于蓬，王健，鄭金鳳*，張亮修，王恒元

氫能利用與發(fā)展綜述*

于蓬1，王健2，鄭金鳳1*，張亮修1，王恒元3

（1.山東明宇新能源技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 271100；2.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；3.淄博齊塑環(huán)保科技有限公司，山東 淄博 255411）

氫能作為一種重要的二次能源，具有來源廣泛、制取方便、能量密度高、綠色環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)。如何進(jìn)行氫能源的大規(guī)模應(yīng)用是目前政策、行業(yè)及企業(yè)研究的熱點(diǎn)。文章針對(duì)氫能的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用進(jìn)行概述，對(duì)氫能利用中各個(gè)環(huán)節(jié)的成本、能耗、效率等方面進(jìn)行分析，為政策制定、行業(yè)規(guī)劃及企業(yè)轉(zhuǎn)型提供一定參考。

制氫；儲(chǔ)氫；燃料電池；熱電聯(lián)供

引言

當(dāng)今世界，為了解決能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重以及人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求等問題，對(duì)潔凈新能源和可再生能源的開發(fā)成為21世紀(jì)人類面臨的首要問題。氫氣作為一種清潔、安全、高效、可再生的能源，是人類擺脫對(duì)“三大能源”依賴的最經(jīng)濟(jì)、最有效的替代能源之一[1]。同時(shí)，氫能作為一種潔凈的能源載體，具有利用率高、燃燒熱值高、能量密度大、存在廣泛以及可儲(chǔ)可輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家更是將氫能規(guī)劃上升到國家能源戰(zhàn)略高度，氫能開發(fā)與利用已成為發(fā)達(dá)國家能源體系中的重要組成部分。

日本是資源短缺型國家，故而非常積極的探索石油以外的其他能源，日本是氫能源發(fā)展最為積極的推動(dòng)者，其氫能研究一直走在世界最前端。澳大利亞作為世界上最大的煤炭出口國和第二大液化天然氣出口國也開始計(jì)劃以太陽能、風(fēng)能制氫，并向東亞地區(qū)出口液氫，打造下一個(gè)能源出口產(chǎn)業(yè)，目標(biāo)是到2030年在中、日、韓、新加坡4國開發(fā)70億美元市場[2]。

我國也正在大力發(fā)展氫能源，自2011年以來，我國政府有關(guān)部門從戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技、財(cái)政等方面相繼發(fā)布了一系列政策，引導(dǎo)并鼓勵(lì)氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2016年江蘇省如皋市被聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署命名為“中國氫經(jīng)濟(jì)示范城市”；2017年佛山市建成國內(nèi)首個(gè)商業(yè)化運(yùn)營加氫站；2018年經(jīng)國家能源集團(tuán)牽頭成立了“中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”；2019年山東省計(jì)劃在濟(jì)南建設(shè)“中國氫谷”并啟動(dòng)山東氫能源中長期發(fā)展規(guī)劃方案編制。從長遠(yuǎn)來看，氫能可以從根本上解決人類未來的能源安全問題。

1 氫氣的制備

表1 氫氣不同制取工藝的比較

制氫的方法非常多，無論是一次能源還是二次能源都可以制取氫氣。目前，氫氣的制取路線主要有四大類：一是電解水制氫，其制取的氫氣純度可達(dá)99.7%；二是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫；三是以焦?fàn)t煤氣、氯堿工業(yè)為代表的工業(yè)副產(chǎn)提純制氫；四是利用可再生能源制氫。各工藝的對(duì)比如表1所示。

由表1整體分析，甲醇裂解制氫是一種經(jīng)濟(jì)的制氫方式，雖然其生產(chǎn)規(guī)模小，但原材料易得、投資成本低、并且經(jīng)過變壓吸附凈化后的氫氣純度可高達(dá)99.99%，作為氫氣間斷性、補(bǔ)充性的制造是完全可以的。另外，可再生能源制氫一直是各國大力研究發(fā)展的項(xiàng)目，它可以利用棄風(fēng)、棄光等能源，從而減少了能源的浪費(fèi)，是未來制氫行業(yè)中最具潛力和前途的工藝。

