本文发表在《全球能源互联网》2021年第5期“规模化储能技术进展及其在高比例可再生能源和电力电子设备电力系统中的应用”专题上。本文受国家电网有限公司科技项目（5419-202020249A-0-0-00）资助。

（1）结合中国氢能发展规划，分析了工业副产氢在氢能总体发展中的定位；

（2）综述了工业富产氢气的种类及其市场容量，分析了用于PEM氢燃料电池的潜力；

（3）比较了不同氢气制取途径的经济性，包括：化石燃料制氢、电解水制氢、工业副产氢气纯化三种方式。

PEM氢燃料电池可提供灵活可控的清洁电力，其运行需消耗高纯度氢气，工业副产氢气纯化的制氢方式具有价廉环保的优势，在电网大规模应用中前景广阔。本文综述了目前中国主要的工业副产氢气来源及其市场容量，并分析了各类工业副产氢气的杂质特点。对照PEM燃料电池对原料气的纯度要求及各类杂质对燃料电池性能的影响，综述了几种适于PEM燃料电池的副产氢气纯化技术及应用现状。最后，对工业副产氢气纯化后作为PEM燃料电池原料气的经济性进行了分析，并在与其他制氢方式对比的基础上，展望了其在电网大规模应用的前景。

据中国氢能联盟评估及预测，“碳中和”大背景下中国氢能发展的目标：未来近、中、远期，氢能在中国能源体系的占比将逐渐提高。工业副产氢纯化获取高纯氢气的途径将成为PEM燃料电池发展初期和中期的重要供氢方案之一。

⬇ 表1 氢能发展路线

丙烷脱氢制丙烯副产氢中氢含量在60％~95％，副产氢气中含有少量氯气、一氧化碳、二氧化碳、烃类、氧气、氮气、H₂S等杂质。

⬇ 表2 丙烷脱氢工业副产氢的杂质成分及含量

氯碱工业副产氢气的含氢量超过92%，其中含有少量氯气、一氧化碳、二氧化碳、烃类、氧气、氮气等杂质。

⬇ 表3 氯碱工业副产氢的杂质成分及含量

焦炉气中氢含量约为55％~60％，相比于上文介绍的副产氢气，焦炉副产氢中含氢量较少，杂质成分更复杂。

⬇ 表4 焦炉气的组成

PEM燃料电池原料氢苛刻的纯度指标对工业副产氢气纯化工艺和装置提出了更高的要求，目前的纯化技术仍然面临着氢气纯度控制及其稳定性的考验。目前常用的有低温分离、膜分离、变压吸附，三种技术各有优缺点，应用中一般需要综合采用两种或多种分离技术。

⬇ 表5 氢气纯化技术的工艺特点

化石能源制氢价格最为低廉，工艺最为成熟，但其制备过程碳排放高。电解水制氢的氢气品质最好，但成本也是最高的。与其他制氢方式相比，工业副产氢纯化制氢方式的优势在于无化石原料参与且几乎不需额外资本投入，所获氢气在成本和减排方面均具有显著优势。

⬇ 表6 不同制氢方式的氢气成本

1）工业副产氢的市场容量巨大，能提供百万吨级的氢气供应，可为氢能产业发展初期和中期提供低成本的分布式氢源。

2）工业副产氢气纯化制取燃料电池氢，在经济成本以及碳减排方面均具有显著优势，是PEM燃料电池发展初期和中期最佳的供氢方案之一，具有良好的应用前景。

3）PEM燃料电池原料氢苛刻的纯度指标对工业副产氢气纯化工艺和装置提出了更高的要求，目前的纯化技术仍然面临着氢气纯度控制及其稳定性的考验。

4）从近期和中长期看，随着副产氢气纯化技术以及大规模PEM燃料电池发电技术的不断进步，发电成本持续降低，未来副产氢气在电网中的应用前景十分可观。进一步提升氢气纯度的稳定性和可靠性，以及开发低成本、大规模的纯化技术，是副产氢气纯化技术的重点研发方向。

研究团队