一文读懂氢能应用

目前，制氢技术主要有传统能源和生物质的化学重整、水的电解和光解。其中，天然气制氢是现今最主流的形式，但电解水制氢的可提升空间更为广阔。煤气化制氢和天然气重整制氢的CO₂ 排放量均较高，对环境不友好， 为了实现“3060”的目标，化石燃料制取氢气越来越不可持续。而电解水制氢是可持续和低排放的，会成为未来氢气制取的主流方式。

从成本角度分析：主流制氢方法中，化石燃料制氢的成本最低，而电解水制氢成本目前远高于石化燃料

①煤炭制氢：以煤在蒸汽条件下气化产生含氢和一氧化碳的合成气，合成气经变换和分离制得氢，可以制取纯度大于99%的氢气。氢气成本在 10~15 元/kg。

②天然气、石油：天然气、石油产品生成一氧化碳同水的合成气，然后通过 PSA 法或膜法分离法转化为二氧化碳和氢气，从而制取高纯度氢气。此方法产生的氢气成本与煤炭类似。

③甲醇、氨：甲醇裂解制氢、氨分解制氢等都属于含氢化合物高温热分解制氢含氢化合物由一次能源制得。

④工业尾气制氢：有合成氨生产尾气;炼油厂回收富氢气体制氢;氯碱厂回收副产氢制氢;焦炉煤气中氢的回收利用。平均成本8-14元/kg。

⑤电解水制氢：目前每生产1m3常温常压氢气(1m3氢气约为0.09kg)需要消耗电能大约 5~5.5kWh，采用最便宜的谷电制氢(如 0.3 元/kWh)，加上电费以外的固定成本(约 0.3~0.5 元/m3)， 综合成本在 1.8~2.0 元/m3，即制氢成本为 20~22元/kg。

根据发改委能源所得研究得出数据：如果利用当前的可再生能源弃电制氢，弃电按 0.1 元/kWh计算，则制氢成本可下降至约 10 元/kg，这和煤制氢或天然气制氢的价格相当;但是电价如果按照2017年的全国大工业平均电价0.6元/kWh 计算，则制氢成本约为35-37元/kWh，成本远高于其他制氢方式。

表1 制氢成本(发改委能源所数据)

根据光大证券提供的资料显示目前主要的制氢原料95%以上来源于传统能源的化学重整(48%来自天然气重整、 30%来自醇类重整， 18%来自焦炉煤气)， 4%左右来源于电解水。

另外，由于日本的氢能利用走在世界的前端。日本盐水电解产能占所有制氢产能的 63%，此外产能占比较高的还包括天然气改制(8%)、乙烯制氢(7%)、焦炉煤气制氢(6%)和甲醇改质(6%)。

那么氢气生产出来到底可以干什么用?

氢能---即利用氢气和氧气(空气)在特定环境中进行化学反应，释放出电能和热能。

阳极：2H2-4e→4H+

阴极：O2+4e+4H+→2H2O

图1 燃料电池

这里所说的“特定环境”所指的就是燃料电池。(如图1)

燃料电池是将燃料(氢气)与氧化剂(空气中的氧气)的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池理论上可在接100%的热效率下运行，实际接近60-80%的效率, 具有很高的经济性。

此外，燃料电池装置不含或含有很少的运动部件，工作可靠，较少需要维修，且比传统发电机组安静。另外电化学反应清洁、完全，不产生有害物质。所有这一切都使得燃料电池被视作是一种很有发展前途的能源动力装置【1】

2019 年两会期间，氢能被首次写入政府工作报告，---“继续执行新能源汽车购置优惠政策，推动充电、加氢等设施建设”。对于氢能来讲，这是第一次在国家政府工作报告中单独提出，具有重大意义。

谈起燃料电池技术很多人会认为是一个全新的“高大上”的但未必成熟的技术。其实不然，燃料电池很早就在军事领域得到了应用和研究。20世纪60年代。由于载人航天器对于大功率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电池才引起一些国家与军工部门的高度重视。

美国研制成功阿波罗登月飞船上的主电源一培根型中温氢氧燃料电池。20世纪70～80年代，由于出现世界性的能源危机和燃料电池在航天上成功应用及其高的能量转化效率。促使世界上以美国为首的发达国家大力支持民用燃料电池的开发。【4】

如果对海军兵器感兴趣的读者，一定会了解现代德国海军的212A级和214级AIP(Air Independence Power)不依赖空气推进装置技术潜艇。这两个级别的潜艇就使用了氢能燃料电池技术。

图2 燃料电池潜艇

1980年代西门子公司开始研究PEMFC(质子交换膜燃料电池---该电池是当前主流的燃料电池)作电源的AIP(不依赖空气动力装置)潜艇时至今日，德国AIP技术已经相当成熟与完善，2003年4月7日试航了投资达27.6亿德国马克的212A型U31潜艇，这是世界上第一艘现代化的AIP质子交换膜燃料电池潜艇。

U31采用由燃料电池和柴一电动力系统组成的混合动力系统，其中燃料电池动力系统总功率306kW，具有体积小，无腐蚀，功率密度大，使用寿命长，不用空气等特点。U31用燃料电池提供的动力驱动时，可在水下连续潜行3周。【2】

在民用领域，氢燃料电池在重型交通领域，具有明显的优势。根据国泰君安的研究表明：随着车重和续航的提升，燃料电池汽车成本将逐步接近甚至低于纯电动汽车。

轻型客运方面，续航里程在 600 公里以内，纯电动汽车的成本要明显低于氢燃料电池汽车，但在600公里以上，电动汽车的成本大幅上升，超过燃料电池汽车成本。重型货运方面，续航里程 400公里以上，燃料电池汽车成本将显著低于纯电动汽车成本。因此，相对锂电池氢燃料电池在重型交通领域，具有更强的技术适应性。

图3 燃料电池客车

如图3燃料电池的电动客车，氢气瓶布置在车辆顶部，氢气本身无毒，但具有极强的扩散能力，任何泄漏的氢气将容易被周围的空气稀释所以不易被察觉。这样一方面便于泄漏时能够快速扩散。另一方面，泄漏的氢气不会扩散到乘客区和其他电气集中区域，避免爆炸的危险。布置在车顶还能提升整体的空间利用率。

上述介绍的潜艇还是燃料电池汽车，燃料电池都不是唯一的动力源。燃料电池潜艇包括传统的柴油机、锂电池组、燃料电池组三种动力。燃料电池汽车包括燃料电池和锂电池。(如图4所示)

图4 燃料电池汽车系统原理图

为什么这么设计?因为燃料电池“慢”。燃料电池的输出受限于诸多因素，由于有气体参与反应，燃料电池的输出特性很“软”，它无法应对剧烈的功率需求变化。

比如驾驶员频繁踩油门，系统加大氢气输出量，压力提高，电流密度逐渐提高，同时电压却在下降，不仅响应慢，变化的电压也影响了整个电系统的效率。如图5所示，为一台额定功率55kW燃料电池从启动到最大功率的输出仿真曲线，需要差不多20-25s的时间才能达到最大额定功率。

由于“慢”所以燃料电池很难像电池或者发动机那样成为电动汽车的单一能量源。在实际设计中，一般燃料电池会与蓄电池或者超级电容组成电-电混合动力系统。依靠输出更稳定，响应更快的蓄电池来满足高频的动力需求，而让燃料电池尽量平稳输出【3】。换句话说，锂电池用来加速，燃料电池用来维持速度。

图5 燃料电池功率-时间曲线