報告：燃料電池系列科普
燃料電池系列科普報告----制氫
我國燃料電池基礎設施建設進入加速期，為燃料電池汽車商業化做好充分準備。加氫基礎設施是燃料電池發展的重要保障，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劣性。
思考的問題：
1、工業制氫的方法有哪些，他們的原理分別是什么?
2、每種方法各自的優缺點是什么?最優適應情形是如何的?
重要結論
工業制氫包括很多種方法，但都存在著各自的優勢和局限性。綜合目前工業制氫方式的優劣勢及成本考慮，如果用氫裝置附近有豐富的焦爐氣資源，焦爐氣制氫技術是首選的工藝技術方案。我國目前燃料電池車用氫氣的實踐，焦爐氣制氫技術同樣是首選。但焦爐氣制氫嚴重收到焦爐氣資源的限制。在未來能源結構調整中，焦爐氣產量下降，氫氣需求猛增，屆時焦爐氣制氫將難以繼續使用。因此，目前工業制氫尚無最佳方案，仍然有待研發。
1、工業制氫方法眾多
氫氣不僅是重要的工業原料和還原劑，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，導致燃料電池環保價值降低。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生化學反應。轉化氣經過沸鍋換熱、進人變換爐使C0變換成H2和CO2。再經過換熱、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，提取產品氫氣。
1.2工業副產物制氫
焦爐氣制氫技術是采用變壓吸附的工藝，從煉焦行業副產的焦爐氣中提取純氫。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,發生催化裂解和轉化反應。
1.4電解水制氫
氫氣還能夠通過傳統的電解水法獲得，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.各方法優缺點各異，滿足不同需求
有上述各方法可知，在工業上目前已經有多種制氫的途徑。但是，目前看來，這些方法都存在著各自的優勢和局限性。
天然氣制氫和焦爐氣制氫均適用于大規模制氫，但也均受限于原料的供應，并且具有污染性。在環保方面，焦爐氣制氫利用的雖然是煉焦的副產物，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，對氫產能的要求會與日俱增。因此，天然氣和焦爐氣制氫難以擺脫對化石原料的依賴，而甲醇制氫的規模很可能難以應付增長的需求。
從經濟性上看，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，焦爐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，國家發改委宣布降低非居民用天然氣門站價格，每立方米下調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。而焦爐氣是焦化企業煉焦過程中產生的副產品，原先都是在作為燃料燃燒后高空排放，現在用于化工原料時價格一般均低于0.4元/m3，因此焦爐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，其經濟性較天然氣制氫沒有絕對優勢。就目前各種原料的價格來看，焦爐氣制氫的經濟性較為顯著。
綜合目前工業制氫方式的優劣勢及成本考慮，如果用氫裝置附近有豐富的焦爐氣資源，焦爐氣制氫技術是首選的工藝技術方案。考慮到制氫規模的要求，天然氣制氫技術在能夠取得天然氣資源的情況下也是優選的方案。甲醇裂解制氫的成本波動性大，制氫規模小，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，焦爐氣制氫同樣是首選。同濟大學等承擔的“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爐氣純化而成。
但焦爐氣制氫嚴重收到焦爐氣資源的限制。在未來能源結構調整中，焦爐氣產量下降，氫氣需求猛增，屆時焦爐氣制氫將難以繼續使用。因此，目前工業制氫尚無最佳方案，仍然有待研發。
3、總結
綜合目前情況來看，制氫方式中成本較低，相對成熟的技術是煤焦爐制氫。但是隨著技術推進，新能源發電的進一步推廣，電解水制氫將是未來成本更低的技術。下一篇科普，我們將介紹燃料電池動力系統，感謝各位投資人的關注!
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