随着双碳战略的深化，氢能产业迅猛发展。制氢技术是氢能产业的源头，对氢能产业链的整体布局与发展颇为重要。传统制氢技术包括工业天然气重整制氢与煤气化制氢，是目前氢能的主要来源，而在双碳战略与能源低碳转型的背景下，面临的共性挑战包括反应温度高、能耗高、CO2排放高。如何突破“三高”问题，对于氢能与能源结构转型的相容发展具有重要意义。
中国科学院科学家团队——工程热物理研究所科研人员首次实现了400°C温和条件下“净零排放”的天然气制氢原理突破。通过有序分离氢气和CO2产物，天然气制氢反应温度由传统的800-1000°C降至400°C以下，实现了99%以上甲烷直接转化为高纯氢与高纯CO2，并实现了基于化石能源的制氢与脱碳的完全协同。制氢与脱碳能耗下降幅度达20-40%。基于此，该工作结合商业化中温槽式聚光技术，实现了太阳能驱动的天然气制氢与脱碳，进一步减少化石能源制氢的碳足迹，展示了化石能源与可再生能源互补实现可持续氢能利用的可行性。反应温度的降低使工业余热与氢能的结合成为可能。迄今为止，研究人员已完成了超过6000次的稳定循环实验，验证了该方法的可靠性，并初步展示了技术转化应用的广阔前景。
该工作由中科院院士、工程热物理所研究员金红光团队完成，获得国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心项目的支持。科研人员围绕科学中心项目主线，原创性地提出了“热化学多产物有序分离耦合中低温热能品位提升”的热力学新思路，在降低反应温度、提高甲烷转化率与选择性、低能耗捕集二氧化碳、设备小型化等方面实现了系列重要突破。相关研究成果发表在Energy & Environmental Science上。
工程热物理所研究员郝勇表示，天然气与太阳能结合制备“净零排放”氢能，展示了低碳、可再生能源技术蓬勃发展的新形势下，符合我国能源结构特点的化石能源低碳利用新模式，对低碳发电、工业余热利用以及太阳能、风能、生物质沼气等可再生能源的消纳具有重要意义。基于这一成果，研究通过所得低碳氢与天然气掺烧，可有效提高火电厂发电效率并降低碳排放；以天然气为氢能载体实现加氢站内按需制氢，有望降低基础设施投资及氢能制、储、运成本，并实现CO2集中资源化利用。另外，本成果可实现500℃以下工业余热的高价值、低碳利用。本研究有望助推能源结构的脱碳、可再生能源占比提升和可再生能源技术的加速发展，并将为解决氢能制、储、运全链条瓶颈提供新思路。当前，该团队正努力推动本成果的产业化，日产百公斤级氢气的原理样机正在研制中。
图1.温和条件下“净零排放”的天然气制氢原理
图2.天然气99%直接转化为高纯氢与高纯CO2的6000次稳定循环实验
