氫氣純化研究
氫氣在石油煉化、化工及精細化工、金屬冶煉、電子工業、半導體、浮法玻璃等超過17個行業中使用，應用領域十分廣泛，其中大部分的氫氣在生產中都是以公輔工程的角色出現，隨制隨用、中間存儲量不大、負荷任意調節，在工業領域已經形成自己的體系。
同時氫氣熱值高、來源廣泛，且清潔無碳排放即氫氣與氧氣反應生成水、水電解又可以生產氫氣和氧氣。因此氫能作爲高效、清潔的二次能源，優勢突出，越來越收到重視。
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我國當前車用氫氣需求不足2萬噸/年
1.1 我國氫氣產量和用途
根據中國氫能聯盟統計，2019年中國氫氣產量約爲3342萬噸，其中，氫氣作爲獨立組分而存在（非合成氣或者混合氣體中含氫）、達到工業氫氣質量標準的產量約爲1250萬噸。在消費端合成氨、合成甲醇、煉化與化工是氫氣前三大用途，作爲燃料進行燃燒提供熱值等是第四大用途，應用在電子工業、浮法玻璃、精細化工等領域的工業純氫50萬噸、約佔1.5%，爲氫燃料電池汽車提供能源的氫氣不足2萬噸。工業純氫和燃料電池用氫佔比不高，卻是對氫氣純度及雜質含量要求最高的。
資料來源：中國氫能聯盟
1.2 各種制氫方式獲得的原料氣組成
不同的制氫方式得到的氫氣純度和雜質各不相同，各個應用領域對氫氣的要求也不盡相同。因此從氫氣的製取到應用需要經過純化這一中間環節。
不同制氫方式含氫量及雜質
資料來源：公開資料、香橙會研究員整理
1.3 各個應用領域對氫氣的要求
在合成氨、甲醇的生產中，爲防止催化劑中毒，保證產品質量，原料氣中硫化物等毒物必須預先去除，使雜質含量降低至符合要求。煉廠用氫的純度和壓力對加氫處理單元的設計和操作有着顯著的影響。通常煉廠基於經濟性、操作靈活性、可靠性以及易於未來流程拓展的原則來選取合適的氫氣分離技術。
在冶金和陶瓷工業，氫氣可用於有色金屬（鈦、鎢、鉬等）的還原製取，防止金屬或陶瓷（TiO2、Al2O3、BeO等）材料在高溫煅燒時被燒結或被氧化；在玻璃工業，氫氣可防止錫槽中的液態錫被氧化而增加錫耗；在半導體工業，氫氣可用於晶體和襯底的製備、氧化、退火、外延、幹蝕刻以及化學氣相沉積工序。由於氫氣與上述行業中產品直接接觸，氫氣的純度和雜質含量普遍要求較高，目前大多數廠家採用電解水制氫或外購高純氫等方式來滿足生產需求。很多對氫氣純度和雜質要求極爲苛刻的廠家還配置了氫氣純化器進一步純化氫氣。
近年來，質子交換膜燃料電池得到了快速的發展，硫化物、CO與催化劑鉑的吸附性比氫更強，優先於氫氣佔據催化劑表面的活性位點且不易脫除，造成催化劑中毒，使燃料電池的壽命和性能大幅度降低。除了要求氫氣的純度達到99.97%外，對CO、硫化物等雜質要求苛刻。
1.4 我國氫氣標準規範
針對不同的氫氣製備方法和應用行業要求，國內外不同標準化機構制定了相應的氫氣品質標準，國內主要的相關規範如下表。
資料來源：公開資料、香橙會研究員整理
本文僅選取工業純氫、高純氫和超純氫與燃料電池氫的純度和主要雜質要求對比，可見即使滿足了工業高純氫的純度要求，在CO、硫化物等雜質上未必滿足燃料電池對氫氣的需求。
燃料電池車用氫氣純度及雜質要求
資料來源：公開資料、香橙會研究員整理
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氫氣純化方法
2.1 氫氣純化方法主要分爲物理法、化學法和膜分離法。
2.1.1 變壓吸附法（PSA）
