第一作者
：惠云泽，王梦婷，郭世荣
通讯作者
：余江龙
通讯单位
：东南大学-蒙纳士大学联合研究院能源与环境中心
论文DOI
：10.1016/j.enconman.2024.118776
在中国实现碳中和目标下从碳基能源向可再生能源转型的过程中，氢能被认为是能源结构中高效、绿色、应用广泛的最佳次级能源载体。中国的碳中和路线是到2030 年达峰、2060年实现全产业链碳中和。届时氢能将实现涵盖制氢、储氢、运氢以及用氢的全流程工业链布局。本综述分析了中国氢能产业的技术研发现状，根据文献中以及目前已公布的工业项目报告中的数据，从制氢、储氢、运氢与用氢四个方面对中国氢能应用发展现状以及未来要面临的挑战进行了分析归纳总结。其中制氢部分主要针对灰氢、蓝氢以及绿氢的工艺成本以及碳排放等参数的经济性分析；储氢部分主要分析了储氢材料大规模工业化面临的技术难点以及先进合成技术未来发展路线；运氢则针对短途管道运输、长途管道运输、长途氢罐运输以及分布式制氢这四种技术的经济性分析，总结归纳了中国运氢所要解决的核心问题以及未来发展趋势。最后氢能应用技术则针对中国利用氢能替代化石能源发电所面临的问题，通过对氢燃料电池、燃氢轮机、燃氢锅炉等技术替代目前中国不同规模发电需求的可行性进行分析。最终对中国氢能大规模应用面临的技术挑战进行了总结归纳。
中国作为制造业大国，一直处在世界碳排放国家前列。2020年中国每年碳排放约为116.8亿吨，是排名第二的美国的2.57倍。中国碳排放结构中约47%来自化石能源发电，另外35%则来自工业。这是由于中国煤炭资源丰富，而且制造业发达导致了中国化石能源发电体量巨大。所以中国如何利用绿色能源替代传统化石能源发电技术是实现碳中和目标的主要议题。可再生能源主要是指通过自然资源，如风能、水能以及光能等零碳排转化为电能的发电技术。尽管近几年可再生能源在中国发展迅速，但是天气多变、季节更替乃至温度多变等环境因素都导致了可再生能源存在电压过高、电压波动过大和逆功率流等问题。并且中国可再生能源主要集中在西北部，但是中国制造业则集中在长三角和珠三角等南部地区。所以如何解决绿电输送问题也是桎梏实现碳中和目标的主要问题之一。氢能由于其能量转化过程零碳排、且易于制备与贮存和转化过程可控等优势，被广大科学家认为是解决可再生能源系统问题的最佳次级能源载体。因此中国如何实现氢能与可再生能源复合发电系统替代传统化石能源发电系统是实现碳中和目标的核心议题之一。
图1、中国氢能产业链。
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中国制氢技术发展现状及面临挑战
中国的氢气来源主要是灰氢和蓝氢，因为它们的制氢成本较低，目前的技术也相对成熟。合适的碳税定价可以促进 CCUS 等低碳技术的广泛应用和氢能的发展。由于成本较高，绿氢目前并不是中国制氢工业的主要制氢来源。然而，要在中国实现碳中和，未来制氢技术需要进一步降低绿色制氢成本、提高可再生能源装机容量、进一步优化水电解制氢技术（如催化剂和 PEM技术的深入研究）是当前面临的主要挑战。总体而言，要降低绿色制氢的高成本，需要进一步深入了解相关催化剂的催化和水中毒机制。进一步研究水电解制氢过程的传质机制和催化机制可以进一步提高绿氢制备效率。SOEC 和 AEM 等先进的水电解方法必须在稳定性和经济性方面进一步改进，才能实现大规模工业应用。
图2、700 bar 储氢罐（5.6kg可用氢气）的（a）重量，（b）体积，（c）成本分布图。
