氢能源家用，可能吗？中国家庭应用前景讨论

一、

根据媒体报道，2022年仅国内投入氢能源相关的资金就超过500亿元，涵盖电解水制氢、加氢站建设、氢燃料电池发展及推广等所有领域，其中大型电解水制氢（碱性及PEM）占了投资的主要部分。

这一投资热潮不仅仅是在中国，而是在全球范围都在积极进行。根据IEA的统计数字，2022年全球投资的电解水制氢项目达到1.4GW，其中碱性ALK占比约为2/3（集中在中国），PEM占比1/3，但发展迅速。

目前大多数大型电解水制氢项目，其所制氢的主要客户基本为工业客户，对传统用氢大户而言，这些绿氢可以少量代替传统灰氢、降低碳足迹，但大量电解水制绿氢项目目前尚处于建设阶段，已上线较少，且传统产业用氢量极大，成本也是极为重要的考量，目前的绿氢成本虽然也在快速下降，但比起高污染的传统灰氢而言，在绝对成本方面仍处于劣势。

运输行业等是另外一个潜在大客户，主要是氢燃料电池车辆，但鉴于其氢燃料电池成本高昂、加氢站较少，以及氢的长途运输瓶颈问题，氢在这些行业的发展还处于非常早期的阶段。

事实上，整个氢能行业目前都面临缺少应用场景的问题。那么，氢在民用领域，特别是家庭领域内是否有应用的机会呢？

答案是：潜力巨大。

二、

现代家庭需要消耗大量能源 – 平均而言，发达国家每个家庭的平均年用电量在10000-15000度左右。可以说，现代化的生活水平完全是建立在巨大的能源消耗基础上的，没有足够的能源，现代化的生活水平就是空中楼阁。

根据欧美日的经验，家用能源使用中，取暖、热水占据了能源需求的主要部分，各占约30%及25%，制冷与家用电器各占10%左右，厨房炊事5%左右。

随着生活水平的不断提高，国内的家庭用能源消耗也在快速增长，用电量也逐年上升，但其占比预计会与欧美日有较大不同：

 国内北方地区很多有集中供暖，而无需家庭个别取暖需求 – 主要集中在南方、尤其是江南地区，这些地区的冬季家庭取暖，会是未来一个主要能源需求增长点。有人建议在南方地区也发展集中供暖，但考虑到南方冬季严寒天气极少，家庭单独采暖预计仍是优先解决方案。

国内大多数地区夏季温度比起欧洲普遍较高，因此制冷需求要显著高于欧洲、日本，这里必须又要把江南地区提出了 – 夏季高湿度使得这些地区的高温更加难以忍受 – 每年夏天峰值用电负载，空调制冷是核心因素。

另外，国内厨房炊事能源需求占比明显高于欧美日 – 使用燃气灶大火炒菜、做饭毫无疑问是国内家庭刚需中的刚需  -- 每顿饭做个两菜一汤是很多家庭的最低生活标准

要满足上述需求，氢能源是个非常理想的备选项。分布式氢制备可以有效补足现有以电、天然气为主的家庭能源系统：对天然气可以完全替代，也可以部分解决峰值电功率对电网的冲击问题:

·氢气完全可以用于家庭炊事、热水，替代化石能源天然气。绿电电解水制备氢气，完全可以做到零碳排放，氢可以直接用在燃气灶用饭，用在燃气热水器制备热水

·制备好的氢，也可以通过氢燃料电池发电，补足夏季家庭空调用电的峰值需求。目前国内电价都已经实行阶段定价，低谷期3毛钱一度，傍晚峰值1块钱一度。这个7毛钱的差值，可以基本覆盖家用氢燃料电池（5KW电解水、燃料电池双向系统）

·在具备相应安装条件的家庭，氢系统可以与家用太阳能电池板、或小型风力发电机联动，把太阳能、风能转化为氢能，成为家用储能系统的核心

但要让氢气在家庭确实可行--氢进万家，那么问题来了：氢气从哪里来，如何到达家庭，是否足够经济？

三、

氢气制备，根据其碳足迹可以大致分为灰氢、蓝氢与绿氢。毫无疑问，通过可再生能源如风电、光电电解水制备的氢最为理想，基本可以做到零碳足迹、也是当前欧美日等主要工业化国家的发展方向。根据IEA的估计，到2030年电解水制氢总安装功率将达到720GW，而其中大多数是PEM质子膜电解水装置。

相对于传统ALK碱性电解槽，PEM电解水装置可以模块化堆叠、且可以根据需要开始快速启动、关机，因此可以与大规模风光电站同步建设，进行工业化大规模制氢，制备的氢可以通过管道运输–现有天然气管道通过简单的适氢化改造即可改为输氢管道，以平行替代化石能源天然气送至千家万户，直接替代天然气用于炊事、热水。

对家庭更有意义的，是小型PEM电解水制氢装置（~5KW左右），配合以模块化金属储氢罐、或者标准低压压缩气瓶（<15Mpa），具有独立房屋的家庭可以实现部分能源自给，而住在密集公寓的家庭也可以通过氢、电、车联动，有效降低家庭能源成本。

