常用的制氢方法
在碳中和背景下，氢能源非常有发展前途。氢能源的优势在于1）零排放，2）燃值高，3）用途广。火箭推进要大批量使用液化氢，工业生产要用氢，特别是氢能汽车要用氢，全国的氢需求量极大。
氢是怎么制作的？本文介绍几种常用制氢方法的原理。
一．天然气制氢方法
天然气制氢是我国的主要制氢方式之一。原因有二，一是在我国的一些‘盆地’和‘沿海’都聚集天然气，气源方便；二是，天然气制氢工艺是成熟的。
‘天然气’实际上是‘甲烷’和‘一氧化碳’的混合气体，甲烷占90%以上；所以用天然气制氢需要增加甲烷处理的工序。其主要反应式如下 ：
1）天然气和水在 800~900℃高温和氧化镍催化剂的条件下反应生成一氧化碳和氢气。反应式为
CH4+H2O → CO+H2-Q（吸热）
2）一氧化碳和水在 300-400℃条件下，在三氧化二铁催化剂的条件下，反应生成二氧化碳和氢气。反应式为
CO+H2O → CO2+H2+Q（放热）。
天然气制氢方法的主要工艺流程为：
1）原料气预处理脱硫；
2）在高温高压下将烷烃转化为一氧化碳和氢气；
3）将一氧化碳变换为二氧化碳和氢气；
4）将氢气和二氧化碳分离、提纯、分别储存，各有各的用途。
用天然气制氢的工艺成熟，效率较高。用该方法制氢成本的关键在于天然气价格。
二．煤炭气化制氢
煤碳制氢也是我国的主要制氢方式之一。其原因是，1）煤炭的成本低；2）我国煤炭资源较多；3）煤炭制氢方法和工艺成熟。
最关键的技术在于将煤“气化”。煤可以直接在地下煤层中气化，也可以将煤放在气化炉内气化。无论是哪种‘气化’方法，都需要三个条件，一是高温，二是气化剂（一般用蒸汽、空气或氧气），三是密闭空间的‘气化炉’。
煤气化制氢主要包括三个过程，即造气反应、水煤气转化反应、氢的纯化与压缩储存。
造气反应方程式为：
C + H2O → CO + H2 （吸热）
水煤气转化反应方程式为:
CO + H2O → CO2 + H2 （放热）
这里特别介绍‘煤地下气化’方法，其‘地下气化炉’的构造简示在下图中。
现在一般采用“长通道，大断面，两阶段”的‘煤炭气化’新工艺。在第一阶段，鼓入空气助燃，煤层蓄热，产生鼓风煤气。第二阶段，鼓入水蒸气，水蒸气与炽热的煤层相遇，发生分解反应，形成地下水煤气。这样排出的是‘中热值’的煤气，其中含有大量的‘氢’、‘一氧化碳’。这里所指的‘大断面’可以使燃煤量增大，蓄热量增多，为第二阶段提供足够的反应热；这里所指的‘长通道’可以使得水和煤的反应时间变长，增加有效产出。
煤炭地下气化，可以避免露天开采或地下开采所带来的‘工程问题’和‘环境问题’，地下气化后的灰渣、氧化物、放射性物质、矸石全部留在地下，气化完成后向地下‘注浆’，避免地表沉陷。
对于煤质量差的矿区，范围小的矿区，用‘煤炭地下气化’特别适合，也非常有利于环保。
三． 工业尾气制氢
1. 煤焦化制氢方法
用煤炼焦，即煤在隔绝空气的条件下加热到1000~1100℃，就获得焦炭、煤焦油和混合煤气这3类产物。
1）焦炭。是炼焦最重要的产品。焦炭90%以上用于高炉炼铁，少量做工业它用。
2）煤焦油。是炼焦获得的重要化工产品。
3）混合煤气。其中含有氨、粗苯、硫、甲烷、一氧化碳。使用各种手段，可以分离出甲烷和一氧化碳，这是制氢的原料。在炼焦中，制氢是副产品，不是主要目的。
2.氯碱制氢
工业制烧碱，用隔膜电解法，会产生氢气和氯气这两种副产品。
传统的隔膜电解法的原理图如下：
传统电解水制氢用石棉隔膜
在阳极处：2Cl-（氯离子）－2e- = Cl2↑（氧化反应）
在阴极处：2H+（氢离子）+2e- = H2↑（还原反应）
在阳极和阴极之间有石棉隔膜，避免了两极产物的混合。
饱和盐水由阳极区注入，生成的碱及未分解的盐水从阴极区不断流出。
通过适当调节盐水流量，可使阳极区液面高于阴极区液面，从而产生一定的静压差，使阳极Na离子透过隔膜向阴极室移动，其流向恰与阴极区OH离子向阳极区的电迁扩散方向相反，形成NaOH，从而大大减少进入阳极区的OH离子数量，抑制析氧反应及其他副反应的发生，促进阳极区产氯效率提高，促进阴极区产氢和碱液的效率提高。
电解饱和食盐水的总反应可以表示为：
2NaCl+2H2O→通电→2NaOH+Cl2↑+H2↑
传统方法电解盐水，采用石棉隔膜，制碱和制氢的效率都不高，电耗高，污染严重，关键是石棉隔膜不佳。
改进的隔膜电解法的原理如下图所示。
改进之处在于：
1）采用了新型的离子交换膜，只允许Na离子通过；
2）阴极处引入蒸馏水。
这样的结果是，不仅电耗降低了，污染减少了，而且还极大地提高了生产效率。
现代电解水制氢用‘离子交换膜’
四．电解水制氢
这里只介绍传统的电解水制氢方法，该方法是通过电能破坏水分子的氢氧键来制取氢气的。其工艺过程简单、无污染，制取效率高，但是耗电严重，电费占整个水电解制氢生产费用的 80%左右。传统电解水制氢的原理图如下：
水电解制氢的关键在于降低成本。如何降低能耗？如何提高氢气和氧气的产出率，一直是科研工作者所追求的目标。
五．结束语
在碳中和背景下,氢能是新能源领域中与油气行业现有业务结合最紧密的一类，也是帮助油气行业早日实现碳达峰、碳中和的最佳路径之一。
我国十分重视制氢工业的发展，前段时间，中石化“十四五”规划，要建立1000座加氢站。
从制氢的规律看，应该在煤炭产区多建“煤炭制氢”企业，应该在天然气产区多建“天然气制氢”企业，在沿海应该配合制碱建立“氯碱制氢”企业。
有两点还值得特别重视：一是，我国应该充分利用风电和太阳能发电建立制氢企业；二是，应该充分利用‘盐穴储氢技术’，应地治易地组建制氢企业。
