氫燃料電池技術(shù)滿足產(chǎn)業(yè)化需求，能源革命開啟

目前的燃料電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化條件，滿足下游交通和備電等領(lǐng)域應(yīng)用:(1)燃料電池車輛壽命和運(yùn)營里程達(dá)到 傳統(tǒng)汽柴油車水準(zhǔn)，在英國和美國均有燃料電池公交車(FCEB)運(yùn)營壽命 超過2.9 萬小時(shí)，無需大修或更換燃料電池組;(2)低溫啟動溫度可以達(dá)到-30°C;(3)鉑金催化劑用量較小，未來不會引起鉑金資源短缺，目前國 際先進(jìn)催化劑耗鉑水平可達(dá)到0.125g/kW，未來單車鉑金用量可以低于5g，與傳統(tǒng)柴油車尾氣催化劑鉑用量相當(dāng)，并且催化劑在往低鉑和無鉑方向發(fā)展;(4)成本快速下降，日韓燃料電池汽車預(yù)計(jì)2025 年能達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車成本水平;(5)氫耗與油耗成本持平，并且隨著規(guī)模擴(kuò)大，氫氣成本存在較大下行空間。

氫燃料電池具有零排放、零污染的特性，被認(rèn)為是未來清潔環(huán)保的理想技術(shù)，是終極新能源動力解決方案。燃料電池本質(zhì)上是發(fā)電機(jī)，下游應(yīng)用場景廣泛，可以應(yīng)用于交通領(lǐng)域和發(fā)電領(lǐng)域等。我們認(rèn)為燃料電池發(fā)展將掀起一輪能源革命，氫將取代一部分石油，成為能源體系中的重要一環(huán)，未來氫燃料電池市場規(guī)模可達(dá)萬億級別。

從能量轉(zhuǎn)換效率的角度來看，天然氣重整制氫的方法能量轉(zhuǎn)換效率最高，而乙醇裂解和電解水制氫的方法次之。各種制氫方式的能量轉(zhuǎn)換效率比較如下:

化工原料制氫:甲醇制氫技術(shù)應(yīng)用于眾多特定場所，但成本較高

甲醇裂解制氫:由于甲醇具有易于運(yùn)輸、易于獲得等特點(diǎn)，甲醇制氫技術(shù)備受關(guān)注，并應(yīng)用于眾多特定的場所。利用甲醇制氫有3種途徑:甲醇裂解、甲醇-蒸汽重整和甲醇部分氧化。在這三種方法中，甲醇裂解由于應(yīng)用范圍更廣和原料單一的特點(diǎn)具有更強(qiáng)的競爭力。

甲醇制氫與大規(guī)模的天然氣、重油轉(zhuǎn)化制氫或者水煤氣制氫相比，投資省，能耗低;與水電解制氫相比，單位氫氣成本低。

化石燃料制氫工藝一般需要在800°C以上的高溫下進(jìn)行。所以轉(zhuǎn)化爐等設(shè)備需要特殊材質(zhì)。同時(shí)需要綜合考慮能量平衡和利用，不適合小規(guī)模制氫。而甲醇轉(zhuǎn)化制氫反應(yīng)溫度低(260~280°C)，工藝條件緩和，燃料消耗低。與同等規(guī)模的化石燃料制氫裝置相比，甲醇-蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的能耗是前者的50%。

水電解制氫的成本一般在3~5 元/m3，而一套規(guī)模為1000m3/h 的甲醇-蒸汽制氫轉(zhuǎn)化裝置的氫氣成本一般不高于2 元/m3。

液氨制氫方法由英國化學(xué)家亞瑟汀斯利在1894 年提出，主要原理是利用液氨和鈉單質(zhì)反應(yīng)生成氨基化鈉，然后氨基化鈉將分解成為氮?dú)狻錃庖约扳c單質(zhì)。液氨是世界上產(chǎn)量最大的無機(jī)化合物之一，通常與丙烷一樣被加壓儲存在液氨罐之內(nèi)(300psi，約20千帕)，液氮雖然可獲得性高，但是液氨制氫需要依賴于釕作為催化劑 ，而釕是一種稀有金屬，且在該過程中，分離氫氣需要極高的溫度。