这个系统的核心，是一套PEM电解水制氢装置+燃料电池系统，输入电流、电解水制氢并存储，在需要能量时，氢输入燃料电池系统发电、输出电流和热能；

制备的氢可以加压后储存于低压氢气罐中（类似于液化气罐），或者金属材料储氢罐中，以备需要时使用。

对于任何一个可以 安装太阳能发电板的家庭，这个家用系统可以有效地把光电以氢的形式储存起 来，在夜间、阴天使用。以一个有50平方米的家用屋顶光电发电装置来计算，国内大多数地区每天有效发电时间约为3小时，平均发电功率为120-150W/平方米，每天可以发电约 18-22.5度电。这些电除了小部分实时供电给家庭使用外，大部分将被家用PEM电解水制氢装置用来制氢。

这样一个太阳能发电装置，配合以5KW的PEM电解水制氢装置，每天可以制备约3.3立方米（常压）氢气，总重量约为0.3公斤，这些氢气可足够普通家庭燃气灶做饭2小时；也可以将1200升水从10度加热到40度供家庭使用，相当于一般家用8升热水器不停使用2.5个小时，对于一般家庭使用绰绰有余。

目前的PEM使用寿命普遍以10000小时，对于这种环境稳定的家庭应用更高达25000小时以上，以每天使用3小时计算，可使用22年，远远超过国家对燃气具8年必须更换的强制要求。

四、

从上面的简单计算可以看出，太阳能发电板+PEM电解水制氢装置可以有效替代传统天然气，满足普通中国家庭对于炊事、洗浴热水所需燃气的需求。

那么对于没有这个条件的家庭，比如大多数居住于高层公寓的居民，是不是就无缘享受这个便利了呢？也不是。

我们知道，国内居民用电有峰谷区别，在夜间用地低谷，电价一般仅为0.3元。如果我们设置电解水制氢装置在用地谷期，使用市电运行-- 以上述每天耗电15度用于电解水制氢来计算，其电力成本为4.5元。对于一个普通家庭，每日使用天然气做饭、洗澡一般用量约为1-1.5立方米/天，成本约为2.5-3.75元，低于氢系统4.5元的成本。

但从长期看目前国内居民使用天然气价格倒挂严重 – 以中国采购俄罗斯天然气成本350美元/1000立方米计，仅这部分成本就达2.3元，而居民价格仅为2.5元/立方米（第一档），但这种倒挂使得供应方毫无增长动力，导致每年冬季气荒不断。

从长远看，市场规律决定了这个价格必将上升，以反应其真实成本；更重要的是，天然气作为化石燃料，其碳排放的社会成本，也会逐步由用户承担。另一方面，随着工艺、技术的不断发展，氢系统的价格却在快速下降中。一升一降，预计2025-2027年左右其成本即可打平，其后氢系统的成本优势会越来越明显。

除了炊事、热水之外，家用氢系统还可以用于取暖、衣物烘干等其他应用。尽管很多年纪大的人认为是浪费，但在发达国家，衣物烘干已经取代阳光晾晒成为主流 – 毕竟在潮湿、寒冷气候里阴干的衣物既不干燥，也不卫生；而热水洗涤、高温烘干，完全可以解决冬季、雨季以及贴身衣物的消毒、杀菌问题。

五、

家用氢系统的另一个应用，是产生富氢水。富氢水（Hydrogen Rich Water, HRW）最早在1980年由日本人提出，认为加入氢的饮用水（类似于掺入很多人经常饮用的气泡水，只不过用氢替换了二氧化碳），对人体具有很强的健康作用，特别是老年人。

一般认为，氢很难溶于水，在水中溶解度很低，在20℃，一个大气压的条件下，100毫升水最大可以溶解约1.8毫升的氢气（1.83%）。从质量比来看，每千克水（1L）最大可以溶解约1.6毫克的氢，即约1.6ppm或0.8mmol/L。一般认为，50-75%饱和度（0.8-1.2ppm）即可被认为是富氢水。

日本学者认为，人体衰老的很大一部分驱动因素是因为氧自由基（Free radicals）的存在。氧自由基这是人体在实现生理机能所产生的代谢废物，但氧自由基会随机与其它分子化合、在分子层面破坏人体基因等的正常复制，导致癌症等疾病。很多彩色蔬菜、水果因为富含大量抗氧化素（antioxidants），可以中和这些自由基，因此对健康有利。

类似的，一般认为，富氢水的健康效应也主要来自于对氧自由基、特别是有害羟基（hydroxyl radical，OH-）的强烈吸引、中和作用。

对于富氢水的健康效应，日韩的学者都做过相应研究--韩国学者Minju Sim在2019年进行了一个关于富氢水潜在健康影响的双盲对照研究，其结果发表在2020年6月自然杂志副刊Scientific Reports Journal上，研究显示，富氢水可以提高人体，特别是成年人肌体抗氧化能力，降低体内的炎症反应；2018年日本科学家Kei Mizuno etc在Medical Gas Research发表的文章，“Hydrogen-rich water for improvements of mood, anxiety, and autonomic nerve function in daily life”，对富氢水对于改善日常生活中的情绪、焦虑及神经功能的益处做了研究。

