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(yán)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(yán)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).