氢能价值链中氢气纯度的系统综述：从生产到应用的技术评估与挑战

《International Journal of Hydrogen Energy》：Influence of the thickness and stratigraphic position of the cavern-bearing salt formation on stability and tightness of horizontal hydrogen storage caverns in bedded salt formations: A case study in Jiangsu Province, China

本文针对氢能价值链中氢气纯度标准不统一的问题，系统综述了从生产、运输储存到最终应用的各环节对氢气纯度的要求与影响。研究人员梳理了水电解、甲烷重整、生物质气化等多种制氢工艺，以及管道、液氢、LOHC、氨等多种储运方式的产物纯度，并对比了燃料电池、工业加热、合成氨等不同应用场景的纯度耐受极限。研究结果表明，氢气的纯度需求存在显著差异，从工业加热的≥98.0 mol%到移动PEMFC的≥99.97 mol%不等，且杂质容忍度是决定下游技术兼容性与成本的关键。该研究为构建集成化、标准化的氢能基础设施提供了关键数据支撑，对推动氢能产业健康发展具有重要意义。

　　

在全球能源体系向低碳化转型的浪潮中，氢能作为一种清洁、高效的二次能源载体，被寄予厚望。然而，氢能从生产到最终应用的整个价值链，犹如一条环环相扣的长链，任何一个环节的“纯度”问题都可能成为制约其发展的瓶颈。不同于电力即发即用的特性，氢气往往需要经过长途运输和长期储存，才能送达用户手中。在这个过程中，氢气是否会“变质”？不同的生产方法（如用可再生能源电解水，或用化石燃料重整制氢）产生的氢气“纯净度”有何不同？不同的运输方式（如高压气体管道、深冷液化、或者绑定在氨或有机液体中）又是否会引入新的杂质？更重要的是，千辛万苦送达的氢气，其“口味”是否满足终端用户——例如为汽车提供动力的燃料电池、用于炼钢的还原炉、或是生产化肥的合成氨装置——的苛刻要求？目前，氢能产业链各环节对氢气纯度的要求缺乏统一、清晰的认知，这为大规模氢能基础设施的规划和建设带来了巨大的不确定性和技术风险。

为了系统回答这些问题，发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上的这篇综述文章，进行了一项前所未有的“氢气纯度普查”。研究人员旨在绘制一幅完整的氢能价值链“纯度地图”，明确从生产、运输储存到最终应用各个环节所能获得或所要求的氢气成分，识别关键瓶颈，并为未来集成化氢能系统的设计提供科学依据。研究的意义在于，它首次尝试将碎片化的信息整合成一个连贯的框架，为决策者、工程师和投资者提供了评估技术兼容性、选择技术路径和制定相关标准的关键数据基础。

为开展这项研究，作者主要采用了系统性的文献综述方法，对大量公开的科学文献、技术报告和行业标准进行了梳理与归纳。关键技术方法包括对各技术环节的产物气体成分进行数据提取与标准化整理，依据技术就绪度（TRL）评估不同技术的成熟度，并参照国际标准化组织（ISO）的氢气产品质量标准（特别是ISO 14687:2019）作为纯度要求的基准进行对比分析。

氢气生产环节的纯度图谱

研究首先审视了氢气的“源头”——生产过程。水电解（包括碱性电解槽AEL、质子交换膜电解槽PEMEL和固体氧化物电解槽SOEL）技术成熟度高，其产品氢气纯度普遍极高，可达99.9 mol%以上，主要杂质是水蒸气和少量的氧气。相比之下，基于化石燃料或生物质的工艺则复杂得多。甲烷蒸汽重整（SMR）是当前工业制氢的绝对主力，其粗煤气中氢气含量约65 mol%，但含有大量的CO、CO₂和未反应的甲烷。甲烷的部分氧化（POX）和自热重整（ATR）过程产物类似，但具体组成受氧化剂（氧气或空气）影响显著，使用空气会导致氮气稀释，降低氢气浓度。煤气化和生物质气化产生的合成气中氢气浓度范围很宽，在20%至45%之间波动，富含CO和CO₂。甲烷热解理论上可产生纯氢和固体碳，但实际产物仍含有未反应的甲烷和原料气中的杂质。这些数据清晰地表明，除电解水外，大多数制氢工艺产生的都是氢气混合物，必须经过复杂的纯化步骤才能满足下游应用要求。

