一文讀懂氫能應(yīng)用

目前，制氫技術(shù)主要有傳統(tǒng)能源和生物質(zhì)的化學(xué)重整、水的電解和光解。其中，天然氣制氫是現(xiàn)今最主流的形式，但電解水制氫的可提升空間更為廣闊。煤氣化制氫和天然氣重整制氫的CO? 排放量均較高，對環(huán)境不友好， 為了實現(xiàn)“3060”的目標(biāo)，化石燃料制取氫氣越來越不可持續(xù)。而電解水制氫是可持續(xù)和低排放的，會成為未來氫氣制取的主流方式。

從成本角度分析：主流制氫方法中，化石燃料制氫的成本最低，而電解水制氫成本目前遠(yuǎn)高于石化燃料

①煤炭制氫：以煤在蒸汽條件下氣化產(chǎn)生含氫和一氧化碳的合成氣，合成氣經(jīng)變換和分離制得氫，可以制取純度大于99%的氫氣。氫氣成本在 10~15 元/kg。

②天然氣、石油：天然氣、石油產(chǎn)品生成一氧化碳同水的合成氣，然后通過 PSA 法或膜法分離法轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣，從而制取高純度氫氣。此方法產(chǎn)生的氫氣成本與煤炭類似。

③甲醇、氨：甲醇裂解制氫、氨分解制氫等都屬于含氫化合物高溫?zé)岱纸庵茪浜瑲浠衔镉梢淮文茉粗频谩?/p>

④工業(yè)尾氣制氫：有合成氨生產(chǎn)尾氣;煉油廠回收富氫氣體制氫;氯堿廠回收副產(chǎn)氫制氫;焦?fàn)t煤氣中氫的回收利用。平均成本8-14元/kg。

⑤電解水制氫：目前每生產(chǎn)1m3常溫常壓氫氣(1m3氫氣約為0.09kg)需要消耗電能大約 5~5.5kWh，采用最便宜的谷電制氫(如 0.3 元/kWh)，加上電費以外的固定成本(約 0.3~0.5 元/m3)， 綜合成本在 1.8~2.0 元/m3，即制氫成本為 20~22元/kg。

根據(jù)發(fā)改委能源所得研究得出數(shù)據(jù)：如果利用當(dāng)前的可再生能源棄電制氫，棄電按 0.1 元/kWh計算，則制氫成本可下降至約 10 元/kg，這和煤制氫或天然氣制氫的價格相當(dāng);但是電價如果按照2017年的全國大工業(yè)平均電價0.6元/kWh 計算，則制氫成本約為35-37元/kWh，成本遠(yuǎn)高于其他制氫方式。

表1 制氫成本(發(fā)改委能源所數(shù)據(jù))

根據(jù)光大證券提供的資料顯示目前主要的制氫原料95%以上來源于傳統(tǒng)能源的化學(xué)重整(48%來自天然氣重整、 30%來自醇類重整， 18%來自焦?fàn)t煤氣)， 4%左右來源于電解水。

另外，由于日本的氫能利用走在世界的前端。日本鹽水電解產(chǎn)能占所有制氫產(chǎn)能的 63%，此外產(chǎn)能占比較高的還包括天然氣改制(8%)、乙烯制氫(7%)、焦?fàn)t煤氣制氫(6%)和甲醇改質(zhì)(6%)。

那么氫氣生產(chǎn)出來到底可以干什么用?

氫能---即利用氫氣和氧氣(空氣)在特定環(huán)境中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，釋放出電能和熱能。

陽極：2H2-4e→4H+

陰極：O2+4e+4H+→2H2O

圖1 燃料電池

這里所說的“特定環(huán)境”所指的就是燃料電池。(如圖1)

燃料電池是將燃料(氫氣)與氧化劑(空氣中的氧氣)的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。燃料電池理論上可在接100%的熱效率下運行，實際接近60-80%的效率, 具有很高的經(jīng)濟性。

此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運動部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機組安靜。另外電化學(xué)反應(yīng)清潔、完全，不產(chǎn)生有害物質(zhì)。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動力裝置【1】

2019 年兩會期間，氫能被首次寫入政府工作報告，---“繼續(xù)執(zhí)行新能源汽車購置優(yōu)惠政策，推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。對于氫能來講，這是第一次在國家政府工作報告中單獨提出，具有重大意義。