上述研究证明，虽然但到目前为止，对氢（富氢水）对人体健康研究仍然处于早期阶段，但根据现有研究已经足以证明，富氢水对人体大概率具有潜在益处。

富氢水对其他生物的作用也很显著，科学家们早于1960年代就注意到分子氢可以促进高等植物的发芽过程，但后续鲜有类似研究。直至2013年中国科学院华南植物园曾纪晴博士等人，使用富氢水对水稻等作物种子进行浸泡处理之后，可以显著提高种子发芽的水平；最近（2022）曾纪晴博士与于慧研究员合作进行了五指毛桃的氢水种植实验研究，结果表明，氢水种植显著提高了五指毛桃有效成分的含量，其中柚皮苷（naringin）、佛手柑（bergaptol）、橙皮苷（hesperidin）和苯并呋喃类化合物（benzofuran）等的含量分别提高了3.05倍、2.28倍、2.25倍和2.19倍。研究发现氢分子可能调控与植物激素信号转导、抗逆性和次生代谢产物合成相关的转录因子基因的表达。

上述研究虽然还在积极进行中，但从现有成果已经可以看出氢（富氢水）对植物、动物（包括人类）的生长、健康有积极影响。

然而大多数人很难做到随时可以使用富氢水 – 毕竟很少人身边会有氢罐备着。但在家用氢系统的加持下，家庭很容易做到自制富氢水用于饮用、做法等使用，或者用于灌溉盆栽植物。

六、

除了家用能源、富氢水之外，家用氢能在出行方面同样具有巨大发展潜力。目前国内已有人提出了相关的尝试方案 – 一个是氢燃料电池动力电动两轮车：

2022年11月，在二三线城市非常活跃的永安行正式推出了氢能助动车，该车使用可更换式氢罐及微型氢燃料电池驱动，目前已开始公开发售，价格为12800元，含5年500瓶供氢服务。采用固态储氢技术，其氢罐容积为0.7L，可以连续骑行2.5小时，续航里程55公里，与目前常用的中档电动自行车里程数相当。

2021年，9号电动车发布了Segway APEX H2 氢电混合动力摩托车。这款产品具备赛博朋克风格的科幻外形，外形十分酷炫，并开启预约，价格为7万元。

这款电动车采用定制储氢罐，车身可安装多个，便于运输和更换。氢能源具备清洁、高效、安全、成本低等特点，被誉为 “人类终极能源”。

无独有偶，一家欧洲公司也采用了可更换式储氢罐的电动汽车Namx，并于2022年11月份巴黎车展上展出。该车为氢燃料电池SUV。车载1个大型氢瓶和6个氢罐，其中1个氢瓶为固定式，其余6个为可拆卸式，总容量为8公斤氢，预计行驶里程可达800公里以上（百公里氢耗约1公斤左右，略高于丰田Mirai）。仅靠6个可拆卸式氢罐也可以达到300公里续航里程。

Namx的亮点毫无疑问是可拆卸式的氢罐，虽然目前其技术细节尚不明确，但根据其标示尺寸，预计每个氢罐可用容积约为30-40L，可储存约0.9-1.4公斤氢（含30-46KWH能量），重量预计在30-35公斤左右，对于一个成年男子而言，可以勉强搬动。

类似于永安行、9号电动自行车，或者Namx这样一个小巧的氢罐，如果配合使用我们的家用电解水制氢系统，可以相当方便的在家庭储能、家用汽车上灵活调配，大大提高氢能的普及率，推动零碳、低碳经济的发展。

七、

由上述讨论可以明确看到，家用氢系统，可以替代电用在炊事、热水、交通等方面，配合以家用太阳能发电系统，可以基本实现家庭零碳化、能源独立；而氢在人体健康方面的潜力，更使得这一愿景具有巨大的发展前途。

合肥动量守恒绿色能源有限公司，是一家专注于质子交换膜（PEM）电解水关键材料、组件和电堆的研发与生产的高科技企业，致力于成为业内领先的固体电解质膜电解电堆及关键材料供应商。公司拥有一支来自于吉林大学、美国田纳西大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学和中山大学的研发和经营管理专业团队，在催化化学、流体力学、系统工程等领域经验丰富。

      依托吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室核心团队近十年的研发成果，公司已建立了国内最齐全的PEM电解水阳极铱基（Ir）催化剂产品序列，并拥有自主知识产权的阳极直通孔结构多孔传输层（ST-PTL）技术以及膜电极工艺，有望大幅提高电解水的效率，从而降低绿氢的成本。公司将秉承“真诚、热爱、创新”的理念，与国内氢能行业同仁一起携手，以科技创新助力“双碳”目标的实现。