氢气运输与储存中的纯度变迁

氢气生产出来后，面临如何经济高效地“搬家”和“入库”的难题。研究详细分析了各种储运方式对氢气纯度的影响。高压气态氢（GH₂）运输，无论是通过管束车（压力容器）还是管道，其纯度保持能力与材料密切相关。新建的专用氢气管道和I-III型储氢瓶能很好地保持氢气纯度。然而，利用现有天然气管道改造输氢（Retrofit）则可能引入管道内壁残留物或垫片析出的杂质，导致氢气纯度降至98.0 mol%左右。液氢（LH₂）运输能量密度高，但其液化过程本身对原料氢纯度要求极为苛刻（总杂质除氦外需低于1 ppm），相当于99.999%的纯度，液化过程也起到了纯化作用，因此液氢产品纯度极高。液态有机氢载体（LOHC）和氨（NH₃）、甲醇（MeOH）等氢载体路线，通过化学键合方式储运氢，其核心在于“加氢”和“脱氢”过程。LOHC加氢对原料氢纯度要求相对宽松（≥60 mol%），但脱氢后经简单蒸馏得到的氢气纯度约99.96 mol%，仍含有微量碳氢化合物。氨裂解和甲醇重整重构氢气时，产物纯度高度依赖于具体工艺，传统固定床反应器产物纯度较低（如氨裂解产氢约72 mol%），而结合了选择性透氢膜的膜反应器则能直接产出纯度高于99.9 mol%的氢气。地下储氢（如盐穴）可能因地质微生物活动或前期储存介质残留而引入杂质，其纯度需个案评估。

终端应用场景的苛刻“口味”

最终，氢气价值体现在其“用武之地”。研究汇总了不同应用场景对氢气纯度的“挑剔”要求。对于氢能时代最具代表性的应用——燃料电池，尤其是用于车辆的质子交换膜燃料电池（PEMFC），其“味蕾”最为敏感。ISO 14687:2019标准规定其所需氢气纯度等级为D，要求H₂含量不低于99.97 mol%，并对CO、硫化物等杂质容忍度极低（如CO需<0.2 ppm），因为这些物质会毒化昂贵的铂催化剂。用于建筑供电供热的固定式PEMFC，根据对功率和效率要求的不同，对氢气的耐受能力稍强，允许的氢气纯度可低至50 mol%，但对CO等特定杂质的限制依然严格。将氢气直接燃烧产热的应用，如工业炉窑、燃气轮机等，则“不挑食”得多，纯度等级A（H₂≥98.0 mol%）即可满足，其要求更接近当前天然气的品质标准。在工业原料领域，合成氨（Haber-Bosch工艺）要求氢气纯度通常不低于99.99 mol%，并对CO、CO₂、O₂、H₂O等催化剂毒物有严格的ppm级限制。而在氢冶金（直接还原铁DRI）工艺中，用于生产无碳DRI的氢气纯度要求约为97 mol%。

结论与展望

该研究通过系统梳理，清晰地揭示了一个核心矛盾：氢能价值链上游（尤其是基于化石能源的制氢和部分储运方式）通常产生或输送的是“粗氢”或“富氢气体”，而价值链下游的高价值应用（特别是移动和固定式PEMFC、化工合成）则迫切需要“高纯氢”或“超纯氢”。这一矛盾凸显了纯化技术在氢能价值链中的关键桥梁作用。研究的结论强调，不存在“一刀切”的氢气纯度标准，未来氢能基础设施的规划必须是“应用导向型”的。例如，为燃料电池汽车供氢的基础设施必须确保氢燃料满足最高的纯度等级D；而用于工业燃料替代的氢气管网，则可以接受较低纯度等级A的氢气，从而可能降低纯化成本和基础设施改造成本。

这项研究的重要意义在于，它首次构建了一个全面的氢能价值链纯度数据库和评估框架。这不仅为技术选择和系统优化提供了量化依据，也指明了未来的研发方向：一方面需要开发更高效、低成本的氢气纯化技术，特别是能适应波动性可再生能源制氢的纯化工艺；另一方面，也需要提升下游应用技术（如燃料电池）对杂质的耐受性。同时，研究结果强烈呼吁产业链各环节加强沟通，推动建立更细致、更符合实际产业链条的质量标准体系。最终，这幅“氢气纯度地图”将指引我们更清晰、更经济地绘制通向氢能时代的路线图。