由于中国幅员辽阔、地形复杂，氢气运输成本主要由储氢材料成本决定。首先，利用天然气管道运输天然气与氢气的混合物是一种低成本长距离运输的有效解决方案。然而，氢能应用的核心是减少发电技术碳排放，未来需要对利用天然气分离出的氢气发电和天然气掺氢燃烧发电进行经济性分析来判断这一技术是否可行。其次，中国的氢气储存需要高压储气罐。因此，需要进一步研究能够提高气体容器存储密度的先进材料。同时，基于化学能的更高储存密度的储氢过程和高效释放氢气的方法仍需要进一步研究。其中，固态储氢和利用化学能储氢则具备更大的潜力。所以，提高固态储氢的体积和质量储氢密度是未来的主要挑战，而提高化学能储氢和氢气释放的可逆性则是另一个有待解决的问题。总之，要提高储氢能力，就必须深入了解金属氢化物和碳基结构等材料在原子水平上的吸氢和解吸过程。为了提高这些材料的体积密度和重量密度，研究必须侧重于这些材料的制备过程和方法。此外，研究化学储氢方法（如氨和低浓度氢）的机理将有助于实现高效、无污染的可逆氢释放。
图3、(a) 中国加氢站预测（2016年-2026年）；(b) 运氢管道安装成本（百万元/公里）与管道直径的关系图；(c) 加州能源委员会资助的加氢站按日输气量计算的分布式制氢投资成本与长途运氢投资成本对比图；(d) 2023 年中国加氢站数量排名前十的省份分布图。
近年来，中国的氢能转换技术主要应用于氢燃料电池。然而，由于其零部件生产工艺复杂，贵金属催化剂价格高昂、优质 PEM设备的长周期运行稳定性以及使用寿命还需要进一步优化。目前，国内研究人员主要针对燃料电池用催化剂、低成本双极板和设备微型化等方面进行深入研究。但将多个堆栈组装成大功率燃料电池的应用技术是桎梏燃料电池替代传统火力发电的主要原因。在未来的研究中，开发高精度堆叠技术以确保燃料电池组件的正确排列和压缩，对于实现燃料电池复合可再生能源系统的重要核心技术之一。此外，对于贵金属催化剂在发电过程中的催化机制和水中毒机理是进一步优化燃料电池技术未来需要面临的重要挑战之一。
图5、氢气与甲烷混合燃烧的层燃速度与混合当量比的关系图。
图6、利用Pd-Cu/Al
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O
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催化氢气无焰燃烧动力学分析。
由于氢燃烧具有燃点高、反应快、能量密度高等特点，在传统发电设备（燃气轮机和内燃机）中应用氢燃烧是一项重大挑战。如果使用含 100% 氢气的燃气轮机和内燃机实现大规模零碳排放发电，则需要对燃气轮机和内燃机的内部结构迭代升级进一步深入研究。研究应侧重于催化燃烧等先进燃烧技术的机理分析与传质传热的机理分析。此外，燃氢锅炉进行发电则需要开发高效稳定的催化剂和优化锅炉换热设计。对于氢能载体燃烧技术，氨燃烧则存在点火温度过高、燃烧不稳定和氮氧化物排放等问题。未来需要解决的问题主要集中在氨与其他燃料的共燃的当量比、燃烧方式、燃烧室结构优化、工艺操作优化、污染物排放和控制等技术的研究。要应对这些挑战，就必须了解氢和氨的火焰特性、点火特性和反应动力学。以稳定燃烧过程并减少氮氧化物排放。
作为世界上二氧化碳排放量最高的国家，中国一直致力于利用可再生能源替代化石燃料发电来实现碳中和。氢能作为一种零碳高效的二级能源，是中国碳中和技术研发的首要重点。中国的整个氢能产业链（制氢、储氢、运氢和用氢）已初步具备了市场化应用条件。但是在中国应用氢能的产业技术中，每个环节都还面临着相当大的挑战。
中国最成熟的制氢技术是煤气化和天然气转化。由于目前灰氢结合 CCS 的成本低于可再生水电解制氢的成本，中国的制氢技术仍以化石能源结合 CCUS 的工艺为主。绿氢技术由于成本高昂目前还无法大规模进行。通过可再生水电解法制氢的成本会随着可再生能源装机容量的增加和水电解技术（高性能催化剂、高质量 PEM 等）的提高而降低。因此，利用可再生能源和水电解相结合降低成本是制氢技术的主要发展方向。
氢气的储运方面，由于中国地貌复杂，制氢地点与终端用户之间的距离较远，终端用户的制氢成本主要由运输成本决定。目前，有效的低成本解决方案是利用天然气管道运输掺有氢气的天然气，然而分离技术仍有待开发。储氢罐是氢气储存的最常用方式。为了降低氢气储存和运输的成本和碳排放，开发先进材料、氢气分离方法、改进化学储能工艺以及利用氢气混合物发电是降低中国氢气运输成本的解决方案。
