金属裂解水蒸气制氢技术突破：国杰氢能研发中心/清华大学研究团队实现9克铝制130克氢气，效率提升130倍，成本节约50%，无污染且安全，重塑氢能产业链，为碳中和开辟新路径。

　　

　　在当今追求绿色能源的时代，氢能作为一种清洁、高效的能源载体，备受瞩目。制氢技术多种多样，而金属裂解水蒸气制氢技术，宛如一颗正在升起的新星，逐渐走进人们的视野。

　　

　　目前主流的制氢方式，像化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式，各有优劣。比如天然气制氢，虽说适用范围广，可原料利用率低，工艺复杂，操作难度大，还会产生二氧化碳等温室气体，对环保不利；工业尾气制氢，利用工业产品副产物，成本相对较低，但像焦炉气制氢，不仅受原料供应限制，建设地点得依靠焦化企业，原料还存在污染性；电解水制氢，产品纯度高且无污染，然而成本过高，阻碍了大规模推广；光解水与生物质制氢，技术尚不成熟，实现商业化仍需时日。

　　

　　金属裂解水蒸气制氢技术，历史能追溯到 20 世纪 70 年代，是利用金属与水蒸气在高温下发生化学反应来制取氢气的技术 。常用的金属有铝、锌、镁、铁等。其实早在 20 世纪 40 年代，美国就开始研究金属 - 水反应产生氢气，不过当时经济性较差，所以该技术一直没得到有效发展。以铝水蒸气制氢为例，过去 9 公斤金属铝仅能生产 1 公斤氢气，原因在于生产过程中的副产物 Al (OH)?会在 Al 表面形成膜，阻碍金属铝水解反应的持续进行 。如何去除这层膜，成为了关键难题。

　　

　　清华大学核能与新能源技术研究院教授毛宗强团队经过多年钻研，取得了重大突破。他们将 25 克金属状物和 10 千克 160 摄氏度的饱和水蒸气进行反应，并定时取样，结果令人惊喜：25 克金属样品能够稳定地产生 360.29 克氢，相当于 9 克铝制得 130 克氢气，是常规铝水制氢量的近 130 倍，且试验显示氢气纯度大于 94.4%，水蒸气为 5.55% 。

　　

　　不仅如此，团队与中石油渤海石油装备制造有限公司联合开展了中试实验，自主研发出金属裂解水蒸气制绿氢装置。单台设备产氢量达 350 立方米 / 小时，反应条件为 160℃、0.65MPa 水蒸气 。该装置在辽河热采机械公司完成制造及调试，实现了绿氢制备、掺氢燃烧以及纯氢燃烧的全程稳定运行，有力地验证了高温下金属热化学裂解制氢的可行性 。

　　

　　从原理上看，金属裂解水蒸气制氢的基本化学反应可概括为：M + H?O → MO + H?（M 代表金属，MO 代表金属氧化物） 。这个反应一般在 300°C 至 1000°C 的高温条件下进行，以保证较高的反应效率。不同金属有着各自的特性，例如：

　　铁 (Fe)：3Fe + 4H?O → Fe?O? + 4H?

　　

　　铝 (Al)：2Al + 3H?O → Al?O? + 3H?

　　

　　镁 (Mg)：Mg + H?O → MgO + H?

　　

　　铝和水蒸气反应生成的氧化铝，镁反应生成的氧化镁，都是较为稳定的副产品 。

　　

　　该技术的工艺流程主要包括以下几步：首先是预处理，需要对金属原料进行纯化和粉碎，目的是增加反应表面积，提升反应速度；接着在反应器中，高温下的水蒸气与金属发生反应，生成氢气和金属氧化物，这一过程通常需要借助如燃烧化石燃料、太阳能集中电池等热源；随后进行产物分离，通过冷凝和其他分离技术，将生成的氢气从反应混合物中提取出来；最后，对生成的金属氧化物进行处理，使其能够再生利用，重新回到反应体系 。

　　

　　与其他制氢技术相比，金属裂解水蒸气制氢技术优势显着。在成本方面，由于对水质要求低，制氢设备相对简单，相较于碱性电解水制氢，成本可节约 50% 。而且，裂解剂能够回收，不存在三废问题，除了水之外没有其他产物，无排放无污染，这对于企业而言，有助于积累碳汇资产 。在安全性上，该技术采用现场制氢现场直接使用的模式，无需运输和存储氢气，大大提高了安全性 。从商业化角度来看，其技术已经成熟，应用领域极为广泛，涵盖氢冶金、天然气管道掺氢、绿氨绿醇，以及交通领域等 。

　　

　　毛宗强教授强调，金属水蒸气热化学制氢的安全性，取决于设备设计、操作条件控制以及安全措施的实施等。该技术的涉氢工作条件相对温和，参考现有的工业运行经验，只要精心设计并严格遵守操作规程，完全能够保障制氢过程的安全 。

　　

　　从产业链角度看，金属水蒸气热化学制氢技术有望重塑现有氢能产业链。以往的氢能产业链是先制氢 - 运氢 - 用氢，而这项技术实现突破后，新的产业链模式变为先制金属 - 运金属 - 就地制氢，这将使氢能产业链更具竞争力 。

　　

　　当然，金属水蒸气热化学制氢技术仍有很大的发展空间。预计到 2030 年，该技术的制氢成本有望降低 50% 以上 。研究人员也在持续探索，比如提高反应效率，不断尝试更高效的金属材料配方，优化温度、压力、水蒸气流量等反应条件，改进反应装置设计，力求在更低温度或更短时间内，让金属与水蒸气充分反应，同时开发能更好利用余热、提升能源利用率的反应系统；突破副产物抑制难题，寻找有效方法减少金属氧化物等副产物在金属表面形成膜，阻碍反应进行的影响，例如研发新型催化剂或添加剂，促进副产物分解或转化，维持金属的反应活性；此外，还在扩大适用的金属种类，除了目前常用的铝、锌、镁、铁等，探索其他金属或金属合金用于裂解水蒸气制氢的可能性 。

　　

　　中国能源学会会长倪维斗院士，将金属裂解水蒸气制氢技术称为能源领域的颠覆性技术 。“水蒸气金属裂解制氢技术的突出贡献在于创造性地发明了一种高能量密度的复合金属材料 ，应用这种复合金属材料可以生产制取成本低廉的氢气。 由于现场制氢和绿色制氢的特性 ，延伸本技术应用非常广泛将会大幅降低碳排放 ，可以为碳中和走出一条别样的路径。” 相信在科研人员的不懈努力下，金属裂解水蒸气制氢技术将不断完善，为全球能源转型和可持续发展贡献更大的力量。