摘要：氫氣相對(duì)燃料電池汽車(chē)，就像石油相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)，燃料電池汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化推廣離不開(kāi)氫氣的供應(yīng)，根據(jù)我國(guó)國(guó)情選擇適合的大規(guī)模制氫方式，是燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上游布局中的重要一環(huán)。本文在介紹車(chē)用氫氣標(biāo)準(zhǔn)和制氫技術(shù)路線(xiàn)的基礎(chǔ)上，試析了國(guó)內(nèi)車(chē)用氫氣大規(guī)模制取可能的路線(xiàn)。

　　氫氣標(biāo)準(zhǔn)包括質(zhì)量、安全、制備和提純?nèi)?xiàng)，共10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)

　　國(guó)內(nèi)氫能標(biāo)準(zhǔn)主要由全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC309)負(fù)責(zé)制定，涉及氫能基礎(chǔ)與管理、氫工程建設(shè)、氫儲(chǔ)運(yùn)與加注、氫能應(yīng)用、氫相關(guān)檢測(cè)、氫質(zhì)量、氫安全、氫制備與提純八個(gè)方面。

　　自2005年至今頒布的氫氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有氫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)、氫安全標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)和氫制備與提純標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，共10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。其中，車(chē)用燃料氫氣純度需達(dá)到99.97%。

　　表1 氫能標(biāo)委會(huì)制定氫氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)及名稱(chēng)

　　(資料來(lái)源：五度易鏈行業(yè)研究中心)

　　全球制氫路線(xiàn)主要有五類(lèi)，化石燃料類(lèi)共占96%

　　氫氣的制取有多種方式，其中化石燃料制氫是當(dāng)前獲取廉價(jià)氫氣的主要途徑，2013年全球氫氣生產(chǎn)總量約5500萬(wàn)噸，其中約50%來(lái)自天然氣蒸汽重整、29%來(lái)自煉廠的石腦油重整和各種化工過(guò)程尾氣、17%來(lái)自煤炭氣化、3.9%來(lái)自電解水制氫、0.1%來(lái)自生物制氫等其他途徑。其中，由于燃料電池汽車(chē)對(duì)氫氣純度要求較高，化石燃料路線(xiàn)需加入變壓吸附提純(PSA)工藝，使制取的氫氣純度高于99.97%。

　　圖1 全球氫氣生產(chǎn)來(lái)源比例

　　(資料來(lái)源：《中國(guó)車(chē)用氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2018)》)

　　(1)天然氣重整制氫工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛。該技術(shù)主要是通過(guò)催化劑的作用，與H₂0或O₂反應(yīng)生產(chǎn)H₂和CO，在通過(guò)變壓吸附提純(PSA)提高H₂純度。比較成熟的工藝主要出自法國(guó)的德西尼布，德國(guó)的魯奇、林德和伍德，英國(guó)的福斯特惠勒以及丹麥的托普索。

　　(2)石腦油重整和化工尾氣碳?xì)浔戎蹈撸琀₂來(lái)源主要是H₂O。石腦油重整和化工尾氣制氫與天然氣制氫同屬烴類(lèi)制氫，工藝原理類(lèi)似，但由于其碳?xì)浔戎递^高，因此制得氫氣的主要來(lái)源是H₂O(占69%)，并且伴有炭黑等較多副產(chǎn)品。該工藝美國(guó) Texaco 公司和荷蘭 Shell 公司較為先進(jìn)。

　　(3)以煤為原料的制氫路線(xiàn)工藝復(fù)雜、原料成分多，對(duì)變壓吸附提純技術(shù)(PSA)要求較高。煤為原料制氫的路線(xiàn)主要有煤氣化制氫和焦煤爐氣制氫，前者技術(shù)核心主要是煤氣化技術(shù)，多采用加壓純氧氣流床液態(tài)排渣氣化工藝，荷蘭Shell公司干煤粉氣化工藝、美國(guó)GE公司水煤漿氣化工藝和德國(guó) SIEMENS公司的GSP氣化技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，其中，國(guó)內(nèi)神華寧煤集團(tuán)采用的是德國(guó)SIEMENS公司GSP氣化技術(shù);后者焦煤爐氣制氫的原料焦?fàn)t氣，主要是煤煉焦工業(yè)的副產(chǎn)可燃?xì)怏w，氫的含量可達(dá)50%以上，采用PSA工藝提取純氫后，即可獲得所需純度的H2。

