氫能及燃料電池關(guān)鍵的制氫技術(shù)

　　有人將2018年定義為中國氫能發(fā)展的元年，在這一年，氫能一天比一天火熱，從行業(yè)圈內(nèi)默默的發(fā)展，漸漸走近大眾的視野，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前景的替代能源，各大企業(yè)也都扎堆進(jìn)入氫能行業(yè)，氫能項(xiàng)目也火熱得千金難求。如果不了解點(diǎn)氫能以及相關(guān)技術(shù)的知識(shí)，可能已經(jīng)跟不上整個(gè)能源行業(yè)的發(fā)展，交能網(wǎng)借鑒各類文獻(xiàn)，結(jié)合自身在德國亞琛工大的專業(yè)研究，希望從各個(gè)環(huán)節(jié)分別介紹氫能及其相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀，希望讀者對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)有個(gè)初步的了解。

　　蒸汽甲烷重整制氫（SMR）

　　基于甲烷和水蒸氣在高溫下以及在催化劑條件下的反應(yīng)，目前全世界大概48%的氫氣是使用的蒸汽甲烷重整工藝（SMR）用天然氣生產(chǎn)出來的。由于這一技術(shù)碳排放量很高，因此SMR正在積極的使用碳捕獲及碳存儲(chǔ)（CCS）技術(shù)來減少在生產(chǎn)氫氣過程中的碳排放量。在未來，CCS技術(shù)可以幫助SMR減少80%的碳排放。

　　使用SMR技術(shù)時(shí)，氫氣大規(guī)模生產(chǎn)的成本主要取決于天然氣的價(jià)格。目前美國天然氣的價(jià)格大約是每公斤0.9美元，歐洲時(shí)2.2美元每公斤，日本則是3.2美元每公斤。重整設(shè)備規(guī)模有大有小，特別小規(guī)模的重整設(shè)備，例如每小時(shí)5kg左右氫產(chǎn)量的設(shè)備，制氫成本非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同一產(chǎn)量的電解槽設(shè)備。（圖一）

圖一，目前不同制氫技術(shù)發(fā)展對(duì)比

　　當(dāng)然，重整工藝不僅限于使用天然氣，所有富含氫的氣體都可以通過相應(yīng)的重整工藝來生產(chǎn)氫氣。通過氣化，氫氣也可以通過其他化石資源（例如煤炭）以及生物質(zhì)或者有機(jī)廢料來制得。

　　電解

　　電解時(shí)通過施加直流電將水分解成氫和氧的過程，將電能轉(zhuǎn)化成了化學(xué)能。截至2014年，全球大約安裝了8GW電解能力的電解氫設(shè)備（Decourt et al.）。

　　所有的電解設(shè)備都由電解槽堆組成，包括多達(dá)100個(gè)的電池和其他輔助設(shè)備（BOP）。電解槽可以使用相同的BOP基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行并聯(lián)安裝，這使得它可以實(shí)現(xiàn)高度的模塊化。

　　對(duì)于僅使用電功率（并且沒有外部熱量）作為輸入能量的電解器，制氫效率隨電池電壓的升高而降低，而制氫速率隨電池電壓的升高而增加。因此，在給定的電池幾何形狀下，工廠必須折衷處理電解槽效率和制氫速率之間的關(guān)系。

　　不同類型的電解器的區(qū)別在于它們不同的電解質(zhì)和電荷載體，可以分為如下幾類：

　　1）堿性電解槽;

　　2）氫能質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽;

　　3）固體氧化物（SO）電解槽。

　　堿性電解槽是目前最成熟的技術(shù)，投資成本明顯低于其他電解槽類型，但PEM和SO電解器在未來具有更高的成本降低的潛力，并且在SO電解槽的情況下，效率將會(huì)顯著提高（圖二）。PEM電解槽特別有意義，因?yàn)樗鼈兙哂凶罡叩碾娏髅芏群筒僮鞣秶?，是降低投資成本和提高操作靈活性所必需的先決條件。截至今日，電池壽命是PEM和SO電解槽技術(shù)的最大限制因素。

　　電解氫的成本在很大程度上取決于電力成本以及電解槽的投資成本。為了最大限度的降低電力成本，很多電解氫的設(shè)備選擇接入價(jià)格低廉的可再生能源電力，如光伏和風(fēng)電，但是這些可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定，導(dǎo)致電解氫設(shè)備的使用率低下，從而又影響了自身的盈利能力。因此，在這些方面如何做折衷的考慮也是十分重要的。

圖二，不同電解槽適用范圍及發(fā)展?jié)摿κ緢D