如何制氢？

为了有效应对全球气候变化，工业领域开始使用可持续能源，氢气是可替代化石燃料的清洁能源。然而，燃料的发展潜力取决于高效、经济、环保的生产方法的开发和实施。 

同传统化石燃料相比，制氢用电的单位成本不具备竞争力，这是突出缺点之一，制约了氢能的推广使用。因此，税收减免 和其他政府激励措施 是大力发展氢经济的切实有效举措，有助于节约氢气制取和氢能利用成本。 

从技术水平、经济性、环境保护角度分析，制氢方法存在差异。网页为常用制氢方法概览，其中包括部分正处于开发阶段的试验方法。 

作为一种能源载体，氢气的优势明显：

• 同传统燃料相比，单位质量的氢气能量含量更高 
• 使用氢燃料电池，有望实现零碳排放 
• 长期储存时不会发生能量衰减，这是与电池相比的一大优势 
• 应用广泛，包括运输和储能

然而，要在工业领域内推广使用氢气仍面临诸多挑战，主要集中在可用基础设施和运营成本等方面。

同无铅汽油相比，氢气的质量能量密度较高，体积能量密度较低。单位质量下，氢气的能量密度约为汽油的三倍。因此，特别适合对重量要求较高的应用场合（比如长途运输）。

但是，氢气的体积密度较低，储存时需要综合考虑多方因素，包括带压储存氢气，或者利用低温深冷技术液化氢气。上述方法提高了氢气的密度，也增大了操作的复杂度。改变并保持氢气的受控状态不仅需要耗费能源，而且离不开专用基础设施。此外，氢气易燃 —— 小分子量，易发生泄漏 —— 在整个价值链中都必须严格遵守安全协议。 

灰氢是目前工业领域内最常见的氢气类型，主要通过蒸汽甲烷重整（SMR）和自热重整（ATR）两种热化学工艺生产。

蒸汽甲烷重整（SMR）和自热重整（ATR）都使用烃类气体原料，一般是天然气，其主要成分为甲烷（CH₄）。在蒸汽甲烷重整（SMR）过程中，预热处理后的甲烷进入重整装置，在催化剂的作用下与高温蒸汽（H₂O）发生化学反应。在自热重整（ATR）过程中，蒸汽和指定体积的氧气（O₂）原料进入重整装置， 发生自燃。不同于SMR甲烷重整过程，ATR无需外部供热。 

在严苛过程温度条件下，这两种工艺使用的催化剂都会促进重整装置内的甲烷和水分子分离，破坏它们的化学键。热裂解产物包括所需的氢气、一氧化碳和微量二氧化碳气体。通常，重整装置下游的吸附床直接吸收含碳气体，氢气流经重整室后被储存起来，后续按需使用。 

二氧化碳直接排放至大气环境的生产过程所产生的氢气被称为“灰氢”。如果二氧化碳（CO₂）能够被封存，产生的氢气就是“蓝氢”。

自热重整（ATR）无需外部供热，比蒸汽甲烷重整（SMR）更节能。此外，有效控制重整装置的氧气进气量大大减少了一氧化碳排放，产生的二氧化碳比SMR更加纯净。因此，制取蓝氢是理想的选择。然而，ATR的监控更加复杂，尤其是燃烧过程存在重大安全隐患。 

碳捕集和封存技术的有效性和可扩展性决定了蓝氢的环保可行性，仍需持续加强技术创新研发。

甲烷热解产生蓝绿氢（又称绿松石氢），天然气直接被加热 —— 超过900°C （1652 °F）高温 —— 热分解成氢气和固态碳。相比于气态碳，固态碳更容易进行碳捕集。

如果热解过程所需的热量来自太阳能、地热等可再生能源，蓝绿氢（绿松石氢）则变得更加清洁。这种制氢方法具有广阔的应用前景，但仍处于起步阶段，需要大量成功案例来验证其可行性，确保捕集到的碳可以永久封存。

绿氢是公认的可持续再生氢气的黄金标准，通过太阳能、风能、水能等可再生能源电解水制取氢气。

在水电解过程中，电力作为能源，将水分子（H₂O）分解成氢气（H₂）和氧气（O₂）。电解槽由两个电极（阳极和阴极）和电解质溶液组成。电解质是导电溶液，加速离子在电极间的移动。 

系统接通直流电后，阴极发生还原反应，得到电子。聚集电解质溶液中带负电荷的阴离子，填补阴极得到电子后留下的空位。阳极发生氧化反应，释放电子，促进电解质溶液中带正电荷的阳离子向阳极移动。 

在阴极上，带正电荷的氢原子 (H+)得到电子后产生氢气；而在阳极上，水分子失去电子，释放氧气，推动氢离子向阴极移动。 

最终结果是将水分解成氢气和氧气分子。绿氢被封存，氧气排放至大气环境中，不会污染环境。 

如果存在多余的可再生能源，绿氢提供了一种可持续的储能途径，后续按需向电网供电。不同于电池内储存的电能，氢气储能不会随时间的推移而发生衰减，特别适用于季节性储存或长期储能。

根据热力学定律，水电解生产氢气所需的能量大于产品自身的能量。美国国家可再生能源实验室的最新估计结果指出：水电解效率约为70-80%，表明过程中部分可再生能源转移至氢气产品中。

不仅如此，电解槽基础设施尚处于起步阶段，推广应用有待进一步开发和持续效率提高。 

非常用方法包括核能制氢、光解水制氢、生物和生物质制氢。

核能制氢
核能电解水是大规模零碳制氢的潜在方式 —— 又称“粉红氢” —— 正处于新兴阶段。核电站连续运行，为制氢过程提供稳定的能源供给，解决了可再生能源的间歇性问题。然而，公众对于核安全、核废料处置、核扩散可能性仍存担忧，阻碍了这一技术的推广应用。

光解水制氢
使用半导体材料吸收太阳光，无需通电即可将水分子分解成氢气和氧气。光子照射到光触媒半导体上，激发出更多的自由电子，电子提供化学反应所需的能量，模拟植物的光合作用。

这一方法离大规模推广还有很远的路要走，有待更加深入的研究，开发出性价比更高的光触媒材料。不过早期试验表明，其效率远远高于利用直流电电解法。 

生物和生物质制氢
生物光解法是未来制取可用氢气的另一种小众方式，利用自然水体中藻类和蓝藻的光合作用制取氢气。酶催化反应也可以实现生物质或水制氢。 

上述方法目前属于试验阶段，探索各种氢气制取方式和极限对于发展氢经济非常重要，因为氢经济是减少工业生产温室气体排放的高效且可行的基石。 

有效制取和使用氢气需要全面考量财务、技术和环境因素，以便明智决策。改进并丰富氢气制取方法有助于提高氢气在各类应用中的可行性。 

现阶段，使用蒸汽甲烷重整（SMR）和自热重整（ATR）生产灰氢最为常见，但政府的税收减免措施旨在激励扩大蓝氢生产，利用碳捕集技术减轻对环境的影响。利用可再生能源水电解法制取绿氢是更具可持续性的解决方案，但其可扩展性和成本效益有赖于进一步技术创新。 

甲烷热解制氢、光解水制氢等新兴方法是极具应用前景的替代方法，但仍处于起步阶段，需要进一步开发。推动氢经济发展，让氢能成为可持续能源基石，必须采取全面的方法，包括多样化的生产方法、政策支持和持续创新。