許多朋友問筆者,發(fā)展燃料電池汽車,氫氣從哪里來?我一直在尋找答案,還是認(rèn)為不太理想。于是靜下心來,找資料,歸納分享。
一、氫氣從哪里來?
原則性回答是:發(fā)展燃料電池汽車,需要成規(guī)模氫氣供應(yīng),這是必然的。大自然里沒有氫氣,這是常識。如果不能保障氫氣,發(fā)展氫燃料電池就沒有意義。目前已經(jīng)找到資料介紹說,通過工業(yè)上制“氫”是基本途徑,主要有:
①電解“氫”。這是中學(xué)里就學(xué)過的知識,許多人也做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)。許多專家介紹利用太陽能、風(fēng)能等自然能量進(jìn)行水的電解,可行實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn);
②從化工副產(chǎn)物中提取氫氣。許多專家也介紹說,武鋼等煉鋼過程中會產(chǎn)生富“氫”,這個(gè)專家們紛紛推薦的;
③采用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣。目前有一些專家在研制車載制氫技術(shù)和裝備;
④其他采用化石燃料制取氫氣。專業(yè)性很強(qiáng),比較復(fù)雜。
以上并沒有回答這些制氫技術(shù)和方法,能不能滿足發(fā)展氫能汽車推廣應(yīng)用的需要。
二、可以工業(yè)化制氫方法,來保障氫能汽車推廣應(yīng)用
發(fā)展燃油汽車,前提是有充足的汽油、柴油資源;發(fā)展天然氣汽車,其前提是有充足的天然氣資源;發(fā)展電動汽車,其前提是有豐富的“電”資源。同理,發(fā)展燃料電池汽車,前提也必須是有滿足要求的“氫氣”。滿足要求,基本上有兩層意思,一是氫氣生產(chǎn)是可以工業(yè)化的;二是以工業(yè)化生產(chǎn)的“氫氣”質(zhì)量是能滿足燃料電池發(fā)電要求,且能保障供應(yīng)。工業(yè)化制氫設(shè)備及設(shè)施,如圖1所示。
圖1 工業(yè)化制氫設(shè)備及設(shè)施
1)焦?fàn)t氣中取純氫法
許多專家認(rèn)為,我國工業(yè)副成品(如:焦?fàn)t氣)的富氫比較充足,這是我國要發(fā)展燃料電池汽車要的氫氣來源之一,工業(yè)副成品富氫生產(chǎn)過程如圖2所示。
圖2 工業(yè)副成品富氫生產(chǎn)過程
焦?fàn)t氣是煉焦行業(yè)的副產(chǎn)品。我國是世界上第一鋼產(chǎn)大國,焦?fàn)t氣含有富氫(純度含量比較大的氫氣),目前焦?fàn)t氣沒有充分利用起來。發(fā)展氫能汽車,可以帶動焦?fàn)t氣提純工業(yè);發(fā)過來說,焦?fàn)t氣提純工業(yè)起來了,氫能汽車用氫,供應(yīng)上就有基本保障。
①原理是:利用固體吸附劑對氣體的吸附,利用吸附具有選擇性,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(shí)現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生,達(dá)到生產(chǎn)純制氫的目的。
②悖論:是先發(fā)展焦?fàn)t氣提純工業(yè)?還是先發(fā)展氫能汽車工業(yè)。這與傳統(tǒng)汽車發(fā)展過程是不同的,傳統(tǒng)汽車發(fā)展,油是有保障供應(yīng)的。
2)天然氣制氫法
①天然氣制氫的原理
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(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
②天然氣制氫工藝
天然氣經(jīng)過沸鍋換熱、進(jìn)人變換爐使CO變換成H2和CO2。再經(jīng)過換熱、冷凝、汽水分離,在程序控制下,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(chǎn)品氫氣,如圖3所示。
圖3 天然氣制氫工藝示意圖
③悖論:
i)天然氣是化石燃料,從工藝流程上看,生產(chǎn)過程會排出二氧化碳等溫室氣體,導(dǎo)致燃料電池環(huán)保價(jià)值降低;
ii)天然氣已經(jīng)成功用于汽車,如壓縮的天然氣汽車、液態(tài)的天然氣汽車。天然氣汽車相比燃油汽車是比較清潔的汽車,目前天然氣汽車發(fā)展空間還有比較大?;谶@一點(diǎn),把天然氣轉(zhuǎn)換氫氣,再用于汽車用,邏輯上說不過去。
3)電解制氫法
電解制氫法,大家都理解。但是電解制氫工業(yè)生產(chǎn),要有充足電和水做為前提條件。如用山區(qū)(高原)風(fēng)能(太陽能)發(fā)電來電解制氫,但是沒有充足的水資源保障;如海邊風(fēng)能發(fā)電和海水來電解制氫,還比較可行。但是這樣制造出來的氫,如何運(yùn)輸?shù)狡嚰惺褂玫牡胤剑?/p>
①電解制氫過程
電能、風(fēng)能發(fā)電制氫法過程,見圖4:
圖4 電能、風(fēng)能發(fā)電制氫法過程示意圖
②悖論
i)電能、風(fēng)能發(fā)電來電解制氫,是對電能、風(fēng)能發(fā)電來說,是一個(gè)出路,但是生產(chǎn)來氫,氫能如何有效供給汽車用?
