核能制氢有望打开氢燃料动力电池发展源泉

近几个月来国家密集出台政策支持燃料电池汽车产业，燃料电池概念炙手可热。但氢气作为一种二次能源，需要利用一次能源来生产。以可持续的方式实现氢的大规模生产是实现氢广泛利用的前提。随着技术和工艺的不断进步，核能制氢有望打开氢燃料电池发展源泉。

氢气：优异的二次能源

氢气是一种多用途的能源载体，可以从各种能源中生产，并在整个能源部门的多个应用中使用。因为它是一种化学燃料，所以它能够以电力无法实现的方式进行交易和储存，这使得一些化石能源渗透最深的行业能够以最小的代价来切换到氢能源，包括钢铁生产、化工、供热和长途运输

氢气的来源比较广泛，既可以借助传统化石能源如煤炭、石油、天然气等通过化工方法制备，也可以由风电、太阳能的可再生能源发电后电解得到，甚至可以通过核能制取，能够满足各种场景对氢能的需求。

氢气的能量密度高，燃烧热位居当前主流燃料之冠。同等质量下氢气的燃烧热是液化石油气的2.4倍、汽油的2.7倍、酒精的4.5倍。

氢气储存与运输比较方便，可以实现持续供应、远距离输送和快速补充。各种一次能源都可以转化为氢气，方便就地取材，转化储运。比如将多余的电力转化为氢气，然后以压缩气体、液化、金属氰化物、碳质吸附等方式储存起来，像传统化石能源一样通过管道、公路、船舶、铁路等方式进行运输。

值得注意的是，氢气是一种二次能源，是载体而不是能源本身。虽然氢作为一种分子成分在自然界中很丰富，但人们需要消耗能量来产生纯氢气。氢本身不含碳，在氢能的消费过程中，比如用于燃料电池或在热机中燃烧时，水是唯一的排放物。然而，氢能整个生命周期的碳排放量由一次能源和制氢过程决定，在量化气候效益时需要通盘考虑，不能武断地说氢是一种清洁能源。

氢燃料电池汽车

目前氢能的产业化应用还处于探索阶段，氢能的主要有以下几个应用场景：作为一种高能燃料，用于航天飞机、火箭等航天工业设备及城市公共汽车中；作为保护气用于电子工业中，比如在集成电路、电子管、显像管等的制备过程中；在炼油工业中对石脑油、燃料油、粗柴油、重油等进行加氢精制；在冶金工业中还可以作为还原剂将金属氧化物还原为金属；在食品工业中，食用的色拉油就是对植物油进行加氢处理的产物；氢气也是化工工业中重要的合成原料。近年来兴起的氢燃料电池汽车是氢能应用的一个重要方向。

氢能源汽车包括氢内燃车和氢燃料电池车两大类。其中，前者是将氢当做化石能源的替代，利用内燃机将化学能转化为动能。而氢燃料电池车是使氢或含氢物质及空气中的氧通过燃料电池以产生电力，再以电力推动电动机，由电动机推动车辆。氢燃料电池具有清洁高效的特点，是普及利用氢能的关键技术。

燃料电池有别于原电池，优点在于透过稳定供应氧和燃料来源，即可持续不间断的提供稳定电力，直至燃料耗尽，不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不像充电电池一样，用完须继续充电。甚至透过电堆串连后，可以媲美发电量百万瓦(MW)级的发电厂。

截至2018年4月，全球燃料电池电动汽车（FCEV）达到8000辆。美国以4500辆汽车位居榜首，主要注册在加州。日本位列第二，拥有2400辆氢燃料汽车，其次是德国和法国。在中国，燃料电池汽车的数目正在增长。截至2018年6月，中国约有2000辆中型卡车和280辆公共汽车。在欧洲，燃料电池和氢联合企业正在实施一个燃料电池公交车项目，其目标是到2022年在20个城市部署大约300辆公交车。

核能：大规模制氢首选

在全球低碳能源革命的进程中，大规模清洁制氢技术将是核能利用的发展源泉。目前比较成熟的制氢技术中，通过蒸汽重整技术和气化技术从化石燃料中制氢是较为经济的选择，适用于工业上大规模生产，但缺点是会造成二氧化碳的排放，与直接使用化石燃料差别不大，与全球能源低碳转型的方向相左。

