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总第2 2 9 期2023年第7 期绿色发展摘要：针对氢的制造、存储、应用等氢能技术的发展研究现状进行了综述，分析了氢能产业链中各环节的技术特点和优势，同时对技术应用现状进行了分析，最后结合氢能技术和工业发展现状对氢能产业链发展前景和重要意义进行了分析，为我国氢能技术和氢能源产业发展提供借鉴和参考。关键词：碳中和；可再生能源；氢能；制氢；储氢中图分类号：TQ116.20引言随着化石能源大量开采和使用带来的全球气候问题逐渐加剧，我国与世界各国均开始加速推进能源转型,并制定了未来碳排放的发展目标。氢能是一种清洁且高效的二次能源,其能量密度高，氢的单位质量的热值是化石能源的3 4倍，并且氢的来源多样，应用领域广泛1。氢能被认为是2 1世纪的清洁能源，并被多国纳入国家发展战略。发展氢能技术对于构建清洁、高效、安全的现代能源体系，推进能源产业升级，保障国家经济发展，以及改善全球气候等具有重要意义。1制氢氢气的制备是目前氢能产业呕待解决的问题。根据制氢的来源,工业界常通过颜色将氢能源划分为三类,即灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢是氢能源技术发展的早期启蒙阶段(2 0 10 一2 0 30 年)进行技术探索采用的制氢技术，是指利用化石燃料制取氢气，但是会产生大量的碳排放，不符合能源转型的需求；蓝氢是化石燃料制氢,并辅助以CO2的捕捉和封存技术对CO2进行利用，减少了碳排放但仍不可持续，主要应用在技术发展过渡阶段（2 0 2 5一2 0 35年）；绿氢是指利用可再生能源、核能源制氢，其过程无污染，可实现氢气的高效低成本制备，是氢能技术发展的终极目标（2 0 2 5一2050年）。目前我国工业用氢仍主要是通过煤、天然气、甲醇等化石燃料制氢获得。基于可再生能源的电解水制氢技术是当前实现可持续绿色制氢的最有前景的技术路径。电解水制氢是通过电力提供反应能量使电解槽内的水分子分解，并在阳极和阴极分别析出氧气和氢气。根据电解质的种类，电解水制氢技术又可以分为三类：碱性电解水制氢（alkalinewaterelectrolysis,AWE）、质子交换膜制氢（proton exchange membranes,PEM）、固体氧化物电收稿日期：2 0 2 3-0 1-13作者简介：王伟国（19 8 0 一），男，黑龙江肇东人，本科，主要研究方向为加油加气站智能控制；王瑶（19 8 3一），女，河南开封人，本科，工程师，主要研究方向为加油加氢站产品标准化；詹华灿(19 8 4一),男，福建福安人，本科，工程师，主要研究方向为工程建设与管理。现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and Informationization可再生氢能技术及发展前景王伟国，王瑶，詹华灿（正星科技股份有限公司，河南郑州516 0 2 3）文献标识码：A解水制氢(solid oxide electrolytic cells,SOEC)5,三种技术对比见表 13-4。表1电解水技术参数对比表碱性电解水制氢质子交换膜制氢 固体氧化物电解对比项目(AWE)20%30%K0N电解质或NaOH电解效率/%6070工作温度/7080能耗/(kWhm-)技术成熟度污染性启停快，动态响启停快，动态响操作性应能力较强维护特点维护成本高碱性电解水制氢技术的原理及结构如图1 所示5。电解槽被隔膜分成阴、阳两室，通过在电极两端设置一定电压，电解水反应发生，产生的氢离子在阴极得到电子生成氢气，氢氧根离子在阳极失去电子产生氧气。离子在溶液中的定向运动需要较高的能量，碱性电解水装置往往需要较高的电压，而电解液的电阻较大,导致装置的工作电流很低，电解水的效率也随之降低。电解槽中的隔膜一般为多孔石棉,而产生的氧气和氢气有渗透隔膜产生混合的危险，因此需要时刻平衡隔膜两侧的压力。AWE制氢技术已经发展成熟，其整个系统构成简单、成本低、寿命长且工作温度低，但是其能耗高，电解效率低仍然是目前技术发展的巨大挑战。质子交换膜(PEM)制氢技术原理见图2 6 。国外的PEM制氢技术发展较早，且已经进人了商业化阶段，而我国仍处于早期发展阶段。不同于碱性电解水的多孔、非电解质隔膜,PEM电解水技术使用的是致Total 229No.7,2023D0I:10.16525/ki.14-1362/n.2023.07.063文章编号：2 0 9 5-0 7 48(2 0 2 3)0 7-0 18 6-0 3水制氢(SOEC)常用NafionY20:/Zr02709085100708060010004.55.53.85.0技术成熟，已商国外已商业化，仍处于研发阶段业化国内尚不成熟有无应能力强维护简单，成本低(PEM)2.63.6无启停慢2023年第7 期王伟国，等：可再生氢能技术及发展前景187阴极:2 H,0+2e-H2+20H阳极：2 0 H-H,0+2e+1/2022e阳极：2 0 4e+02阴极：2 H,0+4e2H,+202-2e电解质H21/202H.0多孔阴极Ni/C-Pt图1碱性电解水制氢技术原理图密、无孔的高分子聚合物膜作为电解质的阴、阳极隔膜。