目前工業上大多采用物理法中的變壓吸附法（PSA）提純氫氣，也是目前最成熟的氫氣提純技術，可以得到純度爲99.999%的氫氣。PSA分離技術的基本原理是基於在不同壓力下，吸附劑對不同氣體的選擇性吸附能力不同，利用壓力的週期性變化進行吸附和解吸，從而實現氣體的分離和提純。根據原料氣中不同雜質種類，吸附劑可選取分子篩、活性炭、活性氧化鋁等。近年來，PSA技術逐漸完善，通過增加均壓次數，可降低能量消耗；採用抽空工藝，氫氣的回收率可提高到95%~97%。
2.1.2 深冷分離法
物理法中的深冷分離法是利用原料氣中不同組分的相對揮發度的差異來實現氫氣的分離和提純。與甲烷和其他輕烴相比，氫具有較高的相對揮發度。隨着溫度的降低，碳氫化合物、二氧化碳、一氧化碳、氮氣等氣體先於氫氣凝結分離出來。深冷分離法的成本高，對不同原料成分處理的靈活性差，有時需要補充製冷，通常適用於含氫量比較低且需要回收分離多種產品的提純處理。
2.1.3 金屬鈀膜擴散法
金屬鈀膜擴散法的原理是基於鈀膜對氫氣有良好的選擇透過性。在300~500℃下，氫吸附在鈀膜上，並電離爲質子和電子。在濃度梯度的作用下，氫質子擴散至低氫分壓側，並在鈀膜表面重新耦合爲氫分子。由於鈀複合膜對氫氣有獨特的透氫選擇性，其幾乎可以去除氫氣外所有雜質，分離得到的氫氣純度高、回收率高（>99%）。爲防止鈀膜的中毒失效，鈀膜提純技術對原料氣中的CO、H2O、O2等雜質含量要求較高，需預先脫除。此外，鈀複合膜的生產成本較高，透氫速度低，無法實現大規模工業化的應用。
2.1.4 金屬氫化物分離法
金屬氫化物法是利用儲氫合金可逆吸放氫的能力提純氫氣。在降溫升壓的條件下，氫分子在儲氫合金（稀土系、鈦系、鎂系等合金）的催化作用下分解爲氫原子，然後經擴散、相變、化合反應等過程生成金屬氫化物，雜質氣體吸附於金屬顆粒之間。當升溫減壓時，雜質氣體從金屬顆粒間排出後，氫氣從晶格里出來，純度可高達99.9999%。金屬氫化物法同時具有提純和存儲的功能，具有安全可靠、操作簡單，材料價格相對較低，產出氫氣純度高等優勢，但是金屬合金存在容易粉化，釋放氫氣緩慢、需要較高的溫度等問題。
2.1.5 各種氫氣純化方法小結與燃料電池用氫提純應用
資料來源：公開資料、香橙會研究員整理
氫氣來源複雜、雜質種類繁多，氫氣純化方法的選擇與氫氣供應規模和氣源密切相關。目前國內已建成的燃料電池用氫項目主要使用的是PSA法，相關提純裝置供應商是西南化工院、中國石化等，佳安氫源自主研發了MDP模塊化定向除雜技術，可針對氫氣中雜質匹配不同的除雜模塊。
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燃料電池汽車用氫各國研究現狀與比較
歐美日等國家較早的開展了模塊化高效的定向氫氣純化技術研究，我國在燃料電池汽車用氫提純領域，起步較晚，還缺乏系統研究。
美國早在2004年就開始關注燃料電池車用氫氣純化技術。重點研發場景是低成本的小型天然氣重整純化，技術包括高效小型變壓吸附技術、有機膜分離、無機膜分離和金屬鈀膜分離技術。
日本也於2010年開始佈局燃料電池車用氫氣純化技術路線。日本的純化技術發展趨勢與其儲運氫技術路線相對應，日本主要儲運氫方式包括氨載體運輸和有機液體運輸，因此應用場景更側重於氨分解重整制氫純化、有機液體解析氫氣純化，技術包括小型變壓吸附分離、膜分離技術。
歐洲天然氣管網輸氫佔比逐漸增加，氫氣甲烷高效分離是一個重點研究方向。
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