封存。四光解水制氫技術看似理想實則困難重重光解水制氫是一種理想的制氫技術。它的原理是直接利用太陽能，在 光催化劑的協助下，將水分解產生氫氣。這種方法直接利用一次能源，沒 有能源轉換所產生的浪費，理論上

10、簡單高效。光解水制氫技術始自1972年,|1|0本東京大學FujishimaA W Honda K 兩位教授首次報告發現Ti02單晶電極光催化分解水從而產生氫氣這一現象, 從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽能光解 水制氫的研究道路。隨著電極電解水向半導體光催化分解水制氫的多相光 催化的演變和Ti02以外的光催化劑的相繼發現，興起了以光催化方法分解水制氫（簡 稱光解水）的研究，并在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進展。然而，這種制氫方法面臨的技術仍然面臨很多問題。制氫效率低（不到 4%）是最主要的問題，所以它離實際應用還有相當長的距離。光催化材料的 帶隙與可見光能量匹配

11、，光催化材料的能帶位置與反應物電極電位匹配， 降低光生電子-空穴的復合率是克服這一困難的三大待攻克技術難關。五 隨著電價下降，將有利于電解水制氫技術發展電解水制氫成本主要來源于固定資產投資、電和固定生產運維這四項 開支，其中電價高是造成電解水成本高的主要原因，電價占其總成本的78%。 因而電價的下降必將帶來氫氣成本的大幅下降。同時技術發展、規模化效 應，都會使氫氣成本下降。表2電解水制氫成本構成201120152020 （預測）固定資產投資0. 60. 50.4電價3. 22. 31.4固定生產運維0. 20. 10. 1其他0. 10. 10. 1Total4. 13. 22雖然LT前水電解

12、制氫成本遠高于石化燃料，而煤氣化制氫和天然氣重 整制氫相對于石油售價已經存在利潤空間。但是用化石燃料制取氫氣不可 持續，不能解決能源和環境的根本矛盾。并且碳排放量高，煤氣化制氫二 氧化碳排放量高達193kg/GJ,天然氣重整制氫也有69 kg/GJ,對環境不友 好。而電解水制氫是可持續和低污染的，這種方法的二氧化碳排放最高不 超過30 kg/GJ,遠低于煤氣化制氫和天然氣重整制氫。表3典型制氫工藝中各類能源轉換效率與C02排放制氫工藝原料能源能量密度（MW/km2 ）能量轉化率（）co2排放 量（kg/GJ）重整桂類天然氣7507669煤化物煤炭煤炭75059193生物質太陽能1200. 24

13、25核能5002817水力57015電解水潮汐17020風能47018太陽能12010. 527光催化水太陽能120427熱化學循環水核能5005028我國可再生能源豐富，每年棄水棄風的電量都可以用于電解水。我國 擁有水電資源3.78億千瓦，年發電量達到2800億千瓦時。水電由于豐水 器和調峰需要，產生了大量的棄水電能。我國風力資源也非常豐富，可利 用風能約2.53億千瓦時，相當于水力資源的2/3。但風電山于其不穩定的 特性，較難上網，因此每年棄風限電的電量規模龐大。如果將這部分能源 充分利用起來，有利于電解水制氫的發展。中游儲運氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態，密度僅為0. 0899

14、kg/m3, 是水的萬分之一，因此其高密度儲存一直是一個世界級難題。氫能的存儲 有以下方式：低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、固態儲氫和有機液態儲氫等， 這兒種儲氫方式有各自的優點和缺點。氫輸運乂分為氣氫輸送、液氫輸送 和固氫輸送。物 st®®化合物高壓材料化合物聚合物圖5典型儲氫技術一低溫液態儲氫不經濟液態氫的密度是氣體氫的845倍。液態氫的體積能量密度比壓縮狀態 下的氫氣高出數倍，如果氫氣能以液態形式存在，那它替換傳統能源將水 到渠成，儲運簡單安全體積占比小。但事實上，要把氣態的氫變成液態的 并不容易，液化lkg的氫氣需要耗電4-10千瓦時，液氫的存儲也需要耐超 低溫和保持超

15、低溫的特殊容器，儲存容器需要抗凍、抗壓以及必須嚴格絕 熱。所以這種方法極不經濟，僅適用于不太計較成本問題且短時間內需迅 速耗氫的航天航空領域。二 高壓氣態儲氫產業應用最為成熟，致命缺點是體積比容量小高壓氣態儲氫是1_1前最常用并且發展比較成熟的儲氫技術，其儲存方 式是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里。LI前所使用的容器是鋼 瓶，它的優點是結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快。但 是存在泄露爆炸隱患，安全性能較差。該技術還有一個致命的弱點就是體積比容量低，D0E的U標體積儲氫容 量70g/L,而鋼瓶H前所能達到最高的體積比容量也僅有25g/Lo而且要達 能耐受高壓并保證安全性，現

