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重整后，氢气需要纯化以达到大于99.97%的纯度，这是许多移动应用的最低要求H2纯化可以通过几种方法实现在本节中。

我们将重点介绍PSA、低温技术和膜分离技术，因为它们具有工业相关性。PSA是最广泛使用的氢气纯化方法之一PSA的优点是能够以简单、可靠和相对低的维护费用然而，其氢回收率较低(70–90%)，设备成本高，能耗高。

H的提纯2从SMR经PSA可占总制造成本的50%该方法在工业上已得到很好的确立，目前的大多数研究集中在通过模拟突破曲线和改进吸附材料来提高氢气回收率，低温分离使用低温和高压来利用氢与烃杂质。

相比更高的挥发性，该工艺实现了比PSA (95%)更高的回收率。

但是产品流的中等纯度(90-98%)被认为是一个主要缺点该方法在大规模下是经济有效的，但是设备的高资本成本和高能耗限制了其工业应用。

氢气纯化是气体分离膜的首次大规模商业应用膜充当两相之间的物理屏障，并且通常基于分压或电势的驱动力的应用允许特定物质的选择性扩散。

膜具有低能耗和低资本成本，并且非常适合放大或缩小。金属膜对氢传输具有非常高的选择性可以使用许多致密难熔金属，尽管它们主要基于钯该方法产生高达99.99999%的氢气，回收率高(99%)。

它们的一个主要缺点是成本高。 此外，它们容易发生相变、中毒和氢脆。目前的研究集中在使用钯合金(银、铜、金和钌)，改善膜支撑层，以及施加保护层以减少中毒。

无机膜的廉价版本基于陶瓷，通常通过溶胶-凝胶或化学气相沉积制备，以及通过热解制备的碳分子筛。

这些膜是耐用的，具有优异的化学、机械和热稳定性然而，它们通常是易碎的，并且在H2o或CO2这些膜中的一些已经商业化，并且目前有效地用于以相对低的成本生产中等纯度的氢气(99.5%)其他选择包括聚合物膜、基于离子液体的膜、质子交换膜和有机/无机复合膜。

移动、供暖、电力和工业领域的终端应用通常都有各自特定的需求特征。因此，确保有足够的存储基础设施是平衡氢网络供需变化的关键。

基于储存的氢和储存介质之间的相互作用，已经提出了三种主要类型:物理储存、吸附和化学储存考虑到特定应用对资本和运营成本的影响，可以同时考虑几个选项。

压缩氢可以储存在地上或地下。大量的气态氢很少保持在地面以上100巴的压力下或地面以下200巴以上此外，大规模的地上储存通常比同等规模的地下储存更昂贵，尽管它不像地下储存那样受地质条件的限制。

在盐穴中储存氢已经有了商业经验，盐穴的建造成本约为200美元/千克氘 、低泄漏率、快速抽取和注入率、纯度和低缓冲气体需求因为盐穴并不适用于所有地方，所以需要考虑其他解决方案。

例如，将氢气储存在金属容器中，这可以确保储存稳定性、纯度和便携性。固定式气态氢储存的平均成本为700美元/千克氘 考虑到气态氢和天然气在性质上的相似性。

它们在相似系统中的储存已经被考虑目前，大量天然气储存在三种类型的金属容器中:气柜，提供高于大气压的储存；最大储存压力为20巴的球形压力容器；和管道储存，最大储存压力为100巴。

由于潜在的储存压力增加，大规模氢储存的最有希望的解决方案是管道储存。

除了压缩之外，氢气的体积能量密度可以通过在大气压力下的液化来增加为了减少来自周围环境的热量传递，大多数液氢储罐都是双层壁的，中间是高真空。

氢吸附利用分子氢和具有高比表面积的材料这项技术的商业专长依赖于基于吸附剂的储氢。最有效的吸附剂，尤其是活性炭和金属有机框架，在196°c时获得了8–10重量%的过量氢吸附。

然而，考虑到大多数吸附剂的低密度和导热添加剂的要求，体积能量密度为40–50kg/m3196°C的温度不足以满足大规模应用。

金属氢化物代表一种通过化学键储存氢的过程。由于氢吸附中比物理键更强的键，即使在环境温度下，氢也可以保持高密度。

然后氢可以从金属氢化物中以两种方式释放出来，通过加热(热解)或与水反应(水解) 尽管已经生产和开发了许多金属氢化物用于基于热解的储存，但是目前硼氢化钠(NaBH4)是最值得注意和最有前途的。

另一种选择是化学氢化物，其在常温常压下通常为液体，有利于其运输和储存，以及脱氢和氢化操作期间的传热和传质目前。

许多用于储氢的化学氢化物，包括甲醇、氨和甲酸，都是从天然气使用现有化学品是有益的，因为大部分制造、加工和运输所需的基础设施已经到位。

随着氢气市场的扩大，加气站不太可能与供应区设在一起，这就需要获得具有成本效益的运输和储存基础设施。

目前，大多数现有的加气站使用卡车供应氢气，主要是由于较小的分布式供应网络。这些卡车通常用于通过堆叠的复合管运输压缩气态氢和低温液态氢。

运输大约500巴气态氢的典型卡车具有300-900千克，对于低温液氢可以增加到4000kg左右然而，对于数百公里以上的运输和相对稀疏的需求分布这主要是因为氢气液化使用大约三分之一的氢气能量含量，因此，它仅对于长距离的大容量运输是经济的。

