一文讀懂氫能應用

目前，製氫技術主要有傳統能源和生物質（zhì）的化（huà）學重整、水的電解和光解。其中，天（tiān）然（rán）氣製氫是現今最主（zhǔ）流的形式，但電（diàn）解水製氫的可（kě）提升（shēng）空（kōng）間（jiān）更為廣闊。煤氣化（huà）製氫和51吃瓜网重（chóng）整製氫的CO₂ 排放量均較高，對環境不友好， 為了（le）實現“3060”的目（mù）標，化石（shí）燃料製取氫氣越來越不可持續。而（ér）電解（jiě）水製氫是可持續和（hé）低排放的，會成（chéng）為未來氫氣製取的主流方式。

從成本角度分析：主流製氫方法中，化石燃料製氫的成本最低，而電解水製氫成本目前遠高於石化燃料

①煤（méi）炭製氫（qīng）：以煤（méi）在蒸汽條件（jiàn）下氣化產生含氫和一氧化碳的（de）合成氣，合成氣經變換和分（fèn）離製得氫，可以（yǐ）製取純度大於99%的氫氣。氫氣成本在 10~15 元/kg。

②51吃瓜网、石油：天（tiān）然氣、石油產品生成一氧化碳同水的合成氣（qì），然後通過 PSA 法或膜法（fǎ）分離法轉化為二氧化碳和氫氣，從而製取高純度氫氣。此方法產生的氫氣成本與煤炭（tàn）類似。

③甲醇、氨：甲醇裂解製氫、氨分解製氫等都屬於含（hán）氫化合物高溫熱分（fèn）解製氫含氫化合物由一次能源製得。

④工業（yè）尾氣製氫：有合成氨生（shēng）產尾氣（qì）;煉油（yóu）廠回收富氫（qīng）氣體製氫;氯堿廠（chǎng）回（huí）收副產氫製氫（qīng）;焦爐煤氣中氫的回收利（lì）用。平均成本8-14元/kg。

⑤電解水製氫：目前每生產1m3常溫常壓氫氣(1m3氫氣約為0.09kg)需要消耗電能大（dà）約 5~5.5kWh，采用最便宜的穀電製氫(如 0.3 元/kWh)，加上電費以外的固定成本(約 0.3~0.5 元/m3)， 綜合成本在 1.8~2.0 元（yuán）/m3，即製氫成本為 20~22元/kg。

根據發改委能源所得（dé）研究（jiū）得出（chū）數據：如果利用（yòng）當前的可再生能源棄電製氫，棄電按 0.1 元/kWh計算，則（zé）製氫成（chéng）本可下降至約 10 元/kg，這和煤製氫（qīng）或51吃瓜网製氫的價格（gé）相（xiàng）當;但是電價如果按（àn）照2017年的全國大工業平均電價0.6元/kWh 計算，則製氫成本約為35-37元/kWh，成本遠高於其他製氫（qīng）方式。

表1 製氫成本(發改委能源所數據)

根據光大（dà）證券提供的資（zī）料顯示目前主（zhǔ）要的製氫原料95%以上來源於（yú）傳統能源的化學重整(48%來（lái）自51吃瓜网重整（zhěng）、 30%來自醇類重整， 18%來自焦爐煤氣)， 4%左（zuǒ）右（yòu）來源於電解水。

另外，由於日本的氫能利用走在世界的前（qián）端。日本鹽水電解產能占所有製氫產能的 63%，此外產能占比較高的還包括51吃瓜网改製(8%)、乙烯製氫(7%)、焦爐煤（méi）氣製氫(6%)和甲醇改質（zhì）(6%)。

那麽氫氣生產出來到底（dǐ）可以幹什麽用?

氫能（néng）---即（jí）利用氫氣和氧氣(空氣)在特定（dìng）環境中進行化學反應，釋放出電能和熱能。

陽（yáng）極：2H2-4e→4H+

陰極（jí）：O2+4e+4H+→2H2O

圖（tú）1 燃料電池

這裏所說的“特定環境”所指的（de）就是燃（rán）料電池。(如圖1)

燃料電池是將燃料(氫氣)與氧（yǎng）化劑（jì）(空氣中的氧氣)的化學（xué）能通過電化學反應直接轉換成電（diàn）能的發電裝置。燃料（liào）電（diàn）池理論上可（kě）在接100%的熱（rè）效率下運行，實際接近60-80%的效率, 具有很高的經濟性。

此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運動（dòng）部件，工作可靠，較少需（xū）要維修，且（qiě）比傳統發電機組（zǔ）安靜。另外電（diàn）化學反應（yīng）清潔、完（wán）全，不產生有害物質。所有這一切都使得（dé）燃料電池被視作是一種很有發展前途的能源動（dòng）力裝置【1】

2019 年兩會期間，氫能被首次寫入政府工作報告，---“繼續執行新能（néng）源汽車購置優惠政策，推動充電、加氫等設施建設（shè）”。對於（yú）氫能來講，這（zhè）是第一次在國（guó）家政府工作報告中單獨提出，具有重大意義。