16、在國際上主要采用碳纖維鋼瓶，碳纖維材料 價格非常昂貴，所以它并非是理想的選擇，可以作為過渡階段使用。表4儲氫氣瓶分類類型簡稱優勢生產商鋼瓶I型重容比大，安全性 差纖維環向纏繞鋼瓶II型金屬內膽纖維全纏 繞復合材料氣瓶III型重容比小，單位質 量儲氫密度高，安 全性相對高美國的Quantum公司和 Lincoln Composites 公司、 加拿大的Dynetek工業公司、 法國的Mahytec公司塑料內膽纖維全纏 繞復合材料氣瓶IV型三固態儲氫，儲氫密度大，極具發展潛力固態儲氫方式能有效克服高壓氣態和低溫液態兩種儲氫方式的不足，且 儲氫體積密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全等，特別適合

17、于對 體積要求較嚴格的場合，如在燃料電池汽車上的使用，是最具發展潛力的金屬初機框架（MOFs）物理吸附 儲軌材料固態倫 氯材料|納米結構（納米碳錯、富初烯. 金鳳修復磧棊BN茶材料等簡血金恥 -氫化物二元金屬氯化物（MHx型.M為金 風.代農材科，AIM,. MgH2）金廉間氫化物（包含至少兩種金屬元代表材料:LaNi5H6x Mg?N.H4等）金風氮化物化學氫化物儲氫材料 1鋁氫化物(NaAIH八 Mg (AIH4) ?>-非金風氫化物 （nh3bh3有機物）復雜金朋氯. 化物埶基/亞駅基化物（L.NH?等硒氯化物 <LiBH4w Mg（BH4）2W）圖6固體儲氫材料分類一科J儲

18、氫方式。固態儲氫就是利用氫氣與儲氫材料之間發生物理或者化學 變化從而轉化為固溶體或者氫化物的形式來進行氫氣儲存的一種儲氫方式。儲氫材料種類非常多，主要可分為物理吸附儲氫和化學氫化物儲氫。 其中物理吸附儲氫乂可分為金屬有機框架(MOFs)和納米結構碳材料，化學 氫化物儲氫乂可分為金屬氫化物(包括簡單金屬氫化物和簡單金屬氫化物)， 非金屬鼠化物(包括硼氫化物和有機氫化物)o物理吸附儲氫材料是借助氣體分子與儲氫材料間的較弱的范德華力來 進行儲氫的一種材料。納米結構碳材料包括碳納米管、富勒稀、納米碳纖 維等，在77K下最大可以吸附約4毗氫氣。金屬有機框架材料(MOFs)具有 較碳納米材料更高的儲氫量，

19、可以達到4.5wt%,并且MOFs的儲氫容量與其 比表面積大致呈正比關系。但是，這些物理吸附儲氫材料是借助氣體分子 與儲氫材料間的較弱的范徳華力來進行儲氫，根據熱力學推算其只能在低 溫下大量吸氫。化學氫化物儲氫的最大特點是儲氫量大，H前所知的就有至少16種材 料理論儲氫量超過DOE最終U標7. 5毗,有不下6種理論儲氫量大于12wt%o 并且在這種儲氫材料中，氫是以原子狀態儲存于合金中，受熱效應和速度 的制約，輸運更加安全。但同時山于這類材料的氫化物過于穩定，熱交換 比較困難，力口/脫氫只能在較高溫度下進行，這是制約氫化物儲氫實際應用 的主要因素。金屬有機框架體系可逆，但操作溫度低納米結構材料

20、-操作溫度低，儲氫溫度低二元金屬氫化物一體系可逆，但熱力學和熱力學性質差金風氫化物儲氫材一體系可逆，但多含重料物質元素，儲氫容蚤低復雜金屬氫化物儲氫容量高，局部可逆，種類多樣非金風氫化物Ti舌存容量離，溫度適宜，但體系不可逆圖7固體儲氫材料分類口前各種材料基本都處于硏究階段，均存在不同的問題。金屬有機框 架(MOFs)體系可逆，但操作溫度低；納米結構材料操作溫度低，儲氫溫度低; 金屬氫化物體系可逆，但多含重物質元素，儲氫容量低；二元金屬氫化物體 系可逆，但熱力學和熱力學性質差；復雜金屬氫化物儲氫容量高，局部可逆, 種類多樣；非金屬氫化物儲存容量高，溫度適宜，但體系不可逆。實現“高 效儲氫”的技

21、術路線主要是要克服吸放氫溫度的限制。四有機液體儲氫近年來備受關注有機液體儲氫技術是通過不飽和液體有機物的可逆加氫和脫氫反應來 實現儲氫。理論上，烯燒、烘桂以及某些不飽和芳香燒與其相應氫化物， 如苯-環己烷、屮基苯-甲基環己烷等可在不破壞碳環主體結構下進行加氫 和脫氫，并且反應可逆。有機液體具有高的質量和體積儲氫密度，現常用材料（如環己烷、屮基 環己烷、十氫化蔡等）均可達到規定標準；環己烷和屮基環己烷等在常溫常 壓下呈液態，與汽油類似，可用現有管道設備進行儲存和運輸，安全方便， 并且可以長距離運輸；催化加氫和脫氫反應可逆，儲氫介質可循環使用；可 長期儲存，一定程度上解決能源短缺問題。有機液體儲氫

