氢气制备方法综合分析

妙 丛 王嘉炜 安 刚

（1.北京航天试验技术研究所，北京 100074；2.航天氢能科技有限公司，北京 100074）

目前，氢能源作为清洁可再生能源越来越受到大众的青睐，各国政府纷纷出台扶持政策着力发展氢能源，重点建设一批氢能基础设施，推动氢能的发展。随着氢能基础设施的普及，氢气的应用场景更加广泛，氢气制备行业迎来了新的发展契机。

1 氢气的制备方法

1.1 氢气的实验室制备方法

高校尤其是理工科院校经常会有一些实验用到氢气，因为用量小、使用时间不固定且可以作为学生的实操课培养学生的动手能力，所以使用化学反应方式获得氢气是一种可行方法[1-3]。

氢气的实验室制备方法主要有两种：一种是铝和氢氧化钠溶液加热反应产生氢气，其化学反应方程式为2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑；另一种为稀硫酸与金属锌粒反应产生氢气，其化学反应方程式为Zn+H2SO4（稀）=ZnSO4+H2↑。两种方法用到的物料均容易获得且相对便宜，化学反应简单且快速。

1.2 水电解制氢

水电解制氢的工艺主要有碱性水电解制氢、质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水电解制氢、高温固体氧化物水电解制氢、氯碱工业电解NaCl制氢、重水电解制氢、煤水制氢以及高温热水制氢7种工艺。它们的分类和各自的工作原理如表1所示[3-5]。

表1 水电解制氢工艺分类及工作原理

1.3 热化学制氢

热化学制氢指在水系统中，不同温度下，经历一系列化学反应将水分解成氢气和氧气，不消耗制氢过程的添加元素或化合物，整个反应过程构成一个封闭循环系统。热化学制氢在1 073～1 273 K下进行，可与高温核反应堆或太阳能所提供的温度水平匹配，可望实现工业化[6]。

按热化学循环制氢过程所涉及的物料可分为表2中的几类。

表2 热化学循环制氢按物料分类

1.4 化石能源制氢

商业用氢约96%从化石能源中制取储备，会污染环境。作为一种过渡工艺，在石油化工生产过程中，常用石油分馏产品（包括石油气）为原料，采用比裂化更高的温度700～800 ℃（有时甚至高达1 000 ℃以上），使具有长链分子的烃断裂成各种短链的气态烃和少量液态烃，其中就含有氢气[6]。

1.5 水煤气法制氢

对于煤间接制氢，煤-甲醇-甲醇重整制氢传统煤制氢技术（煤气化为主）包括3个过程，分别为造气反应、水煤气变换反应、氢的提纯和压缩C+H2O—CO+H2CO+H2O—CO2+H2，可得含氢量在80%以上的气体，将气体压入水中以溶去CO，再通过含氨蚁酸亚铜（或含氨乙酸亚铜）溶液除去残存的CO得到较纯的氢气，流程如图1所示。这种方法制氢成本较低，产量大，设备多，多应用于合成氨厂[7-9]。

1.6 气体原料制氢

气体原料制氢是指使用天然气制氢，根据制氢工艺的不同主要分为3类，如表3所示[8]。

表3 气体原料制氢分类

1.7 液体化石原料制氢

液体化石原料一般指甲醇、轻质油和重油等，以它们重整制氢的主要工艺如表4所示。

表4 液体化石原料制氢工艺

1.8 生物质制氢

生物质利用主要有微生物转化和热化学转化两类。微生物主要用来生产甲醇、乙醇及氢气。在常压常温下，通过酶的催化作用，以水为原料，利用光能通过生物体制氢的方法是最有前途的方法。生物质能在利用过程中不排放额外的二氧化碳。

目前已证明，产氢作为一种生理性状广泛存在于光合营养生物，而能产氢的生物有几百种。微生物转化技术可以分为光解产氢生物（绿藻、蓝细菌和光合细菌）和发酵产氢细菌两类。蓝细菌和光合细菌产氢能力是绿藻的1‰，无研发价值，而绿藻产氢效率很低，研发缓慢。发酵法则具有3大优点，一是产氢能力和菌种生长速度高于光合产氢菌种，二是无需光源且操作管理简便，三是原料来源广且成本低。

1.9 其他制氢方法

随着科技的进步，制氢的方法层出不穷，其中发展较好且较受追捧的方法主要有太阳能直接制氢、太阳能电池板与水电解槽、辐射性催化剂制氢、各种化工过程副产氢气的回收、电子共振裂解水、陶瓷和水反应制取氢气以及新型氧化物材料制氢等。此外，电解食盐制碱、发酵制酒精、合成氨化肥工业以及石油炼制工业也有大量氢气产生。

2 各种制氢方法应用场合、经济性、安全环保性的对比分析

根据物料储备、地域、经济性以及安全环保等要求，现对上述制氢方法做了对比分析，分析比较结果如表5所示。

表5 各种制氢方法应用场合、经济性、安全环保性对比分析表

3 未来制氢产业的发展方向

从表5可以看出，生物质制氢从经济性和安全环保角度看都具有广阔的发展潜力。目前，我国已经在哈尔滨工业大学建立中试规模的生物发酵制氢，日产氢气600 m3。环保是将来制氢技术发展的一个重要方向。PEM水电解技术具有电流密度高、无电解液腐蚀、工作安全及控制简单等优点，在实际生产中的应用越来越广泛，并在民用领域展示出了广阔的应用前景。但是，PEM也存在弊端，需要突破质子交换膜、电催化剂以及膜电极等技术壁垒，打破国外技术垄断的格局。