氢气纯化原理(燃料电池之制氢篇)

Posted 2023-05-30

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氢气纯化原理(燃料电池之制氢篇)

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追求节能减排、低碳环保的道路上，氢能凭借其自身优异的性能成为全球关注和侧重发展的领域。如何保证充足的氢能来源，是全球推进氢能社会的关键所在，也是众多看好氢能产业发展的国家的重点关注领域。

当前全球96%的制氢原料产生于传统能源的化学重整，主要有天然气重整、醇类重整以及焦炉煤气，另外4%左右来源于电解水。

特殊的国情使得日本在探索新能源上表现出强烈的兴趣，在氢能领域的布局也表现得十分突出。日本大力倡导"氢能社会"，积极将氢能应用到社会生产生活的各方面，并计划与电力、热力一样构成国内二次能源的三大支柱。在探索氢气来源上，日本做了诸多尝试，尤其是如何零碳化的开发氢能源。

目前，日本国内可再生能源制氢正处于相当红火的上升阶段，盐水电解制氢占据日本制氢规模的63%，其次是天然气、乙烯制氢和焦炉煤气制氢等等。但实际上，大多数电解水使用的电力仍是普通的工业用电，原料以石油、天然气等化石能源为主。这种制氢方式并不能满足清洁能源的发展需求。探索低碳、甚至零碳的制氢技术成为了日本的重点发展方向。

目前国内燃料电池主要采用氯碱工业副产氢

我国是世界上最大的制氢国，工业制氢产量领跑全球，目前国内的制氢气方法主要有工业副产制氢、化石燃料制氢、化工原料制氢、电解水制氢以及其他新型制氢方法，其中主要依靠煤气化制氢和工业副产制氢，2018年我国煤气化制氢达1000万吨，工业副产制氢产能达800万吨。

但是考虑到煤气化所制得的氢气中含硫，使得氢气纯度不高，且制氢的过程耗时长、对环境造成污染，如果再经过脱硫脱硝的步骤则增加了制氢的成本。因此在考虑燃料电池所使用的氢气来源时，主要依靠氯碱工业副产氢、天然气、甲醇、液氨重整产生的氢气。

工业副产氢的方式主要有氯碱副产氢、焦炉煤气制氢和轻烃裂解制氢。其中氯碱工业生产以食盐水为原料，利用隔膜法或离子交换膜法工艺，生产包括烧碱、聚氯乙烯、氯气和氢气等产品。国内氯碱工业基本上全部采用离子膜电解路线，一氧化碳含量较低且无化石燃料中的有机硫和无机硫，因此是燃料电池氢气来源的较优方案。氯碱副产制氢具有氢气提纯难度较小、耗能低、自动化程度高以及无污染的特点。

2019年我国烧碱产量达到3464.4万吨，同比增长1.3%，平均每生产1吨烧碱可副产25千克氢气，年副产氢产能约为87万吨。目前国内氯碱厂副产氢气主要用于制备盐酸或其他化工品以及燃烧释放热能，而约30%的副产氢被直接放空，这部分放空的副产氢气理论上可供应约超100万辆燃料电池车。

我国涉及氯碱副产氢的企业有鸿达兴业和滨化股份。其中，鸿达兴业每年烧碱产能达100万吨，约有2.5万吨副产氢气。滨化股份每年烧碱产能65万吨，副产氢气产能有1.7万吨。另外，嘉化能源在制氢、储运氢、加氢的全产业链上实现多环节覆盖，现有氯碱副产氢1万吨，关联公司三江化工和美福化工轻烃裂解氢气2万吨、规划产能9万吨。

随供电成本下降，电解水制氢有望成为未来主流技术之一

电解水制氢原理是在由电极、电解质与隔膜组成的电解槽中，在电解质水溶液中通入电流，水电解后，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。技术路线主要有三种，包括碱性水电解槽、质子交换膜水电解槽和固体氧化物水电解槽。其中成本最低、技术最成熟的是碱性水电解槽。国内单台最大产气量为每小时1000立方米。质子交换膜水电解槽尽管流程简单，但采用贵金属电催化剂，成本偏高，国内单台最大气量为每小时50方米；固体氧化物水电解槽目前仍处于实验室研发状态。

电解水制氢技术呈现出工艺相对简单、产品纯度高以及环保无害的优势，但是受限于目前耗电量大、成本高的原因，暂时不具备大规模推广应用的能力。

在国家大力补贴的情况下，近年来我国风电和光伏行业发展迅猛，风电和光电价格已经下降到煤电的价格水平上。2019年国内弃风弃光电量总计达215亿千瓦时，在庞大的弃电率下，利用风电、光电将不能贮存的电能转化为氢能贮存起来并应用，这能够消纳更多的电量，降低弃风率和弃光率，而且对于电解水制氢的来说，用电成本也有所下降。

根据2019年《国家发展改革委关于完善风电上网电价政策的通知》内容，2020年l-Ⅳ类资源区符合规划、纳入财政补贴年度规模管理的新核准，陆上风电的指导价分别调整为每千瓦时0.3元、0.3元、0.4元、0.5元，以此电价作为电解水制氢的电价成本可测算出风电电解水制氢每吨成本在2万元左右。

目前，国内氢能的主要应用领域在于传统石油化工生产的原材料、占比达95%，其他的用于可再生能源储能发电和氢能燃料电池为核心的能源架构。根据白皮书的数据预测，预计2030年中国氢气需求量将达到3500万吨，2050年将达到6000万吨，产业链年产值约12万亿元，燃料电池相关的氢能产业链年产值可达到万亿。

短中期来看，由煤制氢的主流工艺受成本和环保压力限制，行业成长几乎渺茫，最终被市场所淘汰。成本较低的工业副产制氢受制于主产物的产能，氢气产能存在上限。长期来看，电价成本下降使得电解水制氢的成本进一步下降，具备高产能、零污染的电解水制氢技术有望成为未来供氢的主流之一。

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