氫氣在石油煉化、化工及精細化工、金屬冶煉、電子工業(yè)、半導體、浮法玻璃等超過17個行業(yè)中使用，應用領域十分廣泛，其中大部分的氫氣在生產(chǎn)中都是以公輔工程的角色出現(xiàn)，隨制隨用、中間存儲量不大、負荷任意調(diào)節(jié)，在工業(yè)領域已經(jīng)形成自己的體系。

同時氫氣熱值高、來源廣泛，且清潔無碳排放即氫氣與氧氣反應生成水、水電解又可以生產(chǎn)氫氣和氧氣。因此氫能作為高效、清潔的二次能源，優(yōu)勢突出，越來越收到重視。

1我國當前車用氫氣需求不足2萬噸／年

1．1 我國氫氣產(chǎn)量和用途

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟統(tǒng)計，2019年中國氫氣產(chǎn)量約為3342萬噸，其中，氫氣作為獨立組分而存在（非合成氣或者混合氣體中含氫）、達到工業(yè)氫氣質(zhì)量標準的產(chǎn)量約為1250萬噸。在消費端合成氨、合成甲醇、煉化與化工是氫氣前三大用途，作為燃料進行燃燒提供熱值等是第四大用途，應用在電子工業(yè)、浮法玻璃、精細化工等領域的工業(yè)純氫50萬噸、約占1．5％，為氫燃料電池汽車提供能源的氫氣不足2萬噸。工業(yè)純氫和燃料電池用氫占比不高，卻是對氫氣純度及雜質(zhì)含量要求最高的。

資料來源：中國氫能聯(lián)盟

1．2 各種制氫方式獲得的原料氣組成

不同的制氫方式得到的氫氣純度和雜質(zhì)各不相同，各個應用領域?qū)�氫氣的要求也不盡相同。因此從氫氣的制取到應用需要經(jīng)過純化這一中間環(huán)節(jié)。

不同制氫方式含氫量及雜質(zhì)

資料來源：公開資料、香橙會研究員整理

1．3 各個應用領域?qū)�氫氣的要�?/p>

在合成氨、甲醇的生產(chǎn)中，為防止催化劑中毒，保證產(chǎn)品質(zhì)量，原料氣中硫化物等毒物必須預先去除，使雜質(zhì)含量降低至符合要求。煉廠用氫的純度和壓力對加氫處理單元的設計和操作有著顯著的影響。通常煉廠基于經(jīng)濟性、操作靈活性、可靠性以及易于未來流程拓展的原則來選取合適的氫氣分離技術(shù)。

在冶金和陶瓷工業(yè)，氫氣可用于有色金屬（鈦、鎢、鉬等）的還原制取，防止金屬或陶瓷（TiO2、Al2O3、BeO等）材料在高溫煅燒時被燒結(jié)或被氧化；在玻璃工業(yè)，氫氣可防止錫槽中的液態(tài)錫被氧化而增加錫耗；在半導體工業(yè)，氫氣可用于晶體和襯底的制備、氧化、退火、外延、干蝕刻以及化學氣相沉積工序。由于氫氣與上述行業(yè)中產(chǎn)品直接接觸，氫氣的純度和雜質(zhì)含量普遍要求較高，目前大多數(shù)廠家采用電解水制氫或外購高純氫等方式來滿足生產(chǎn)需求。很多對氫氣純度和雜質(zhì)要求極為苛刻的廠家還配置了氫氣純化器進一步純化氫氣。

近年來，質(zhì)子交換膜燃料電池得到了快速的發(fā)展，硫化物、CO與催化劑鉑的吸附性比氫更強，優(yōu)先于氫氣占據(jù)催化劑表面的活性位點且不易脫除，造成催化劑中毒，使燃料電池的壽命和性能大幅度降低。除了要求氫氣的純度達到99．97％外，對CO、硫化物等雜質(zhì)要求苛刻。

1．4 我國氫氣標準規(guī)范

針對不同的氫氣制備方法和應用行業(yè)要求，國內(nèi)外不同標準化機構(gòu)制定了相應的氫氣品質(zhì)標準，國內(nèi)主要的相關規(guī)范如下表。

資料來源：公開資料、香橙會研究員整理

本文僅選取工業(yè)純氫、高純氫和超純氫與燃料電池氫的純度和主要雜質(zhì)要求對比，可見即使?jié)M足了工業(yè)高純氫的純度要求，在CO、硫化物等雜質(zhì)上未必滿足燃料電池對氫氣的需求。

