试析车用燃料氢气类型及国内未来技术路线应用趋势

　　摘要：氢气相对燃料电池汽车，就像石油相对于传统燃油车，燃料电池汽车大规模商业化推广离不开氢气的供应，根据我国国情选择适合的大规模制氢方式，是燃料电池汽车产业上游布局中的重要一环。本文在介绍车用氢气标准和制氢技术路线的基础上，试析了国内车用氢气大规模制取可能的路线。

　　氢气标准包括质量、安全、制备和提纯三项，共10项标准

　　国内氢能标准主要由全国氢能标准化技术委员会(SAC/TC309)负责制定，涉及氢能基础与管理、氢工程建设、氢储运与加注、氢能应用、氢相关检测、氢质量、氢安全、氢制备与提纯八个方面。

　　自2005年至今颁布的氢气相关标准有氢质量标准3项、氢安全标准2项和氢制备与提纯标准5项，共10项标准(表1)。其中，车用燃料氢气纯度需达到99.97%。

　　表1 氢能标委会制定氢气相关标准分类及名称

　　(资料来源：五度易链行业研究中心)

　　全球制氢路线主要有五类，化石燃料类共占96%

　　氢气的制取有多种方式，其中化石燃料制氢是当前获取廉价氢气的主要途径，2013年全球氢气生产总量约5500万吨，其中约50%来自天然气蒸汽重整、29%来自炼厂的石脑油重整和各种化工过程尾气、17%来自煤炭气化、3.9%来自电解水制氢、0.1%来自生物制氢等其他途径。其中，由于燃料电池汽车对氢气纯度要求较高，化石燃料路线需加入变压吸附提纯(PSA)工艺，使制取的氢气纯度高于99.97%。

　　图1 全球氢气生产来源比例

　　(资料来源：《中国车用氢能产业发展报告(2018)》)

　　(1)天然气重整制氢工艺简单、应用广泛。该技术主要是通过催化剂的作用，与H₂0或O₂反应生产H₂和CO，在通过变压吸附提纯(PSA)提高H₂纯度。比较成熟的工艺主要出自法国的德西尼布，德国的鲁奇、林德和伍德，英国的福斯特惠勒以及丹麦的托普索。

　　(2)石脑油重整和化工尾气碳氢比值高，H₂来源主要是H₂O。石脑油重整和化工尾气制氢与天然气制氢同属烃类制氢，工艺原理类似，但由于其碳氢比值较高，因此制得氢气的主要来源是H₂O(占69%)，并且伴有炭黑等较多副产品。该工艺美国 Texaco 公司和荷兰 Shell 公司较为先进。

　　(3)以煤为原料的制氢路线工艺复杂、原料成分多，对变压吸附提纯技术(PSA)要求较高。煤为原料制氢的路线主要有煤气化制氢和焦煤炉气制氢，前者技术核心主要是煤气化技术，多采用加压纯氧气流床液态排渣气化工艺，荷兰Shell公司干煤粉气化工艺、美国GE公司水煤浆气化工艺和德国 SIEMENS公司的GSP气化技术应用较为广泛，其中，国内神华宁煤集团采用的是德国SIEMENS公司GSP气化技术;后者焦煤炉气制氢的原料焦炉气，主要是煤炼焦工业的副产可燃气体，氢的含量可达50%以上，采用PSA工艺提取纯氢后，即可获得所需纯度的H2。

　　(4)电解水制氢工艺历史悠久，但制氢成本居高不下。该工艺至今已有110多年历史，技术较为成熟，主要是在含有无机酸或碱金属氢氧化物的水中插入电极，通电后在阴极生成氢气，阳极生成氧气。其制氢效率可达75～85%，工艺简单无污染，但电耗较大，成本中电费占总成本约80%，目前以德国Lurgi公司、挪威Hydro公司以及加拿大多伦多电解槽有限公司工艺较为先进。

　　(5)氯碱工业副产氢易提纯，是低成本H2来源的补充。氯碱工业上用电解饱和Nacl溶液的方法来制取NaOH、CL₂，同时得到副产品H₂。采用PSA吸附提纯，即可获取纯度99～99.999%的高纯度H₂。传统氯碱厂对氢气的利用主要分为两类，一类是收集后与CL₂反应生产HCL产品，另一类则是直接燃烧，提供热能，但由于投资大，更多选择直接放空。收集氯碱厂生产的H₂，即可提高氯碱厂效益，也是H₂来源的一种补充。

　　氯碱厂副产氢可满足当前车用，未来可以煤系路线为主

　　国内的能源结构及产业布局情况，决定了煤制氢、焦煤炉气提纯氢以及氯碱工业副产提纯氢，是目前较为合适的大规模制氢方式。

　　(1)石油和天然气对外依存度高，以煤为原料的路线符合国情。2018年国内一次能源消费结构中，煤炭占总量的66%、石油占19.1%、天然气仅占5.9%，石油和天然气对外依存度较高。因此，全球占比重较高的天然气和石油制氢路线不适合我国的基本国情，而我国煤炭资源丰富，价格相对较低，又由于其工艺复杂、流程较长，因此适合在华北、西部等煤炭资源相对丰富的地区，布局大中型规模制氢装置。同时，2014年国内焦炭产量为4.77亿吨，产生的焦炉气达2000亿m³，如按照50%纯度核算，提纯后可制取1000亿Nm³的H₂,由于世界焦炭生产主要集中在我国，因此焦炉气制氢在国际上没有得到足够的重视，技术开发和工业应用均集中于我国。

　　(2)氯碱厂副产氢价格便宜，当前产量已以可满足汽车市场使用。2016年我国氯碱厂产能为3945万吨、产量3283.9万吨，可产生82.1万吨H₂,，即92亿Nm³H₂，成本仅为1.3 ~1.5元/Nm³，可供万辆燃料电池汽车50万次的300公里里程充能，供应量远远大于目前国内市场上燃料电池汽车的使用量。

　　结语

　　根据我国国情选择适合的大规模制氢方式，是燃料电池汽车产业上游布局中的重要一环。国内制定的氢气标准包括质量、安全、制备和提纯三项，共10项标准，对车用氢气的纯度和安全提出了较高的要求;全球制氢路线主要有天然气、石脑油、煤、电解水和氯碱工业副产等其他制氢方式共五类，其中化石燃料类共占96%;根据我国一次能源消费结构和产业现状判断，氯碱厂副产氢可满足当前车用，未来大规模制氢则以煤系路线为主。