目前，全球存在大约5000公里的氢气管道，其中大部分被商用氢供应商使用。

行业预期是，到2040年，仅在欧洲，管道网络的规模将增加到39700公里，通过新的和重新利用的天然气管道来支持国际贸易。由于管道的运行成本较低，因此特别适合在中长距离输送大量氢气。

最近的证据表明，现有的高压和低压天然气管道可以用于运输氢气，如果与额外的设备新管道的总成本可能高于天然气，因为需要更大的直径和/或更高的操作压力来输送等量的能量。

在每种情况下，最具成本效益的分配技术取决于一个地区的总体氢气需求规模及其可变性。

以及供应商和最终用户之间所需的运输距离燃料电池应用需要99.999%的纯度，这不可能通过改变用途的管道网络，虽然在卡车上可行。

然而，所输送氢气的纯度并不是一个重大障碍，因为最终用户可以在加气站输送之前使用当地的净化技术。

然而，相关的挑战包括使运载氢气的卡车中使用的燃料脱碳，以及减少用于驱动管道沿线的中间压缩机的电力的碳足迹。

H2可直接使用或作为生产替代性SF的中间体。然而，H2和SFs不是一次能源，而是二次能源载体，在生产阶段和使用过程中都有转化损失。

这阻碍了H2在可以直接电气化的部门使用基于燃料。然而，在有些领域，H2FCs和SFs被认为是最具竞争力的选择。

在这一节中，我们分析了H2中描述的应用范围内的基于燃料，展示了部署高可用性解决方案的挑战和机遇2基于的运输部门。

乘用车占道路运输能耗的一半H的使用2因为用于汽车的燃料主要通过燃料电池电动车辆(FCEVs)产生，主要通过质子交换膜FCs(PEMFC)产生。该过程包括氢的反应2在电化学过程中将化学能转化为电能2o，和一些废热。

PEMFC包括四个主要系统:燃料电池、燃料输送、空气输送和热管理子系统燃料输送系统供给H2纯度高于99.97%的氧气进入燃料电池的阳极，而空气输送系统将氧气送入阴极。氢氧化反应发生在燃料电池内，由催化剂层金属催化，释放出电子和氢+离子(质子)。

电解质是一种聚合物膜，允许质子传导，隔离电子，并在70℃至90℃的温度和1至2巴的压力下分离反应气体。在阴极催化剂层中，电子、H+，和O2反应生成水。

位于催化剂层和双极板之间的气体扩散层允许电子和热量传导，输送反应气体，并能够进行水处理在单电池堆中，典型电压为1.1 V(理论电压1.23 V的最大值为1.5 V)，随着电池数量的增加而成比例增加。一辆典型的中型汽车需要300多个电池，产生45-150千瓦的电池组，工作电压为250-450伏，行驶里程为400-750公里。

对于船上储存，在700巴下运行的IV型储罐是目前所有FCEV制造公司认证使用的唯一选择。

PEMFC汽车目前的生产成本从4.5万美元到9万美元不等，包括现代途胜或丰田Mirai未来组合这几乎是可比电池电动汽车(bev)成本的两倍，后者的成本仅为25-30，000美元高价格与昂贵的催化剂(例如，Pt)、碳材料(碳纤维)和储氢有关。

单就堆栈而言，丰田Mirai未来组合的成本为11，000美元，目标值为3，000美元。

这些减少可以通过反应工程系统的过程建模，通过改进Pt催化剂性能或使用非贵金属来实现。

操作优化已经提高了燃料电池的耐久性，而更有效的排气热管理仍然是一个需要改进的领域运营成本在FCV成本效益和接受度方面也发挥着重要作用。

FCs可以行驶100 km/kg氘在中型车辆中；每公斤的成本是8美元氘平均寿命为150，000 km。总拥有成本(TOCs)为0.70美元/km，价值高达1.5美元/km，相比之下，bev报告的价值为0.30-0.70美元/km因为H2动力系统通过扩大PEMFC制造规模和改善氢的生产和供应链来降低成本，PEMFC的TOC可以达到类似于bev的值。

氢理事会估计，需要300亿美元的投资来弥补经济缺口。

就一氧化碳而言2排放，中型汽车的制造排放0.10千克二氧化碳当量/km (∼17 t二氧化碳当量/车辆)；车架制造占50%,燃料电池占25%,电池和储氢占剩余的25%。

H2生产和压缩至700巴需要2.4千瓦时/千克氘，假设电解途径(0.6千瓦时/千克氘)和压缩系统(1.8千瓦时/千克氘)。

在此基础上，一个电力来源与80公斤二氧化碳当量/MWh将导致0.30千克的FCEV生命周期排放量二氧化碳当量/km，内燃机车(icv)的代表值。

参考文献

《制氢及其在流动性方面的应用》