缺点

蒸汽重整：用热和蒸汽分解碳氢化合物。

大型化原理清晰，技术成熟，适于大规模商业化生产，原料来源广泛，经济性强，是集中生产的理想选择。

小型装置还未商业化；有二氧化碳排放；氢气含有一些杂质；一次燃料本可直接使用；受天然气价格波动影响。

气化：将重烃和生物质分解成氢气和其他气体。

大型化原理清晰；可用于固体和液体；丰富的（煤）资源。

比甲烷富氢少；效率低；煤中二氧化碳排放量高；原料需要预处理；使用前需要清洗；生物质气化仍处于中试规模；生物质的能量密度低。

电解水

原理清晰；商用化技术成熟；产生高纯度氢；模块化；方便利用可再生电力；是分布式生产的理想选择。

电价对氢气的成本影响很大；整个技术链条的效率较低；需要开发耐用的高温电解模块；与直接使用可再生电力的存在竞争。

热化学循环：利用核能或太阳能产生的廉价高温热能将水分解。

潜在的低成本大规模生产；无温室气体排放；高效率（预计约50%），研发和部署方面的国际合作。

未商业化；侵蚀性的化学物质；工艺和材料技术仍需要大量的研发工作；高资本成本；需要部署高温核反应堆。

生物生产：藻类和细菌在一定条件下直接产生氢气。

潜在的巨大资源；不需要原料。

制氢速度慢，占地面积大；低效率；尚未发现合适的生物体；仍处于研发水平。

单个核电反应堆的功率一般在百万千瓦左右，特种适用于大规模集中生产能源，特种可以作为基荷电源运行。核能源供应的一个主要优势是消除供应的不确定性和能源价格对石油、天然气和其他燃料价格波动的敏感性。核能，高效清洁，几乎不排放空气污染物，显然是大规模集中生产氢气的理想选择。

目前制定的六种四代核电技术标准中，有四种堆型都引入了核能制氢的设计。我国在这方面走在了世界前列，2012年12月底，高温气冷堆示范项目在石岛湾开工建设，预计于2019年完工；2018年，钍基熔盐堆实验堆落户甘肃武威，预计2020年底建成。这两种堆型都可以利用反应堆产生的高温制氢。

核能不仅可以通过直接的高温反应来介入氢气的制备过程，核能产生的热量还可以介入蒸汽重整制氢、高温电解等反应，甚至可以先通过核能发电，再用电解法制氢。

我国已经有专家提出了核能制氢的呼吁，在今年全国两会上，全国政协委员、中核集团科技质量与信息化部主任钱天林在“关于支持核能制氢与绿色冶金列入国家科技重大专项的建议”中表示，当前发达国家已经在氢能生产与应用领域加快布局，我国需要积极配套政策，以赢得未来氢能时代国际竞争的战略制高点。

钱天林还表示，“目前世界上工业应用的制氢方法以化石燃料重整为主，难以满足未来氢气制备高效、大规模、无碳排放的要求。而核能作为清洁的一次能源，核能制氢已经发展成为一种清洁、安全、成熟的技术。核能制氢就是将核反应堆与先进制氢工艺耦合，进行氢的大规模生产。核能制氢具有不产生温室气体、以水为原料、高效率、大规模等优点，是未来氢气大规模供应的重要解决方案。”

清华大学核能与新能源技术研究院副总工李富表达了相似的观点，他说：“低碳的氢，结合燃料电池技术和加氢的高品质生物质燃料生产，几乎是当前化石液体燃料的唯一替代品。核能制氢技术，可以实现大规模制氢，同时碳排放很少。”

核能制氢的未来

根据世界原子能机构的研究，氢的未来和核能制氢的潜力将由以下主要因素驱动：

-石油和天然气的生产量；

-关于全球气候变化气体和二氧化碳排放的社会共识和政府决策；

-需要节约化石资源，以便在以后的环境友好应用中使用；

-来自扩展燃料储备的能源安全和外国石油不确定性的独立性；

-经济大规模制氢和输送。

一般认为，当前核能制氢的瓶颈在于经济性和市场化。核能要有所作为，需要在常规工业制氢市场打开之后，纯粹靠核能去推动制氢难度较大，用核能发电，然后用电力通过电解水制氢反而更划算。天然气作为民用能源，在储存、运输、使用方面都很成熟。氢气和天然气类似，如果氢气产量足够，修建类似天然气管道那样的基础设施输送氢气，也具有可行性。

安全性也是制约核能制氢的一大因素之一。众所周知，常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，且极易燃烧。如何保证与核电偶联的设备在氢运输等相关过程中的安全，是需要突破的重点和难点。

我们认为，随着低碳能源革命的深入，氢气市场的打开，核能制氢将很快突破瓶颈，成为氢燃料电池的发展源泉。