2 氫氣的儲(chǔ)存

儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能源的應(yīng)用瓶頸，主要在于需提高儲(chǔ)氫密度，降低儲(chǔ)氫成本，提高充放氫速度[3]。氫氣的儲(chǔ)存直接影響到氫能的應(yīng)用[4]。目前，氫氣的儲(chǔ)存主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、固體儲(chǔ)氫三種方式。其中高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成熟，是目前最普遍、最常用的儲(chǔ)氫方式；液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫以高儲(chǔ)氫量、安全性好、循環(huán)性能好等優(yōu)勢(shì)在眾多的儲(chǔ)氫方式中脫穎而出[5]，是現(xiàn)階段全球研發(fā)的重點(diǎn)；固體儲(chǔ)氫法由于其安全性高、儲(chǔ)氫密度高，從而成為新一代儲(chǔ)氫技術(shù)[6]。氫氣不同儲(chǔ)存方式的比較如表2所示。

表2 氫氣不同儲(chǔ)存方式的比較

綜合表2以及現(xiàn)階段國內(nèi)儲(chǔ)氫行業(yè)的分析，高壓儲(chǔ)氫技術(shù)相對(duì)比較成熟且生產(chǎn)成本較低是目前國內(nèi)主流的儲(chǔ)氫技術(shù)，但并非最優(yōu)技術(shù)。筆者認(rèn)為有機(jī)物液體儲(chǔ)氫是一種最佳的儲(chǔ)氫技術(shù)，相比于其它儲(chǔ)氫技術(shù)而言，有機(jī)物液體儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高以及獨(dú)一無二的安全性、運(yùn)輸便利性，若重點(diǎn)攻克該技術(shù)存在的難題，其發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景都將是巨大的。

3 氫氣的運(yùn)輸

氫氣的運(yùn)輸方式主要有4種：1、高壓氣態(tài)輸氫主要有長管拖車運(yùn)輸和管道運(yùn)輸兩種方式，當(dāng)前長管拖車運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)較為成熟是近距離運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，管道運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離輸送的方式；2、液態(tài)輸氫可以滿足運(yùn)輸量大的要求液氫槽罐車運(yùn)輸在國外應(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)目前僅用于航天及軍事領(lǐng)域；3、有機(jī)液體輸氫在儲(chǔ)氫密度和儲(chǔ)運(yùn)便利性上兼具優(yōu)勢(shì)，但存在催化劑成本和效率難以兼容、裝置復(fù)雜等問題，并不是氫氣的主流運(yùn)輸方式；4、目前對(duì)于固體儲(chǔ)氫材料的研究還處于探索和改進(jìn)階段，其原料成本也較高，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；倪\(yùn)輸仍然面臨著挑戰(zhàn)[7]。氫氣不同運(yùn)輸方式的成本、能耗等比較如圖1所示。

圖1 氫氣不同運(yùn)輸方式的比較

綜合圖(a)對(duì)氫氣運(yùn)輸過程的能量損耗、運(yùn)輸壓力和儲(chǔ)氫密度的對(duì)比以及圖(b)中各運(yùn)輸距離與運(yùn)輸成本的對(duì)比，筆者認(rèn)為在氫能大規(guī)模的占據(jù)市場的前提下，管道運(yùn)輸是一種涵蓋范圍最廣、最便利的輸氫方式，在運(yùn)輸效率和運(yùn)輸成本上都具其他運(yùn)輸方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。管道運(yùn)輸雖然一次性投入建設(shè)資金較高，但從長遠(yuǎn)來看這種運(yùn)輸方式可以大大降低運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)長距離、大規(guī)模的運(yùn)輸。

4 氫能的應(yīng)用

4.1 氫能熱電聯(lián)供系統(tǒng)

燃料電池是氫能應(yīng)用中最重要的形式，主要是以氫燃料電池系統(tǒng)作為建筑、社區(qū)等的供能載體和備用能源。微型燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置是氫能固定式應(yīng)用的重要分支，也是一種備受關(guān)注的新型分布式能源技術(shù)[8]。日本是世界上推廣商業(yè)燃料電池利用系統(tǒng)規(guī)模化最大且最成功的國家，自20世紀(jì)末，日本就開始進(jìn)行燃料電池基礎(chǔ)研究，2004年生產(chǎn)出示范產(chǎn)品，2009年政府開始加大產(chǎn)品購買補(bǔ)貼與基礎(chǔ)研究力度加速推進(jìn)了商業(yè)化，目前已形成完整的家用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈，為各國展示了一條清晰的發(fā)展路線[9]。

