燃料電池系列科普報告----制氫

我國燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運也是需要重點攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

本文將主要介紹燃料電池的必要材料氫氣的制取過程，并分析對比不同方法之間的優(yōu)劣性。

思考的問題：

1、工業(yè)制氫的方法有哪些，他們的原理分別是什么?

2、每種方法各自的優(yōu)缺點是什么?最優(yōu)適應(yīng)情形是如何的?

重要結(jié)論

工業(yè)制氫包括很多種方法，但都存在著各自的優(yōu)勢和局限性。綜合目前工業(yè)制氫方式的優(yōu)劣勢及成本考慮，如果用氫裝置附近有豐富的焦?fàn)t氣資源，焦?fàn)t氣制氫技術(shù)是首選的工藝技術(shù)方案。我國目前燃料電池車用氫氣的實踐，焦?fàn)t氣制氫技術(shù)同樣是首選。但焦?fàn)t氣制氫嚴重收到焦?fàn)t氣資源的限制。在未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中，焦?fàn)t氣產(chǎn)量下降，氫氣需求猛增，屆時焦?fàn)t氣制氫將難以繼續(xù)使用。因此，目前工業(yè)制氫尚無最佳方案，仍然有待研發(fā)。

1、工業(yè)制氫方法眾多

氫氣不僅是重要的工業(yè)原料和還原劑，也是燃料電池的必要燃料。隨著燃料電池的推廣和普及，燃料電池汽車進入成熟市場，氫的消耗量也會以驚人的速度增加。目前工業(yè)制氫主要有幾種方法：一是采用化石燃料制取氫氣;二是從化工副產(chǎn)物中提取氫氣;三是采用采用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣，四是利用太陽能、風(fēng)能等自然能量進行水的電解。

1.1化石燃料制氫

化石燃料制氫是傳統(tǒng)的制氫方法，也是制氫的老工藝，但仍然離不開對化石燃料的依賴，并且會排出二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致燃料電池環(huán)保價值降低。一般用于制氫的化石燃料是天然氣。天然氣制氫的過程是：在一定的壓力和一定的高溫及催化劑作用下，天然氣中烷烴和水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。轉(zhuǎn)化氣經(jīng)過沸鍋換熱、進人變換爐使C0變換成H2和CO2。再經(jīng)過換熱、冷凝、汽水分離,通過程序控制將氣體依序通過裝有3種特定吸附劑的吸附塔，由變壓吸附(PSA)升壓吸附N2、CO、CH4、CO2，提取產(chǎn)品氫氣。

1.2工業(yè)副產(chǎn)物制氫

焦?fàn)t氣制氫技術(shù)是采用變壓吸附的工藝，從煉焦行業(yè)副產(chǎn)的焦?fàn)t氣中提取純氫。其基本原理是利用固體吸附劑對氣體的吸附具有選擇性，以及氣體在吸附劑上的吸附量隨其分壓的降低而減少的特性，實現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生，達到提純制氫的目的。

1.3生物原料制氫

甲醇裂解制氫的工藝過程是甲醇和除鹽水按一定的配比混合,加熱至270℃左右的混合物蒸汽，在催化劑(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,發(fā)生催化裂解和轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

1.4電解水制氫

氫氣還能夠通過傳統(tǒng)的電解水法獲得，但這種方法由于能耗過高，除已建成裝置外，已少有新建裝置。

2.各方法優(yōu)缺點各異，滿足不同需求

有上述各方法可知，在工業(yè)上目前已經(jīng)有多種制氫的途徑。但是，目前看來，這些方法都存在著各自的優(yōu)勢和局限性。

天然氣制氫和焦?fàn)t氣制氫均適用于大規(guī)模制氫，但也均受限于原料的供應(yīng)，并且具有污染性。在環(huán)保方面，焦?fàn)t氣制氫利用的雖然是煉焦的副產(chǎn)物，但無法去除其中的污染物，而天然氣制氫依然需要化石燃料作為原料。相比之下，甲醇裂解制氫具有投資低、建成快、無污染等特點，并且甲醇作為原料可以更為靈活，但甲醇裂解制氫難以進行大規(guī)模的制氫。

考慮到燃料電池一旦成為未來能源的主力，對氫產(chǎn)能的要求會與日俱增。因此，天然氣和焦?fàn)t氣制氫難以擺脫對化石原料的依賴，而甲醇制氫的規(guī)模很可能難以應(yīng)付增長的需求。

從經(jīng)濟性上看，制氫的成本很大程度上取決于原料的成本，隨原料價格的波動非常明顯。就目前的原料價格水平看，焦?fàn)t氣制氫和天然氣制氫成本更低。非民用天然氣價格目前正在逐步市場化，2015年11月18日，國家發(fā)改委宣布降低非居民用天然氣門站價格，每立方米下調(diào)0.7元。目前非民用天然氣價格大約在2.7至3.0元/m3，制氫成本大約在1.5-1.7元/km3。而焦?fàn)t氣是焦化企業(yè)煉焦過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，原先都是在作為燃料燃燒后高空排放，現(xiàn)在用于化工原料時價格一般均低于0.4元/m3，因此焦?fàn)t氣制氫成本可以低于1.39元/km3，較天然氣制氫成本更低。2016年6月，甲醇的平均價格為1860元/t，因此制氫成本將超過1.37元/km3。由于甲醇價格波動高，其經(jīng)濟性較天然氣制氫沒有絕對優(yōu)勢。就目前各種原料的價格來看，焦?fàn)t氣制氫的經(jīng)濟性較為顯著。

綜合目前工業(yè)制氫方式的優(yōu)劣勢及成本考慮，如果用氫裝置附近有豐富的焦?fàn)t氣資源，焦?fàn)t氣制氫技術(shù)是首選的工藝技術(shù)方案。考慮到制氫規(guī)模的要求，天然氣制氫技術(shù)在能夠取得天然氣資源的情況下也是優(yōu)選的方案。甲醇裂解制氫的成本波動性大，制氫規(guī)模小，但裝置成本低，因此適用于間斷性、補充性的氫氣制造。

從我國目前燃料電池車用氫氣的實踐看，焦?fàn)t氣制氫同樣是首選。同濟大學(xué)等承擔(dān)的“863”電動汽車重大專項燃料電池轎車項目中采用的燃料氫氣全部由焦?fàn)t氣純化而成。

但焦?fàn)t氣制氫嚴重收到焦?fàn)t氣資源的限制。在未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中，焦?fàn)t氣產(chǎn)量下降，氫氣需求猛增，屆時焦?fàn)t氣制氫將難以繼續(xù)使用。因此，目前工業(yè)制氫尚無最佳方案，仍然有待研發(fā)。

3、總結(jié)

綜合目前情況來看，制氫方式中成本較低，相對成熟的技術(shù)是煤焦?fàn)t制氫。但是隨著技術(shù)推進，新能源發(fā)電的進一步推廣，電解水制氫將是未來成本更低的技術(shù)。下一篇科普，我們將介紹燃料電池動力系統(tǒng)，感謝各位投資人的關(guān)注!