高分子聚合物膜能够承受较大的压差,并对氢离子有单向传导作用，可以有效隔离产生的氢气和氧气,提高装置的安全性。但是近年来，国内越来越多的单位开始展开相应的技术研究，如中国航天员中心、中船重工第7 18 所、航天科技集团8 11所、中科院大连化物所等。PEM电解水制氢技术具有工作电流密度高、反应无污染、结构紧、质量轻等优点，在可预见的未来中有着巨大的发展前景。O,(H,)+H,0 t质子交换膜通道图2 质子交换膜制氢技术原理图固体氧化物电解水制氢技术是在高温下电解水蒸气制氢，目前国内外均处于研发阶段，如美国的Idaho国家实验室、德国Juelich研究中心、法国原子能委员会（CEA)以及中国清华大学核能与新能源技术研究院(INET)等都展开了SOEC制氢技术并取得了显著成果7 。SOEC 制氢技术原理如图3所示,其工作温度通常在6 0 0 10 0 0 之间,在阴极水被电解生成氢气和0 2,0 2-通过电解质到达阳极失去电子后生成氧气。主要结构包括阳极、阴极、电解质，电极采用多孔结构，有利于生成气体的扩散和传输。相比于AWE技术和PEM技术,SOEC制氢技术的理论电解水效率可达10 0%，并且操作灵活可控、对环境友好，但是仍然存在反应条件高，材料要求稳定性高等挑战，而PEM制氢启停快、动态响应强、维护简单,更加适用于可再生能源发电的波动性输人，是未来国际能源领域的重要发展方向8 。其他新型制氢技术包括有催化剂光解制氢技术多孔阳极Ni/Co/Fe隔膜PEMWEH(O2)+H,0端板催化剂扩散层+图3固体氧化物电解水制氢原理图和生物质制氢技术等新兴技术，但是这些技术仍然处于技术发展早期探索阶段，规模小、经济性差，距离商业化及大规模应用有着很长的距离。2储氢将生产的氢能以稳定的形式储存起来,从而方便运输和使用,是储氢技术需要解决的问题。由于氢气具有很高的能量密度和特殊的化学性质，储氢成本居高不下，且核心技术突破少，如何实现氢气的低成本安全存储和利用是促进氢能发展的关键。目前，储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液体储氢以及固体材料储氢等，主要原理和技术优劣如表2 所示。我国现阶段常用的储氢技术是高压气态储氢，即将氢气压缩人高压容器中以气态进行存储,其技术发展较为成熟，能耗和成本可控。但是由于“氢脆”的现象存在，储氢罐的压力越大,其安全性越低，同时加压过程也会需要更高的成本。低温液态储氢需要首先在-2 52.7 8 的低温下将氢气液化,然后将其灌输到绝热的容器中。低温液态储氢可以有效提升储氢的体积能量密度，但是要求储氢容器绝热性好、耐高压，这极大增加了储氢成本。发达国家如美国、日本等国的液态储氢技术发展较快，已经步人了商业化阶段，但是在我国仍然是稳定慢速发展。有机液体储氢是不饱和有机液体在催化剂作用下与氢气发生加氢反应，生成稳定的化合物，实现氢气存储；当需要释放氢气时再进行脱氢反应产生氢气。有机液体储氢具有运输高效且安全的特点，但是技术表2 储氢技术原理及优缺点储氢方式技术原理气体压缩进人高压技术成熟，能耗高压气态储氢容器将氢气液化储存在体积能量密度能耗高，成本高，低温液态储氢绝热真空容器中高，安全性好对容器要求高氢气与有机化合物纯度高，运输高有机液体储氢技术复杂，能耗高反应固定效安全物理吸附储氢；氢化成本低，安全储能密度低，尚处固体材料储氢物储氢优点密度低，安全性差低，成本可控性高缺点于研发阶段现代工业经济和信息化188 第13卷复杂，尤其是脱氢过程能耗大、催化剂易失活,并且在脱氢过程中还可能产生多种副产物气体,降低氢气释放的纯度。这些问题严重限制了该技术的发展和大规模应用。固体材料储氢技术是固体对氢气的物理吸附或者化学反应实现氢气的固定和释放，技术具有多种优势：储氢体积密度高、操作运输简单安全、成本低、安全性好、氢气纯度高等。我国在固体材料储氢技术方面也取得了重大发展，如北京航空航天大学水江澜团队开发了储氢稳定且高度可逆的TizCT，储氢材料；西安交通大学张锦英团队开发了石墨烯界面纳米阀储氢材料，可以极大地提高储氢的密度和材料的便携性。固体材料储氢技术优势明显，是最理想的储氢技术,也是未来氢能发展的重要方向。3应用氢能不仅能源储存材料，还可以作为燃料、工业原料等应用到生产生活的多个领域，具有广阔的应用空间，如图4所示。能源供应和回收循环系统H布局加氢站点氢能输运工具或管道氢能燃料电池。迄今为止，我国拥有全世界最大的燃油汽车和纯电动汽车市场，尤其是近年来我国的新能源产业实现了突飞猛进的发展。但是大量的燃油汽车需要消耗化石燃料并对环境造成严重污染，与我国未来能源转型的方向不符，而纯电动汽车行程较短，充电时间较长。氢燃料电池可以实现氢能的移动化、轻量化，同时不会产生温室气体和微尘等对环境有害的排放物，非常适合应用在重载、长途运输等商用汽车方面。商用车续航里程长，路线和用途固定，针对商用车的这些特点，仅需建设少量加氢设施就可以有效降低商用车对基础设施的依赖度。同时结合各地工业制氢，实现从制氢到加氢站的近距离化，还可以进一步减少氢能汽车发展的成本，促进氢能健康发展。