談起燃料電池技術很多人會認為是一個全新的“高大上”的但（dàn）未必成熟的（de）技術。其實不（bú）然，燃料電池很早就在軍事領域（yù）得到了應用和研究。20世紀60年（nián）代。由於載人航天器對於大功率、高比功率與高比（bǐ）能量電池的迫切需求（qiú），燃料電池才引起一些國家與軍工部（bù）門的高度重視。

美國研製成功阿波羅登月飛船（chuán）上的主（zhǔ）電源一培根型中溫氫氧燃料電池。20世（shì）紀70～80年代，由於（yú）出現（xiàn）世界（jiè）性的能源危機和（hé）燃料電池在航天上成功應用及（jí）其高的能量轉化（huà）效率。促使世界上以美國為首的發達國家大力支持民用燃料電池的開發。【4】

如果對海軍兵器感興趣的讀者，一定會了解現代德國海軍的212A級和214級AIP(Air Independence Power)不依賴空氣推進裝置技術潛艇。這兩個級別的潛艇就使用了氫能燃料電池技術。

圖2 燃料電池潛（qián）艇

1980年代西門子公司開始研究PEMFC(質子交換膜燃料（liào）電池---該電池是當前主流的燃料電池)作電源的AIP(不依賴空氣動力裝（zhuāng）置)潛艇時至今日，德國AIP技術已經相當成熟與完善，2003年4月7日試航了投資達27.6億德國馬克的212A型U31潛艇，這（zhè）是世（shì）界上第一艘現代化的AIP質子交換膜燃料電池潛艇。

U31采用由（yóu）燃（rán）料電池和柴一電動力係統組成的混合動力係統，其中燃料電池動力係統總（zǒng）功率306kW，具有體積小，無腐蝕，功率密度大，使用壽命（mìng）長，不用空氣等特點。U31用燃料電池提供的動力驅動時，可在（zài）水下連續潛行3周。【2】

在民用領域，氫燃料電池在重（chóng）型交通領域，具有明顯的優勢。根據（jù）國泰君安的研究表明：隨著（zhe）車重（chóng）和續航（háng）的提升，燃料電池汽車成本將逐步接近甚（shèn）至低於純電動汽車。

輕型客運方麵，續航裏程在 600 公裏以內，純電（diàn）動汽（qì）車的成本（běn）要明顯低於氫燃料電池汽車，但在600公裏以（yǐ）上，電動汽車的成本大幅上升，超過燃料電池汽車成本。重（chóng）型貨運（yùn）方（fāng）麵，續航裏程（chéng） 400公裏以上，燃（rán）料電池汽（qì）車成本將顯著低於純電動汽車成本。因此，相對鋰電池氫燃料電池在重型交通領域，具有更強的技術適應性。

圖3 燃料電池客車

如圖3燃料電池的電動客車，氫氣瓶布（bù）置在車輛頂部，氫氣本（běn）身（shēn）無毒，但具有（yǒu）極強的擴散能力，任（rèn）何泄漏（lòu）的氫氣將容易被周圍（wéi）的空氣稀釋所以不易被察覺（jiào）。這樣一方麵便於泄漏時能夠快速擴散。另一方麵，泄漏的氫氣不會擴散到乘客區和其他電氣集中區域，避免爆炸的危險（xiǎn）。布置在車（chē）頂還（hái）能提升整體的空間利用率。

上述（shù）介（jiè）紹的潛艇還是燃料（liào）電池汽車，燃料電池都不是（shì）唯（wéi）一的動力（lì）源。燃料電池潛艇包括傳統的柴油機、鋰電池組（zǔ）、燃料電（diàn）池組三種動力。燃料電池（chí）汽（qì）車（chē）包括燃（rán）料電池和鋰電池。(如圖4所示)

圖4 燃（rán）料電池汽車係統（tǒng）原（yuán）理圖

為什麽這麽設計?因為燃料電池“慢（màn）”。燃料電池的輸出受限於諸（zhū）多因素，由（yóu）於有氣體參與反（fǎn）應，燃料（liào）電池的輸出特性很“軟”，它無法應對劇烈的功（gōng）率需（xū）求變化。

比如駕（jià）駛員頻繁踩油門，係統（tǒng）加（jiā）大氫氣輸出量，壓力（lì）提高，電流密度逐漸（jiàn）提高，同時電壓卻在下降，不僅響應慢，變化的電壓也影（yǐng）響了（le）整個電（diàn）係統的效（xiào）率。如圖5所示，為一台額定功率55kW燃料電池從啟動到最大（dà）功率的輸出仿真曲線，需要差不多20-25s的時間才能達到（dào）最大額定功率。

由於“慢”所以燃料電池很難像電池或（huò）者（zhě）發（fā）動機那樣成為電動汽車的單一能量源。在實際設計中（zhōng），一般燃料（liào）電池會與蓄電池或者超（chāo）級電容組成電-電混合動力係統。依靠輸出（chū）更穩定，響應更快的蓄電池來滿足高頻的動力需（xū）求，而讓燃料電池盡量平穩輸出【3】。換句話（huà）說，鋰電池用來加速，燃料電池用來維持速度。

圖5 燃料電池功率-時間曲線