ii)如果用電網(wǎng)電來電解制氫,目前電電動汽車已經(jīng)成規(guī)模了,當(dāng)務(wù)之急,如何給電動汽車充電,而不是把電解氫,給燃料電池發(fā)電。
4)甲醇裂解制氫法
(1)甲醇裂解制氫的工藝過程
是甲醇和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(fā)生催化裂解和轉(zhuǎn)化反應(yīng)。甲醇裂解制氫工廠工藝流程,如圖圖5所示。
圖5 甲醇裂解制氫工藝流程
(2)車載甲醇裂解制氫困難重重
甲醇裂解制氫要有熱源, 車載甲醇裂解制氫困難之一熱源如何供給? 其工藝復(fù)雜,簡化流程,如果保障車載甲醇裂解制氫的純度,純度不達(dá)標(biāo)的氫氣,燃料電池不能用,否則燃料電池系統(tǒng)壽命嚴(yán)重折壽。
5)四種工業(yè)化制氫方法比較
石油類、天然氣或煤為原料造氣來分離制氫需龐大投資,“相當(dāng)于半個(gè)合成氨”,只適用于大規(guī)模用戶。對中小用戶電解水可方便制得氫氣,但能耗很大,每立方米氫氣耗電達(dá)~6度,且氫純度不理想,雜質(zhì)多,甲醇裂解制大規(guī)模生產(chǎn),規(guī)模也受到限制。以上四種工業(yè)化制氫方法有優(yōu)、缺比較,如表1所示。
表1 四種工業(yè)化制氫方法
6)氫氣在工業(yè)上有著廣泛的用途
近年來,由于精細(xì)化工、粉末冶金、油脂加氫、林業(yè)品和農(nóng)業(yè)品加氫、生物工程、石油煉制加氫等的迅速發(fā)展,對純氫需求量急速增加。
發(fā)展氫燃料清潔汽車,一定會讓其他工業(yè)爭搶“氫氣”源,再進(jìn)一步分析,把稀缺的“氫氣”燒掉,是不是不劃算?
7)制氫有多種途徑,但是對汽車而言都不太理想
①天然氣制氫和焦?fàn)t氣制氫均適用于大規(guī)模制氫,但也均受限于原料的供應(yīng),并且具有污染性,而天然氣制氫,依然需要化石燃料作為原料。
②焦?fàn)t氣制氫利用的是煉焦的副產(chǎn)物,但如何去除其中的污染物,目前還沒有科學(xué)而經(jīng)濟(jì)可行的辦法;
③甲醇裂解制氫具有投資低、建成快、無污染等特點(diǎn),并且甲醇作為原料可以更為靈活,但甲醇裂解制氫難以進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。
8)對氫能汽車更關(guān)心是加氫站在哪里?
據(jù)介紹,國內(nèi)加氫站已經(jīng)有4個(gè),分別是2006年建成的北京加氫站,2008年建成的上海安亭加氫站,2011年建設(shè)了簡易的加氫站,2015年最新建成的鄭州宇通加氫站。上海安亭加氫站始建于2007年11月。
目前,我國還沒有加氫站長期規(guī)劃,不過我國加氫站的設(shè)計(jì)建造和氫氣的運(yùn)輸存儲都制訂了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)展燃料電池已經(jīng)國家層面戰(zhàn)略規(guī)劃,接下來有關(guān)如何發(fā)展輕能產(chǎn)業(yè),如氫氣產(chǎn)業(yè)的布局(生產(chǎn)廠家、運(yùn)輸、加氫站)會一步一步展開的。
三、總結(jié)
發(fā)展發(fā)展燃料電池汽車,氫氣從哪里來?目前主機(jī)廠的重心,還是把自己專業(yè)層面的技術(shù)難題解決到位。燃料電池汽車規(guī)模起來了,氫氣從哪里來?會有那一個(gè)行業(yè)的企業(yè)去研究和思考的。目前燃料電池汽車規(guī)模很小,對氫氣從哪里來,主機(jī)廠還不用太擔(dān)心。
來源:第一電動網(wǎng)
作者:雷洪鈞
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