談起燃料電池技術(shù)很多人會認(rèn)為是一個全新的“高大上”的但未必成熟的技術(shù)。其實不然，燃料電池很早就在軍事領(lǐng)域得到了應(yīng)用和研究。20世紀(jì)60年代。由于載人航天器對于大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求，燃料電池才引起一些國家與軍工部門的高度重視。

美國研制成功阿波羅登月飛船上的主電源一培根型中溫氫氧燃料電池。20世紀(jì)70～80年代，由于出現(xiàn)世界性的能源危機和燃料電池在航天上成功應(yīng)用及其高的能量轉(zhuǎn)化效率。促使世界上以美國為首的發(fā)達(dá)國家大力支持民用燃料電池的開發(fā)?！?】

如果對海軍兵器感興趣的讀者，一定會了解現(xiàn)代德國海軍的212A級和214級AIP(Air Independence Power)不依賴空氣推進(jìn)裝置技術(shù)潛艇。這兩個級別的潛艇就使用了氫能燃料電池技術(shù)。

圖2 燃料電池潛艇

1980年代西門子公司開始研究PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池---該電池是當(dāng)前主流的燃料電池)作電源的AIP(不依賴空氣動力裝置)潛艇時至今日，德國AIP技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟與完善，2003年4月7日試航了投資達(dá)27.6億德國馬克的212A型U31潛艇，這是世界上第一艘現(xiàn)代化的AIP質(zhì)子交換膜燃料電池潛艇。

U31采用由燃料電池和柴一電動力系統(tǒng)組成的混合動力系統(tǒng)，其中燃料電池動力系統(tǒng)總功率306kW，具有體積小，無腐蝕，功率密度大，使用壽命長，不用空氣等特點。U31用燃料電池提供的動力驅(qū)動時，可在水下連續(xù)潛行3周?！?】

在民用領(lǐng)域，氫燃料電池在重型交通領(lǐng)域，具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)國泰君安的研究表明：隨著車重和續(xù)航的提升，燃料電池汽車成本將逐步接近甚至低于純電動汽車。

輕型客運方面，續(xù)航里程在 600 公里以內(nèi)，純電動汽車的成本要明顯低于氫燃料電池汽車，但在600公里以上，電動汽車的成本大幅上升，超過燃料電池汽車成本。重型貨運方面，續(xù)航里程 400公里以上，燃料電池汽車成本將顯著低于純電動汽車成本。因此，相對鋰電池氫燃料電池在重型交通領(lǐng)域，具有更強的技術(shù)適應(yīng)性。

圖3 燃料電池客車

如圖3燃料電池的電動客車，氫氣瓶布置在車輛頂部，氫氣本身無毒，但具有極強的擴散能力，任何泄漏的氫氣將容易被周圍的空氣稀釋所以不易被察覺。這樣一方面便于泄漏時能夠快速擴散。另一方面，泄漏的氫氣不會擴散到乘客區(qū)和其他電氣集中區(qū)域，避免爆炸的危險。布置在車頂還能提升整體的空間利用率。

上述介紹的潛艇還是燃料電池汽車，燃料電池都不是唯一的動力源。燃料電池潛艇包括傳統(tǒng)的柴油機、鋰電池組、燃料電池組三種動力。燃料電池汽車包括燃料電池和鋰電池。(如圖4所示)

圖4 燃料電池汽車系統(tǒng)原理圖

為什么這么設(shè)計?因為燃料電池“慢”。燃料電池的輸出受限于諸多因素，由于有氣體參與反應(yīng)，燃料電池的輸出特性很“軟”，它無法應(yīng)對劇烈的功率需求變化。

比如駕駛員頻繁踩油門，系統(tǒng)加大氫氣輸出量，壓力提高，電流密度逐漸提高，同時電壓卻在下降，不僅響應(yīng)慢，變化的電壓也影響了整個電系統(tǒng)的效率。如圖5所示，為一臺額定功率55kW燃料電池從啟動到最大功率的輸出仿真曲線，需要差不多20-25s的時間才能達(dá)到最大額定功率。

由于“慢”所以燃料電池很難像電池或者發(fā)動機那樣成為電動汽車的單一能量源。在實際設(shè)計中，一般燃料電池會與蓄電池或者超級電容組成電-電混合動力系統(tǒng)。依靠輸出更穩(wěn)定，響應(yīng)更快的蓄電池來滿足高頻的動力需求，而讓燃料電池盡量平穩(wěn)輸出【3】。換句話說，鋰電池用來加速，燃料電池用來維持速度。

圖5 燃料電池功率-時間曲線