氢能发电。利用风能、水能、太阳能等可再生能源进行制氢可以将能源进行储存，再利用氢气可以实现高效、稳定发电。由于风能等发电具有严重的不均匀性、间歇性等特点，我国的风电光伏发电仍然具有较高的弃电率。采用氢能将这些废弃的电能进行储存和重新发电，可以有效解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，以及提升可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统安全性、灵活性，并大幅度降低碳排放。氢气还可以直接混人天然气进行输运，或者与空气中的CO,通过甲烷反应制造燃气，直接作为燃料使用或用于清洁能源供热供电。氢气还是工业生产中的重要原材料，如工业合成氨、合成甲醇、石油精炼以及合成航空燃料等。目前工业用氢主要采用化石能源制取,未来大规模制氢在工业生产中潜力巨大。4结语作为一种高能量密度、清洁高效的能源,氢气在全球能源转型和解决气候问题中扮演着重要的角色。氢能的发展不能仅限于技术层面，要从技术、产业、消费等层面综合考虑，从而实现氢能全产业链综合健康清洁高效发电站发展。未来氢能产业将重点发展利用风能等可再生能家用燃料源进行大规模电解水制氢，开发新型高效的固体储氢材料，以及结合现有能源、产业结构和各地工业发展H2实际情况进行产业配置，最终实现全社会范围内的能氢能源革命。城镇社区交通工具图4氢能应用参考文献1刘凡，朱宏康.氢能创新性研究及其国际产业发展战略J.中国使用氢燃料电池的材料进展,2 0 2 1,40(8):6 39-6 44.交通工具2郝伟峰，贾丹瑶，李红军.基于可再生能源水电解制氢技术发展概述J.价值工程，2 0 18,37(2 9)：2 36-2 37.3郭博文，罗聘，周红军.可再生能源电解制氢技术及催化剂的研究进展J.化工进展，2 0 2 1,40(6)：2 9 33-2 9 51.4曹蕃，陈坤洋，郭婷婷，等.氢能产业发展技术路径研究J.分布式能源,2 0 2 0,5(1):1-8.5刘太楷，邓春明，张亚鹏.电解水制氢发展概况之一：碱式电解水J.材料研究与应用，2 0 19,13（4)：339-346.6王飞，周抗寒，管春磊，等PEM水电解技术在航天上的应用现状与发展趋势J.上海航天，2 0 2 0,37(2)：2 3-2 9.7ZHANG X Y,O BRIEN J E,TAO G,et al.Experimental design,op-eration,and results of a 4k W high temperature steam electrolysis ex-perimentJ.Journal of Power Sources,2015,297:90-97.8NGUYEN V N,FANG Q P,PACKBIER U,et al.Long-term tests of aJ u lich planar short stack with reversible solid oxide cells in both fuelcell and electrolysis modes JJ.International Journal of Hydrogen En-ergy,2013,38(11):42814290.(编辑：白龙)(下转第19 2 页）现代工业经济和信息化 第13卷染的一种经验性的分析假设，具有较强的借鉴意义，同时也受自然条件、地域政策、产业结构等客观因素影响。3.2政策建议山西作为大力发展煤炭经济的省份，不仅要寻求经济的快速增长，还应兼顾环境保护和产业的可持续发展,建议从以下几个方面谋划今后经济与环境的协调发展之路。1)推进煤炭清洁高效利用。山西的发展离不开煤炭的支撑，也肩负着全国能源稳产保供“排头兵”的重任。在煤炭洗选、燃料发电、清洁转化、分散燃烧等环节清洁和高效利用，以达到提升效率和控制污染排放的目的。结合规模化利用和低碳化、绿色化时代要求，实现全过程全要素清洁低碳利用。2)发展智慧能源。要改变当下对煤炭能源的单一依赖,可从构建多种能源互补的智慧能源技术人手4。科学谋划能源产业的发展格局，依据能源的种类、用途，优先利用新能源。利用工业物联网和大数据分析结果，推动能源优化组合，改善能源消费结构，逐步降低煤炭在能源消费中的比重，减少以前不可控的污染排放，实现环保与经济双赢。3)发展智慧环保。