燃料電池系列科普?qǐng)?bào)告----制氫

我國(guó)燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)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(yùn)也是需要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來(lái)源也是重要問(wèn)題。

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

思考的問(wèn)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(diǎn)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(shì)和局限性。綜合目前工業(yè)制氫方式的優(yōu)劣勢(shì)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(guó)目前燃料電池車用氫氣的實(shí)踐，焦?fàn)t氣制氫技術(shù)同樣是首選。但焦?fàn)t氣制氫嚴(yán)重收到焦?fàn)t氣資源的限制。在未來(lái)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(shí)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(wú)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(jìn)入成熟市場(chǎng)，氫的消耗量也會(huì)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(lái)自生物的甲醇甲烷制取氫氣，四是利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然能量進(jìn)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(kāi)對(duì)化石燃料的依賴，并且會(huì)排出二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致燃料電池環(huán)保價(jià)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(guò)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(guò)沸鍋換熱、進(jìn)人變換爐使C0變換成H2和CO2。再經(jīng)過(guò)換熱、冷凝、汽水分離,通過(guò)程序控制將氣體依序通過(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生，達(dá)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(guò)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(guò)傳統(tǒng)的電解水法獲得，但這種方法由于能耗過(guò)高，除已建成裝置外，已少有新建裝置。

2.各方法優(yōu)缺點(diǎn)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(lái)，這些方法都存在著各自的優(yōu)勢(shì)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(wú)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(wú)污染等特點(diǎn)，并且甲醇作為原料可以更為靈活，但甲醇裂解制氫難以進(jìn)行大規(guī)模的制氫。

考慮到燃料電池一旦成為未來(lái)能源的主力，對(duì)氫產(chǎn)能的要求會(huì)與日俱增。因此，天然氣和焦?fàn)t氣制氫難以擺脫對(duì)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(zhǎng)的需求。

從經(jīng)濟(jì)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(jià)格的波動(dòng)非常明顯。就目前的原料價(jià)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(jià)格目前正在逐步市場(chǎng)化，2015年11月18日，國(guó)家發(fā)改委宣布降低非居民用天然氣門站價(jià)格，每立方米下調(diào)0.7元。目前非民用天然氣價(jià)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(guò)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(shí)價(jià)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(jià)格為1860元/t，因此制氫成本將超過(guò)1.37元/km3。由于甲醇價(jià)格波動(dòng)高，其經(jīng)濟(jì)性較天然氣制氫沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。就目前各種原料的價(jià)格來(lái)看，焦?fàn)t氣制氫的經(jīng)濟(jì)性較為顯著。

綜合目前工業(yè)制氫方式的優(yōu)劣勢(shì)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?？紤]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(dòng)性大，制氫規(guī)模小，但裝置成本低，因此適用于間斷性、補(bǔ)充性的氫氣制造。

從我國(guó)目前燃料電池車用氫氣的實(shí)踐看，焦?fàn)t氣制氫同樣是首選。同濟(jì)大學(xué)等承擔(dān)的“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)燃料電池轎車項(xiàng)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(yán)重收到焦?fàn)t氣資源的限制。在未來(lái)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(shí)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(wú)最佳方案，仍然有待研發(fā)。

3、總結(jié)

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