　　(4)電解水制氫工藝歷史悠久，但制氫成本居高不下。該工藝至今已有110多年歷史，技術(shù)較為成熟，主要是在含有無(wú)機(jī)酸或堿金屬氫氧化物的水中插入電極，通電后在陰極生成氫氣，陽(yáng)極生成氧氣。其制氫效率可達(dá)75～85%，工藝簡(jiǎn)單無(wú)污染，但電耗較大，成本中電費(fèi)占總成本約80%，目前以德國(guó)Lurgi公司、挪威Hydro公司以及加拿大多倫多電解槽有限公司工藝較為先進(jìn)。

　　(5)氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫易提純，是低成本H2來(lái)源的補(bǔ)充。氯堿工業(yè)上用電解飽和Nacl溶液的方法來(lái)制取NaOH、CL₂，同時(shí)得到副產(chǎn)品H₂。采用PSA吸附提純，即可獲取純度99～99.999%的高純度H₂。傳統(tǒng)氯堿廠對(duì)氫氣的利用主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是收集后與CL₂反應(yīng)生產(chǎn)HCL產(chǎn)品，另一類(lèi)則是直接燃燒，提供熱能，但由于投資大，更多選擇直接放空。收集氯堿廠生產(chǎn)的H₂，即可提高氯堿廠效益，也是H₂來(lái)源的一種補(bǔ)充。

　　氯堿廠副產(chǎn)氫可滿(mǎn)足當(dāng)前車(chē)用，未來(lái)可以煤系路線(xiàn)為主

　　國(guó)內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)布局情況，決定了煤制氫、焦煤爐氣提純氫以及氯堿工業(yè)副產(chǎn)提純氫，是目前較為合適的大規(guī)模制氫方式。

　　(1)石油和天然氣對(duì)外依存度高，以煤為原料的路線(xiàn)符合國(guó)情。2018年國(guó)內(nèi)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭占總量的66%、石油占19.1%、天然氣僅占5.9%，石油和天然氣對(duì)外依存度較高。因此，全球占比重較高的天然氣和石油制氫路線(xiàn)不適合我國(guó)的基本國(guó)情，而我國(guó)煤炭資源豐富，價(jià)格相對(duì)較低，又由于其工藝復(fù)雜、流程較長(zhǎng)，因此適合在華北、西部等煤炭資源相對(duì)豐富的地區(qū)，布局大中型規(guī)模制氫裝置。同時(shí)，2014年國(guó)內(nèi)焦炭產(chǎn)量為4.77億噸，產(chǎn)生的焦?fàn)t氣達(dá)2000億m3，如按照50%純度核算，提純后可制取1000億Nm3的H₂,由于世界焦炭生產(chǎn)主要集中在我國(guó)，因此焦?fàn)t氣制氫在國(guó)際上沒(méi)有得到足夠的重視，技術(shù)開(kāi)發(fā)和工業(yè)應(yīng)用均集中于我國(guó)。

　　(2)氯堿廠副產(chǎn)氫價(jià)格便宜，當(dāng)前產(chǎn)量已以可滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)使用。2016年我國(guó)氯堿廠產(chǎn)能為3945萬(wàn)噸、產(chǎn)量3283.9萬(wàn)噸，可產(chǎn)生82.1萬(wàn)噸H₂,，即92億Nm³H₂，成本僅為1.3 ~1.5元/Nm3，可供萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)50萬(wàn)次的300公里里程充能，供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上燃料電池汽車(chē)的使用量。

　　結(jié)語(yǔ)

　　根據(jù)我國(guó)國(guó)情選擇適合的大規(guī)模制氫方式，是燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上游布局中的重要一環(huán)。國(guó)內(nèi)制定的氫氣標(biāo)準(zhǔn)包括質(zhì)量、安全、制備和提純?nèi)?xiàng)，共10項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車(chē)用氫氣的純度和安全提出了較高的要求;全球制氫路線(xiàn)主要有天然氣、石腦油、煤、電解水和氯堿工業(yè)副產(chǎn)等其他制氫方式共五類(lèi)，其中化石燃料類(lèi)共占96%;根據(jù)我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀判斷，氯堿廠副產(chǎn)氫可滿(mǎn)足當(dāng)前車(chē)用，未來(lái)大規(guī)模制氫則以煤系路線(xiàn)為主。