目前的环保措施大多着眼于完善环保法规、加大环保资金投入、加大对污染的处罚Empirical Analysis of Environmental Kuznets Curve in Shanxi Province(Science&Technology Information and Strategy Research Center of Shanxi,Taiyuan Shanxi 030024,Abstract:The per capita GDP and industrial waste emissions data of Shanxi Province from 2007 to 2021 are selected to establish aneconometric model to verify the application of the environmental Kuznets curve to Shanxi Province.The results show that the environmentalKuznets curve of the three waste emissions in Shanxi Province does not conform to the U type or inverted U type.The fitting curves ofwaste water discharged,waste gas emission and per capita GDP are exponential models,and the ftting curves of common industrial solidwastes generated and per capita GDP are logarithmic models.Key words:environmental Kuznets curve;economic development;environmental pollution;empirical analysis(上接第18 8 页）Renewable Hydrogen Energy Technology and Development Prospects(Zhengxing Technology Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 516023,China)Abstract:The current research status of hydrogen energy technology development such as hydrogen manufacturing,storage and applicationis reviewed,the technical characteristics and advantages of each link in the hydrogen energy industry chain are analyzed,and the currentsituation of technical application is also sorted out and analyzed.Finally,the prospects and important significance of the development of thehydrogen energy industry chain are analyzed in the light of the current situation of hydrogen energy technology and industrial development,which provides reference and reference for the development of hydrogen energy technology and hydrogen energy industry in China.Key words:carbon neutrality;renewable energy;hydrogen energy;hydrogen production;hydrogen storage力度以及加快污染治理的市场化进程等方面，结合当下发展火热的数字经济，建议同时发展智慧环保5。以“5G+物联网+AI技术为依托,利用前端感知设备、超级计算机和云计算,努力做到环保物联一张网，智能分析各方面的环境数据信息，使环境管理和决策实现动态化、精细化。4)发展循环经济。传统污染治理耗时耗能，只有投人没有产出。发展循环经济，可以将耗费型治理转变升级为增值型治理，如煤基固废高值化利用，比起废弃物填埋，其作为高附加值的产品重新投人市场，在治理污染的过程中创造新价值，可实现经济效益和污染治理的双赢效果。政策规划、产业布局、企业建设要兼顾废弃物资源化的循环理念。参考文献1(GrossmanG M,Alan K.Economic Growth and the Environment JJ.Quarterly Journal of Economics,1995,110(2):69-70.2倪曾曾.山西省经济增长与环境污染关系研究D.太原：山西财经大学，2 0 17.3刘安轩，杨展，梁雪石.黑龙江省环境库兹涅茨曲线的实证研究J.国土与自然资源研究，2 0 17(2)：58-6 2.4王云珠“十四五”时期山西可再生能源发展政策研究J.经济问题,2 0 2 1(8):18-2 4.5于明，张恩铭“十四五”我国综合能源行业发展面临形势与趋势研判：深化新能源革命，力促碳达峰、碳中和J.中国科技投资，2021(10):68;10.（编辑：赵婧）Hao Xilong,Yang Kun,Yang LuhaoChina)Wang Weiguo,Wang Yao,Zan Huacan