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氨分解制氫（一文讀懂氫能應(yīng)用）

氫氣怎么制備，來源是什么？由于大氣的成分中不含氫元素，所以氫氣不能通過簡(jiǎn)單的空氣分離直接取得。需要通過制備獲得。

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(duì)環(huán)境不友好， 為了實(shí)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(huì)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?。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 5~5kWh，采用最便宜的谷電制氫(如 0.3 元/kWh)，加上電費(fèi)以外的固定成本(約 0.3~0.5 元/m3)， 綜合成本在 8~0 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(jì)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(jià)格相當(dāng);但是電價(jià)如果按照2017年的全國(guó)大工業(yè)平均電價(jià)0.6元/kWh 計(jì)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(yùn)行，實(shí)際接近60-80%的效率, 具有很高的經(jīng)濟(jì)性。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)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(dòng)力裝置【1】2019 年兩會(huì)期間，氫能被首次寫入政府工作報(bào)告，---“繼續(xù)執(zhí)行新能源汽車購置優(yōu)惠政策，推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。對(duì)于氫能來講，這是第一次在國(guó)家政府工作報(bào)告中單獨(dú)提出，具有重大意義。談起燃料電池技術(shù)很多人會(huì)認(rèn)為是一個(gè)全新的“高大上”的但未必成熟的技術(shù)。其實(shí)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(duì)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(guó)家與軍工部門的高度重視。美國(guó)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(jī)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(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家大力支持民用燃料電池的開發(fā)?！?】如果對(duì)海軍兵器感興趣的讀者，一定會(huì)了解現(xiàn)代德國(guó)海軍的212A級(jí)和214級(jí)AIP(Air Independence Power)不依賴空氣推進(jìn)裝置技術(shù)潛艇。這兩個(gè)級(jí)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(dòng)力裝置)潛艇時(shí)至今日，德國(guó)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)26億德國(guó)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(dòng)力系統(tǒng)組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其中燃料電池動(dòng)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(zhǎng)，不用空氣等特點(diǎn)。U31用燃料電池提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(shì)。根據(jù)國(guó)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(dòng)汽車。輕型客運(yùn)方面，續(xù)航里程在 600 公里以內(nèi)，純電動(dòng)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(dòng)汽車的成本大幅上升，超過燃料電池汽車成本。重型貨運(yùn)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(dòng)汽車成本。因此，相對(duì)鋰電池氫燃料電池在重型交通領(lǐng)域，具有更強(qiáng)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(dòng)客車，氫氣瓶布置在車輛頂部，氫氣本身無毒，但具有極強(qiáng)的擴(kuò)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(shí)能夠快速擴(kuò)散。另一方面，泄漏的氫氣不會(huì)擴(kuò)散到乘客區(qū)和其他電氣集中區(qū)域，避免爆炸的危險(xiǎn)。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(dòng)力源。燃料電池潛艇包括傳統(tǒng)的柴油機(jī)、鋰電池組、燃料電池組三種動(dòng)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(jì)?因?yàn)槿剂想姵亍奥薄Ｈ剂想姵氐妮敵鍪芟抻谥T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(duì)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(shí)電壓卻在下降，不僅響應(yīng)慢，變化的電壓也影響了整個(gè)電系統(tǒng)的效率。如圖5所示，為一臺(tái)額定功率55kW燃料電池從啟動(dòng)到最大功率的輸出仿真曲線，需要差不多20-25s的時(shí)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(dòng)機(jī)那樣成為電動(dòng)汽車的單一能量源。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般燃料電池會(huì)與蓄電池或者超級(jí)電容組成電-電混合動(dòng)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(dòng)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。

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