氨分解制氢（一文读懂氢能应用）

氨分解制氢(读《氢能的应用》一文)

氢气是如何制备的，它的来源是什么？因为大气的成分中不含氢气，所以不能通过简单的空气体分离直接获得氢气。需要通过准备来获得。

目前，制氢技术主要包括传统能源和生物质的化学转化、水的电解和光解。其中，天然气制氢是目前最主流的形式，但电解水制氢的范围更广。煤气化和天然气重整都有很高的CO排放，对环境不友好。为了实现“3060”的目标，用化石燃料制氢越来越不可持续。电解水制氢具有可持续性和低排放性，将成为未来制氢的主流方式。从成本上看:在主流的制氢方法中，化石燃料制氢成本最低，而电解水制氢成本远高于化石燃料①煤:煤在蒸汽条件下气化，产生含有氢气和一氧化碳的合成气，合成气经转化分离制氢，可生产纯度99%以上的氢气。氢气的成本在10~15元/公斤。②天然气、石油:天然气和石油产品生成一氧化碳和水的合成气，再通过PSA法或膜分离法转化为二氧化碳和氢气，从而制得高纯氢气。用这种方法生产氢气的成本与煤的成本相似。③甲醇、氨:甲醇裂解制氢和氨分解制氢属于含氢化合物高温热分解制氢。含氢化合物是由一次能源制成的。④工业尾气制氢:有合成氨生产尾气；从炼油厂回收富氢氢气；氯碱厂回收副产氢气生产氢气；焦炉煤气中氢气的回收和利用。平均成本8-14元/斤。⑤电解水制氢:目前生产1m3常温常压氢气(1m3氢气约0.09kg)约需5~5.5kWh电能。最便宜的谷电用于制氢(如0.3元/千瓦时)，加上电以外的固定成本(约0.3~0.5元/m3)。综合成本1.8~2.0元/m3，即制氢成本20~22元/m3。根据国家发改委能源研究所得到的数据，如果用目前的可再生能源制氢，制氢成本可以降到10元/公斤左右，相当于用煤或天然气制氢的价格。但如果按照2017年全国平均电价0.6元/千瓦时计算电价，制氢成本约为35-37元/千瓦时，远高于其他制氢方式。

表1制氢成本(数据来自国家发改委能源研究所)根据光大证券提供的资料，目前主要制氢原料95%以上来自传统能源的化学重整(48%来自天然气重整，30%来自酒精重整，18%来自焦炉煤气)，电解水约占4%。此外，日本在氢能利用方面也领先于世界。日本的盐水电解产能占全部制氢产能的63%。此外，较高的产能还包括天然气重整(8%)、乙烯制氢(7%)、焦炉气制氢(6%)和甲醇提质(6%)。那么氢气到底能用来做什么呢？氢能——即利用氢气和氧气(空气体)在特定环境下进行化学反应，释放出电能和热能。

阳极:2H2-4e→4H+阴极:O2+4e+4H+→2H2O图1燃料电池这里的“特定环境”指的是燃料电池。如图1所示，燃料电池是通过电化学反应将燃料(氢气)和氧化剂(氧气在空气体中)的化学能直接转化为电能的发电装置。理论上，燃料电池可以以100%的热效率运行，实际上接近60-80%，具有很高的经济性。此外，燃料电池设备不包含或包含很少的移动部件，因此它工作可靠，需要更少的维护，并且比传统的发电机组更安静。此外，电化学反应干净彻底，不产生有害物质。这些都让燃料电池被视为前景广阔的能源动力装置[1]2019年两会期间，氢能首次被写入政府工作报告——“继续落实新能源汽车购买优惠政策，推进充电、加氢等设施建设”。就氢能而言，这是第一次在国家政府工作报告中单独提出，意义重大。说起燃料电池技术，很多人会觉得是全新的“高大上”但不一定成熟的技术。事实上，燃料电池在军事领域的应用和研究由来已久。20世纪60年代。由于载人飞船对高功率、高比功率、高比能量电池的迫切需求，燃料电池引起了一些国家和军事部门的高度重视。阿波罗登月飞船主电源培根型中温氢氧燃料电池在美国研制成功。从20世纪70年代到80年代，由于世界性的能源危机，燃料电池在太空中的成功应用及其高能量转换效率。敦促以美国为首的世界发达国家大力支持民用燃料电池的发展。[4]对海军武器感兴趣的读者一定知道，现代德国海军的212A级和214级AIP(空中独立动力)都不是依靠空空气推进技术的潜艇。这两类潜艇使用氢燃料电池技术。

图2燃料电池潜艇20世纪80年代，西门子开始研究PEMFC(质子交换膜燃料电池——目前主流的燃料电池)作为AIP(独立于空气动装置)潜艇的动力源。如今，德国的AIP技术已经相当成熟和完善。2003年4月7日，投资27.6亿德国马克的212A型U31潜艇投入试航。这就是U31采用了由燃料电池和柴电系统组成的混合动力系统，其中燃料电池动力系统总功率为306kW，具有体积小、无腐蚀、功率密度高、寿命长、不使用空气体的特点。U31由燃料电池提供的电力驱动，可以在水下连续潜行3周。[2]在民用领域，氢燃料电池在重型交通领域优势明显。根据国泰君安的研究，随着车重和续航能力的提高，燃料电池汽车的成本将逐渐接近甚至低于纯电动汽车。在轻型客运方面，纯电动汽车在续航里程低于600公里时，成本明显低于氢燃料电池汽车，但在600公里以上，电动汽车的成本明显上升，超过燃料电池汽车的成本。在重型货运方面，续航里程超过400公里，燃料电池汽车的成本将明显低于纯电动汽车。因此，与锂电池氢燃料电池相比，在重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燃料电池电动客车，氢瓶布置在车辆顶部。氢气本身无毒，但扩散能力强。任何泄漏的氢气都会很容易被周围的空气体稀释，所以不容易被检测到。一方面方便泄漏时快速扩散。另一方面，泄漏的氢气不会扩散到乘客区和其他电力集中的区域，从而避免了爆炸的危险。布置在车顶上还可以提高空的整体利用率。上面说的潜艇还是燃料电池车，燃料电池不是唯一的动力源。燃料电池潜艇包括传统柴油机、锂电池组和燃料电池组。燃料电池汽车包括燃料电池和锂电池。(如图4所示)

图4燃料电池汽车系统示意图。为什么这么设计？因为燃料电池“慢”。燃料电池的输出受到许多因素的限制。由于气体参与反应，燃料电池的输出特性是“软”的，它无法应对功率需求的剧烈变化。比如驾驶员频繁踩油门，系统增加氢气输出，压力增大，电流密度逐渐增大，而电压降低，不仅使响应变慢，还会影响整个电动系统的效率。如图5所示，是一个55kW额定燃料电池从启动到最大功率的输出模拟曲线，达到最大额定功率差不多需要20-25s。因为“慢”，燃料电池很难像电池或发动机一样成为电动汽车的单一能源。在实际设计中，一般的燃料电池会与蓄电池或超级电容器组成电-电混合动力系统。依靠输出更稳定、响应更快的电池满足高频功率需求，让燃料电池输出尽可能平稳[3]。换句话说，锂电池用来加速，燃料电池用来维持速度。