4.2 氫能源汽車

氫燃料電池汽車是目前最主要的交通利用方式，近兩年氫能燃料電池汽車的發(fā)展受到各界重視，逐漸成為資本和企業(yè)追逐的熱點(diǎn)，豐田、本田等公司都宣布實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車商業(yè)化。氫能作為汽車內(nèi)燃機(jī)的直接燃料主要有兩種，一是直接使用氫氣作為燃料的全氫發(fā)動(dòng)機(jī)，二是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃料（如汽油、柴油）中摻入微量氫氣燃燒[10]。與傳統(tǒng)燃油車相比，燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中具有冷啟動(dòng)性能好、熱量損失小、能源轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)；與純電動(dòng)車相比，燃料電池車的續(xù)航里程更遠(yuǎn)，燃料加注時(shí)間也更短。然而燃料電池氣車仍然存在著制造成本與使用成本高昂的缺點(diǎn)。

我國對(duì)于燃料電池的研究起步晚、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，氫經(jīng)濟(jì)相關(guān)技術(shù)與國外相比存在一定差距，但政府、學(xué)界和企業(yè)都高度關(guān)注氫能源汽車的研發(fā)和生產(chǎn)，中央和各地政府陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)扶持和補(bǔ)貼政策鼓勵(lì)氫能源汽車的發(fā)展，預(yù)計(jì)2030年左右可以實(shí)現(xiàn)氫能源汽車大規(guī)模的推廣和市場化。

5 結(jié)語

通過分析可得到如下結(jié)論：制氫方面，短期優(yōu)先選用工業(yè)副產(chǎn)氫，中期采用化石能源制氫結(jié)合碳捕捉技術(shù)，長期采用可再生能源電解水制氫；儲(chǔ)氫方面，短中期可采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)存，中長期推薦液態(tài)儲(chǔ)氫，固態(tài)儲(chǔ)氫可作為補(bǔ)充用于氫氣回收；運(yùn)輸方面，短期采用長管拖車運(yùn)輸，中期采用液態(tài)槽車運(yùn)輸，長期宜采用液態(tài)海運(yùn)及氣態(tài)管道運(yùn)輸；用氫方面，除了傳統(tǒng)的作為化工原料及儲(chǔ)能應(yīng)用外，結(jié)合當(dāng)前同時(shí)興起的燃料電池技術(shù)，將集中在交通領(lǐng)域的氫能車輛和建筑領(lǐng)域的氫能環(huán)保住宅兩個(gè)方面。交通領(lǐng)域?qū)⑹巧逃密嚽腥?、乘用車跟進(jìn)，建筑領(lǐng)域?qū)⑹琴|(zhì)子交換膜型燃料電池切入，固體氧化物型燃料電池跟進(jìn)?？傊?，目前氫能的大規(guī)模利用將有助我國提早進(jìn)入能源自給自足的氫能社會(huì)。

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Review on hydrogen energy utilization and development*

Yu Peng1, Wang Jian2, Zheng Jingfeng1*, Zhang Liangxiu1, Wang Hengyuan3

( 1.Shandong Mingyu New Energy Technology Co., Ltd., Shandong Jinan 250000; 2.Shandong Jiao Tong University School of Automotive Engineering, Shandong Jinan 250357;3.Zibo Qisu Environmental Protection Technology Co., Ltd. Shandong Zibo 255411 )

As an important secondary energy, hydrogen energy has the advantages of wide range of sources, such as convenient preparation, high energy density, green environmental protection and no pollution. How to carry out the large-scale application of hydrogen energy is the focus of policy, industry and enterprise research. This paper summarizes the preparation, storage, transportation and use of hydrogen energy, and analyzes the cost, energy consumption and efficiency of each link in the utilization of hydrogen energy, so as to provide some reference for policy making, industry planning and enterprise transformation.

Hydrogen production; Hydrogen storage; Fuel cell; Cogeneration

TK91

A

1671-7988(2019)24-22-04

TK91

A

1671-7988(2019)24-22-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.008

于蓬（1986-），男，山東濟(jì)南人，博士，總經(jīng)理，就職于山東明宇新能源技術(shù)有限公司，主要研究方向?yàn)闅淠茉串a(chǎn)品集成及產(chǎn)業(yè)化。

鄭金鳳（1995-），女，山東濟(jì)南人，工程師，就職于山東明宇新能源技術(shù)有限公司，主要研究方向?yàn)闅錃庵苽?、檢測與應(yīng)用。

山東重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017GGX50109）；山東交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃（2018B66）；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J17KB024）。