燃料電池車用氫氣純度及雜質(zhì)要求

資料來源：公開資料、香橙會研究員整理

2氫氣純化方法

2．1 氫氣純化方法主要分為物理法、化學法和膜分離法。

2．1．1 變壓吸附法（PSA）

目前工業(yè)上大多采用物理法中的變壓吸附法（PSA）提純氫氣，也是目前最成熟的氫氣提純技術(shù)，可以得到純度為99．999％的氫氣。PSA分離技術(shù)的基本原理是基于在不同壓力下，吸附劑對不同氣體的選擇性吸附能力不同，利用壓力的周期性變化進行吸附和解吸，從而實現(xiàn)氣體的分離和提純。根據(jù)原料氣中不同雜質(zhì)種類，吸附劑可選取分子篩、活性炭、活性氧化鋁等。近年來，PSA技術(shù)逐漸完善，通過增加均壓次數(shù)，可降低能量消耗；采用抽空工藝，氫氣的回收率可提高到95％～97％。

2．1．2 深冷分離法

物理法中的深冷分離法是利用原料氣中不同組分的相對揮發(fā)度的差異來實現(xiàn)氫氣的分離和提純。與甲烷和其他輕烴相比，氫具有較高的相對揮發(fā)度。隨著溫度的降低，碳氫化合物、二氧化碳、一氧化碳、氮氣等氣體先于氫氣凝結(jié)分離出來。深冷分離法的成本高，對不同原料成分處理的靈活性差，有時需要補充制冷，通常適用于含氫量比較低且需要回收分離多種產(chǎn)品的提純處理。

2．1．3 金屬鈀膜擴散法

金屬鈀膜擴散法的原理是基于鈀膜對氫氣有良好的選擇透過性。在300～500℃下，氫吸附在鈀膜上，并電離為質(zhì)子和電子。在濃度梯度的作用下，氫質(zhì)子擴散至低氫分壓側(cè)，并在鈀膜表面重新耦合為氫分子。由于鈀復合膜對氫氣有獨特的透氫選擇性，其幾乎可以去除氫氣外所有雜質(zhì)，分離得到的氫氣純度高、回收率高（＞99％）。為防止鈀膜的中毒失效，鈀膜提純技術(shù)對原料氣中的CO、H2O、O2等雜質(zhì)含量要求較高，需預先脫除。此外，鈀復合膜的生產(chǎn)成本較高，透氫速度低，無法實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化的應用。

2．1．4 金屬氫化物分離法

金屬氫化物法是利用儲氫合金可逆吸放氫的能力提純氫氣。在降溫升壓的條件下，氫分子在儲氫合金（稀土系、鈦系、鎂系等合金）的催化作用下分解為氫原子，然后經(jīng)擴散、相變、化合反應等過程生成金屬氫化物，雜質(zhì)氣體吸附于金屬顆粒之間。當升溫減壓時，雜質(zhì)氣體從金屬顆粒間排出后，氫氣從晶格里出來，純度可高達99．9999％。金屬氫化物法同時具有提純和存儲的功能，具有安全可靠、操作簡單，材料價格相對較低，產(chǎn)出氫氣純度高等優(yōu)勢，但是金屬合金存在容易粉化，釋放氫氣緩慢、需要較高的溫度等問題。

2．1．5 各種氫氣純化方法小結(jié)與燃料電池用氫提純應用

資料來源：公開資料、香橙會研究員整理

氫氣來源復雜、雜質(zhì)種類繁多，氫氣純化方法的選擇與氫氣供應規(guī)模和氣源密切相關。目前國內(nèi)已建成的燃料電池用氫項目主要使用的是PSA法，相關提純裝置供應商是西南化工院、中國石化等，佳安氫源自主研發(fā)了MDP模塊化定向除雜技術(shù)，可針對氫氣中雜質(zhì)匹配不同的除雜模塊。

3燃料電池汽車用氫各國研究現(xiàn)狀與比較

歐美日等國家較早的開展了模塊化高效的定向氫氣純化技術(shù)研究，我國在燃料電池汽車用氫提純領域，起步較晚，還缺乏系統(tǒng)研究。

美國早在2004年就開始關注燃料電池車用氫氣純化技術(shù)。重點研發(fā)場景是低成本的小型天然氣重整純化，技術(shù)包括高效小型變壓吸附技術(shù)、有機膜分離、無機膜分離和金屬鈀膜分離技術(shù)。

日本也于2010年開始布局燃料電池車用氫氣純化技術(shù)路線。日本的純化技術(shù)發(fā)展趨勢與其儲運氫技術(shù)路線相對應，日本主要儲運氫方式包括氨載體運輸和有機液體運輸，因此應用場景更側(cè)重于氨分解重整制氫純化、有機液體解析氫氣純化，技術(shù)包括小型變壓吸附分離、膜分離技術(shù)。

歐洲天然氣管網(wǎng)輸氫占比逐漸增加，氫氣甲烷高效分離是一個重點研究方向。

       原文標題 : 氫氣純化研究