ＰＲＯＧＲＥＳＳ ＩＮ ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ 化学进展 ＤＯＩ：１０. ７５３６ ／ ＰＣ２０１１２８ 中国制氢技术的发展现状 曹军文　 张文强　 李一枫　 赵晨欢　 郑　 云　 于　 波 ∗ （ 清华大学核能与新能源技术研究院　 北京 １０００８４） 摘　 要　 氢能是一种高效清洁的二次能源，在实现“ 碳中和” 目标中起重要作用。 随着制氢规模不断扩大、 制氢成本不断降低，氢能将有望与电能共同成为二次能源主体，通过氢电互补推动我国能源结构转型、降低 碳排放、保障我国能源安全。 目前，我国已成为世界第一大产氢国，主要有三类工业制氢路线：化石燃料重整 制氢、工业副产氢和清洁能源电解水制氢。 依托清洁能源发展起来的其他制氢新技术，如太阳能光解水制 氢、生物质制氢、核能制氢等也受到广泛研究和关注。 此外，制氢系统组成复杂，建模和优化难度高，人工智 能在制氢系统的预测、评估和优化方面表现出独特的优势，受到国际学者的关注。 本文结合最新研究进展， 对上述制氢路线的发展情况进行了综述，并通过技术成熟度、经济性和环保性比较，结合国情对我国未来氢 气供应结构做出展望。 同时，本文综述了人工智能在制氢系统中的最新应用进展，以期为我国制氢工艺发展 提供新思路。 关键词　 制氢　 化石能源重整　 工业副产氢　 电解水　 其他制氢新技术　 人工智能 中图分类号： ＴＱ１１６. ２； ＴＫ９１　 文献标识码： Ａ　 文章编号： １００５⁃２８１Ｘ（２０２１）１２⁃２２１５⁃３０ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ Ｊｕｎｗｅｎ Ｃａｏ， Ｗｅｎｑｉａｎｇ Ｚｈａｎｇ， Ｙｉｆｅｎｇ Ｌｉ， Ｃｈｅｎｈｕａｎ Ｚｈａｏ， Ｙｕｎ Ｚｈｅｎｇ， Ｂｏ Ｙｕ ∗ （ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ　 Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｅａｎ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｔｈａｔ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｒｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ ｒｏｌｅ ｉｎ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ＂ ｃａｒｂｏｎ ｎｅｕｔｒａｌ＂ ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ， ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｌｌ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ’ ｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｒｅｄｕｃｅ ｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ， ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ Ｃｈｉｎａ’ ｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ． Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ’ ｓ ｌａｒｇｅｓｔ ｐｒｏｄｕｃｅｒ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ， ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒｏｕｔｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ： ｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ， ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｂｙ⁃ｐｒｏｄｕｃｔ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ． Ｏｔｈｅｒ ｎｅｗ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｏｌａｒ ｐｈｏｔｏｌｙｓｉｓ， ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｂｉｏｍａｓｓ， ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ， ｅｔｃ．， ｈａｖｅ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ， ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ （ ＡＩ） ｓｈｏｗｓ ｕｎｉｑｕｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ， ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ａｎｄ ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ， ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎｔｏ ｆｏｕｒ ｍａｉｎ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ， ａｎｄ 收稿： ２０２０ 年 １１ 月 ２３ 日， 收修改稿： ２０２１ 年 ３ 月 ２２ 日， 网络出版： ２０２１ 年 ７ 月 ２９ 日 国家自然科学基金项目（ Ｎｏ．９１６４５１２６ 和 ２１２７３１２８） 、清华大学自主科研计划（ Ｎｏ．２０１８Ｚ０５ＪＺＹ０１０） 和清华⁃ＭＩＴ⁃剑桥低碳能源大学联盟种 子基金项目（ Ｎｏ．２０１ＬＣ００４） 资助 Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （ Ｎｏ． ９１６４５１２６ ａｎｄ ２１２７３１２８） ， ｔｈｅ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ （ Ｎｏ．２０１８Ｚ０５ＪＺＹ０１０） ， ａｎｄ ｔｈｅ Ｔｓｉｎｇｈｕａ⁃ＭＩＴ⁃Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｌｏｗ Ｃａｒｂｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ａｌｌｉａｎｃｅ Ｓｅｅｄ Ｆｕｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍ （ Ｎｏ．２０１ＬＣ００４） ． ∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ ｅ⁃ｍａｉｌ： ｃａｓｓｙ＿ｙｕ＠ ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｐｒｏｇｃｈｅｍ．ａｃ．ｃｎ　 　 Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２０２１， ３３（１２） ： ２２１５ ～ ２２４４ Ｒｅｖｉｅｗ 化学进展 ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｓｏｍｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｕｐｐｌｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ｒｅｖｉｅｗｅｓ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｎｅｗ ｉｎｓｉｇｈｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ　 ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ； ｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ； ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｂｙ⁃ｐｒｏｄｕｃｔ ｈｙｄｒｏｇｅｎ； ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ； ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｏｔｈｅｒ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ； ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ８　 Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｕｔｌｏｏｋ １　 引言 　 　 作为全球最大的能源消费国，我国石油、天然气 等优质能源短缺，对外依存度高，严重威胁我国能源 安全。 ２０１８ 年，我国原油进口量为 ４. ６ 亿吨，对外 　 　 Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｎｅｒｇｙ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｒｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ ｒｏｌｅ ｉｎ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ＂ ｃａｒｂｏｎ ｎｅｕｔｒａｌ ＂ ． Ｓｅｖｅｒａｌ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｍｅａｎｉｎｇ ｏｆ ＡＩ ｆｏｒ ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｏｎｔｅｎｔｓ １　 Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ２　 Ｈｙｄｒｏｇｅｎ 依存度高达 ７１％；天然气进口量为 １２００ 亿立方米， 对外依存度高达 ４３％ ［１］ ；煤炭资源丰富，探明储量 世界排名第 ２ 位，但发展粗放，污染较大，不利于未 来的可持续发展。 面对日益严峻的碳排放问题，我 国于 ２０２０ 年提出 “ 碳达峰” 、 “ 碳中和” 的目标 ［２］ 。 氢能是一种零碳排、应用形式多样的清洁能源，是实 现能源体系低碳化转变的理想储能介质，可加速电 ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｕｅｌ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｆｒｏｍ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｆｏｓｓｉｌ 力、工业、交通、建筑等领域的深度脱碳。 氢能的开 发和利用是推动我国能源结构转型，保障国家能源 ２. １　 Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ 安全，实 现 “ 碳 达 峰 ” 、 “ 碳 中 和 ” 目 标 的 重 要 途 ３　 Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｂｙ⁃ｐｒｏｄｕｃｔ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ７ 月中石化邀请专家举办了“ 氢能发展战略研讨 ３. ２　 Ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ 国氢能产业发展迅速，基本完成了氢能全产业链的 径 ［３， ４］ 。 为推进我国氢能产业高质量发展，２０２０ 年 ２. ２　 Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ 会” 。 中国工程院院士干勇在会上指出，近几年我 ３. １　 Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ３. ３　 Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ 布局，形成了京津冀、华东、华南、华中、华北、东北六 ４　 Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ 运、加注、利用等环节与国外的技术差距正在日益缩 ３. ４　 Ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｃｌｅａｎ ｅｎｅｒｇｙ 大氢能产业集群 ［５］ 。