燃料电池技术在发电和运输领域的应用相对成熟。开发大规模氢能发电技术是发电领域的一个关键目标。中国近50% 的碳排放来自发电站。此外，中国 80% 的发电厂都是使用化石燃料的火力发电厂。但是目前利用可再生能源、水电解和氢燃料电池组合进行大规模发电（超过 100 兆瓦）的方法仍有待深入研究。然而，由于氢燃烧的特性，传统的燃气轮机和内燃机都不能直接用氢气替代甲烷。为了保证这些设备在完全由氢气驱动的情况下稳定运行，有必要对燃气轮机和内燃机燃烧室的内部结构进行进一步改造。氢气与液氢载体燃料（如氨、甲醇和乙醇）共同燃烧是更好的选择。虽然火力发电站主要使用蒸汽轮机发电，但目前还没有基于蒸汽轮机和氢燃烧相结合的发电技术。总之，在生产大量电力之前，必须开展更多研究，开发氢能反应装置。
Yunze Hui et al. Comprehensive Review of Development and
Applications of Hydrogen Energy Technologies in China for Carbon Neutrality:
Technology Advances and Challenges. Energy Conversion and Management, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118776
惠云泽
，澳大利亚纽卡斯尔大学化学工程博士，2023年中国引才计划博士后，2022年江苏省卓越博士后，于2022年进入东南大学-蒙纳士大学联合研究院余江龙教授课题组从事氢能与智慧能源控制技术领域研究，主要开展了零碳排制氢及碳材料、燃氢锅炉、智慧炼焦等技术的研发与应用。在ECM、Energy、Fuel、JAAP、E&F等知名国际期刊发表多篇研究成果。
王梦婷
，余江龙教授团队一年级博士生，研究方向为烃类催化裂解制备氢气与高附加值碳材料。在JMCA, ECM,
Science China Materials等国际期刊上发表多篇研究成果。
郭世荣
，余江龙教授课团队一年级博士生，研究方向为催化氢燃烧反应器建模。在ECM, Fuel等知名国际期刊发表研究成果。
余江龙
，教授，博士学位，现任蒙纳士大学代理副校长和苏州校区代理校长，蒙纳士大学苏州校区副校长，东南大学-蒙纳士大学苏州联合研究生院澳方院长, 苏州工业园区蒙纳士科学技术研究院高级首席研究员, 蒙纳士大学化工系教授, 纽卡斯尔大学化工系荣誉教授。长期从事能源环保与纳米材料技术的研发工作，主要研究方向有碳质资源高效清洁转化和双碳技术、先进煤焦化技术、先进碳材料、氢能大规模生产和利用技术、煤焦化过程智能化技术等。承担和获资助的科研项目56项，承担有中澳JCG双边合作项目、澳大利亚ARC Linkage项目、ANLEC项目、ACARP项目、国家973项目子课题和国家自然科学基金等项目。2021年获评苏州工业园区杰出国际型学科领军人才。培养博士研究生26名、硕士研究生42名。在行业认可的国际期刊和国际学术会议上发表学术论文235篇，其中期刊论文196篇，会议论文39篇，参编英文专著1部，主编译著1部，授予国家发明专利14项。与澳大利亚，韩国以及中国许多高校及研究机构等保持良好的合作关系。曾担任《Fuel Processing Technology》(2019年)、《Fuel》(2010年)、《The International Journal of Hydrogen
Energy》(2020年)、《Energy and Fuels》(2020年)等期刊的客座编辑，并担任《Bioresource Technology》(2015-2021年
)
的编委。
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