2015 年，英國科學(xué)家提出液氨制氫的新方法，將分離氫氣的溫度降低到了400°C的溫度。一個(gè)典型的汽車電池都可以提供足夠的能量來加熱一個(gè)小型(1.5 立方英寸)鈉/氨反應(yīng)器到達(dá)該溫度。其設(shè)備的輸出不能滿足一個(gè)大型商業(yè)設(shè)施所需的氫氣，但可以擴(kuò)大到滿足一輛氫能燃料電池汽車所需的氫氣。

目前豐田、本田和現(xiàn)代所使用的氫氣，絕大多數(shù)都來自天然氣重整制氫，但天然氣重整制氫對環(huán)境的影響較大，因此如果上述液氨制氫的方法能夠推行,可以降低制氫過程對環(huán)境的影響。此外，該制氫方式的另一個(gè)優(yōu)勢是其使用的罐體與現(xiàn)有的其他氣體儲存罐類似，這也將降低氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的成本。

成本方面，液氨制氫目前的成本約為2~2.5 元/Nm3，仍比電解水制氫的成本低，如未來有進(jìn)一步的技術(shù)突破，液氨制氫的技術(shù)可以拓展到直接用于車載供氫。

氫氣儲運(yùn):氣氫拖車滿足現(xiàn)階段要求，液化氫技術(shù)是發(fā)展方向

運(yùn)氫的方式主要分為:氣氫拖車運(yùn)輸(tube trailer)、氣氫管道運(yùn)輸(pipeline)和液氫罐車運(yùn)輸(liquid truck)。氫能供應(yīng)鏈中運(yùn)氫環(huán)節(jié)定 義為包括集中制氫廠的運(yùn)輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)(氫氣壓縮/液化、存儲及加注) 和車輛/管道運(yùn)輸過程所涉及所有設(shè)備。

從現(xiàn)階段加氫站對運(yùn)輸距離(<500km,200km 為宜)和運(yùn)輸規(guī)模(10t/d) 的需求來看，氫氣最佳的運(yùn)輸方式仍是氣氫拖車，其成本可以達(dá)到2.02 元/kg，而在同等條件下的液氫運(yùn)輸成本可以達(dá)到12.25 元/kg。未來在液化氫技術(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)且氫氣需求量規(guī)模上升(100t/d )的情況下，將考慮采用液氫運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)送氫氣。

氣氫拖車運(yùn)輸適合小規(guī)模、短距離運(yùn)輸情景;氣氫管道運(yùn)輸適合大規(guī)模、短距離運(yùn)輸情景;液氫罐車運(yùn)輸適合長距離運(yùn)輸。

運(yùn)輸規(guī)模和運(yùn)輸距離是對氫氣運(yùn)輸影響最大的兩個(gè)因素，對三種氫氣運(yùn)輸方式的成本變化造成不同的影響。根據(jù)不同氫氣運(yùn)輸方式的變化規(guī)律，在運(yùn)輸規(guī)模和運(yùn)輸距離確定的情況下，可以選出成本最低的運(yùn)氫方式。

主要的三種氫氣運(yùn)輸方式(氣氫拖車、管道輸氫和液氫罐車運(yùn)輸)的成本組成可以劃分為:設(shè)備投資(存儲、壓縮、液化和加注設(shè)備)、電力成本、管道投資成本、運(yùn)輸車輛投資成本(包括 車載儲氫容器)、車輛燃料成本、人力成本和其他運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。通過研究我們可以得出結(jié)論:

1)對于氣氫拖車運(yùn)輸方式，主要受距離因素影響，規(guī)模對運(yùn)氫成本影響比例較小;

2)對于管道輸氫方式，管道投資成本在運(yùn)氫成本中占最大比例，適用于運(yùn)氫規(guī)模大，距離近的情況;

3)對于液氫罐車運(yùn)輸方式，非常適用于大規(guī)模氫氣長距離運(yùn)輸，運(yùn)氫成本與運(yùn)輸規(guī)模成負(fù)相關(guān)，規(guī)模越大運(yùn)氫成本越低，與運(yùn)輸距離成正相關(guān)，距離越遠(yuǎn)運(yùn)氫成本越加上升，但上升幅度遠(yuǎn)小于氣氫拖車。

文來源：氫標(biāo)科技

圖片來源：找項(xiàng)目網(wǎng)