22、也存在很多不足：技術操作條件較為苛刻，要求催化加 氫和脫氫的裝置配置較高，導致費用較高；脫氫反應需在低圧高溫非均相條 件下，受傳熱傳質和反應平衡極限的限制，脫氫反應效率較低，且容易發 生副反應，使得釋放的氫氣不純，而且在高溫條件下容易破壞脫氫催化劑 的孔結構，導致結焦失活。國內富瑞特裝公司的常壓有機液態儲氫材料H前取得實質性進展，該 儲氫材料能有效降低脫氫溫度，具有非常優異的技術指標：（1）穩定性好, 熔點約-20°C;（2）加氫產物蒸汽壓低，具有良好的實用性與安全性；（3）儲氫 重量密度6. Owt%,高于美國能源部2015年技術指標；（4）儲氫體積密度約每 升60克，高于700大

23、氣壓下的高壓氣態儲氫密度（約每升39克）；（5）加氫 后的儲氫載體熔點低于-50°C,沸點約310°C,閃點約150°C;（6）加、脫氫 可逆性好，無副反應發生，脫出氫氣純度達到99. 99%; （7）加、脫氫產物無 明顯毒性；（8）加、脫氫過程調控可通過溫控和催化劑實現。公司將形成年 產3萬噸液態氫源材料生產能力。五運輸一氣態和液態運輸最為常見按照氫在輸運時所處狀態的不同，可以分為氣氫輸送、液氫輸送和固氫 輸送。其中前兩者是口前正在大規模使用的兩種方式。根據氫的輸送距離、方法一I方法二方法三,用氫要求及 用戶的分布 情況，氣氫可 以用管道網 絡，或通過高 壓容器

24、裝在 車、船等運輸 工具上進行 輸送。管道輸 送一般適用圖8氫氣運輸方式于用量大的 場合，而車、 船運輸則適 合于量小、用 戶比較分散恥四 的場合。液氫、固氫輸運方法一般是釆用車船輸送。下游應用氫能產業鏈下游應用包括加氫站、燃料電池的各種應用（包括車輛、固 定式電站、便攜式電子、分布式發電等）、傳統石化工業應用。石化應用是 H前氫的主要應用，據統計氫60%被用于合成氨，38%用于煉廠石油和煤炭 的深加工，這部分不屬于本報告研究范疇。而燃料電池的各種應用在燃料 電池產業鏈章節做進一步分析。一世界各地加氫站建設如火如荼世界各地都在大力推進加氫站的建設，國內加氫站運營指日可待。加 氫站的建設至關重要

25、，對于汽車企業來說，沒有能源站，就沒辦法賣車。 據LBST于2017年2月21日發布了第9期全球加氫站統計報告，2016年全 球新增92座加氫站，創增長數新高。截止到2017年1月，全球正在運營 的加氫站達到274座，其中有4座是2017年初開放。新增的92座加氫站中，有83座是對公眾開放的，其余9座則是專門 為公交車或車隊客戶提供服務。日本憑借新增45座位列加氫站增長數榜首。 而在北美新開放的25座加氫站中，有20座位于加利福尼亞州。歐洲新增 22座，其中6座位于德國，徳國公共加氫站總數增至22座。另外，德國還 有29座加氫站正在建設或即將開放，超過美國，后者正在建設的加氫站有 24座。目前

26、全球正在運營的274座加氫站中，有106座位于歐洲，101座位于 亞洲，64座位于北美，2座位于南美，1座位于澳大利亞。其中188座加氫 站向公共開放，占全球總加氫站數的2/3。去年，有兒座僅用于示范項LI的 舊加氫站也被新的公共加氫站所替代，這表明氫基礎設施的商業化正在逐 漸開展。ein operationplacedo Hydrogen Refuelling Stations WorldwideStatus January 2017© Ludwig-Bolkow-Systemtechnik GmbH www.lbsi.de圖9全球加氫站統計二新型加氫站成為有效補充和擴展新型加氫站

27、之一一太陽能加氫站將相比大型加氫站具有兩個顯著優點: 其一，體積小巧，甚至可以直接安裝在家中花園或門口，對于建設用 地和氫氣儲藏設施沒有額外特殊要求；其二：節能環保，通過太陽能電池的 電力，來電解水提取氫，并且在制造氫時不會產生C02。基于此，太陽能加氫站可以鋪設成數量更大、更廣泛的臨時加氫網，以便滿足氫燃料電池汽 車的臨時性加氫需要。新型加氫站之二一移動加氫車，汽車家族的充電寶。2015年12月，豐 田公司與Air Products公司合作，在加州新建設的加氫站建成前，為消費 者提供氫氣。Air Products公司的移動加氫車使用蓄電池以及太陽能發電 制氫，加氫車每次可以為Mirai加注半個罐氫氣，提供150英里的續航里 程。移動加氫車的儲氫能力為85kg,每罐可以滿足30多輛車的加