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氨分解制氫(讀《氫能的應用》一文)
氫氣是如何制備的，它的來源是什么？因為大氣的成分中不含氫氣，所以不能通過簡單的空氣體分離直接獲得氫氣。需要通過準備來獲得。
目前，制氫技術主要包括傳統能源和生物質的化學轉化、水的電解和光解。其中，天然氣制氫是目前最主流的形式，但電解水制氫的范圍更廣。煤氣化和天然氣重整都有很高的CO排放，對環境不友好。為了實現“3060”的目標，用化石燃料制氫越來越不可持續。電解水制氫具有可持續性和低排放性，將成為未來制氫的主流方式。從成本上看:在主流的制氫方法中，化石燃料制氫成本更低，而電解水制氫成本遠高于化石燃料①煤:煤在蒸汽條件下氣化，產生含有氫氣和一氧化碳的合成氣，合成氣經轉化分離制氫，可生產純度99%以上的氫氣。氫氣的成本在10~15元/公斤。②天然氣、石油:天然氣和石油產品生成一氧化碳和水的合成氣，再通過PSA法或膜分離法轉化為二氧化碳和氫氣，從而制得高純氫氣。用這種方法生產氫氣的成本與煤的成本相似。③甲醇、氨:甲醇裂解制氫和氨分解制氫屬于含氫化合物高溫熱分解制氫。含氫化合物是由一次能源制成的。④工業尾氣制氫:有合成氨生產尾氣；從煉油廠回收富氫氫氣；氯堿廠回收副產氫氣生產氫氣；焦爐煤氣中氫氣的回收和利用。平均成本8-14元/斤。⑤電解水制氫:目前生產1m3常溫常壓氫氣(1m3氫氣約0.09kg)約需5~5.5kWh電能。更便宜的谷電用于制氫(如0.3元/千瓦時)，加上電以外的固定成本(約0.3~0.5元/m3)。綜合成本1.8~2.0元/m3，即制氫成本20~22元/m3。根據國家發改委能源研究所得到的數據，如果用目前的可再生能源制氫，制氫成本可以降到10元/公斤左右，相當于用煤或天然氣制氫的價格。但如果按照2017年全國平均電價0.6元/千瓦時計算電價，制氫成本約為35-37元/千瓦時，遠高于其他制氫方式。
表1制氫成本(數據來自國家發改委能源研究所)根據光大證券提供的資料，目前主要制氫原料95%以上來自傳統能源的化學重整(48%來自天然氣重整，30%來自酒精重整，18%來自焦爐煤氣)，電解水約占4%。此外，日本在氫能利用方面也領先于世界。日本的鹽水電解產能占全部制氫產能的63%。此外，較高的產能還包括天然氣重整(8%)、乙烯制氫(7%)、焦爐氣制氫(6%)和甲醇提質(6%)。那么氫氣到底能用來做什么呢？氫能——即利用氫氣和氧氣(空氣體)在特定環境下進行化學反應，釋放出電能和熱能。
陽極:2H2-4e→4H+陰極:O2+4e+4H+→2H2O圖1燃料電池這里的“特定環境”指的是燃料電池。如圖1所示，燃料電池是通過電化學反應將燃料(氫氣)和氧化劑(氧氣在空氣體中)的化學能直接轉化為電能的發電裝置。理論上，燃料電池可以以100%的熱效率運行，實際上接近60-80%，具有很高的經濟性。此外，燃料電池設備不包含或包含很少的移動部件，因此它工作可靠，需要更少的維護，并且比傳統的發電機組更安靜。此外，電化學反應干凈徹底，不產生有害物質。這些都讓燃料電池被視為前景廣闊的能源動力裝置[1]2019年兩會期間，氫能首次被寫入 *** 工作報告——“繼續落實新能源汽車購買優惠政策，推進充電、加氫等設施建設”。就氫能而言，這是之一次在國家 *** 工作報告中單獨提出，意義重大。說起燃料電池技術，很多人會覺得是全新的“高大上”但不一定成熟的技術。事實上，燃料電池在軍事領域的應用和研究由來已久。20世紀60年代。由于載人飛船對高功率、高比功率、高比能量電池的迫切需求，燃料電池引起了一些國家和軍事部門的高度重視。阿波羅登月飛船主電源培根型中溫氫氧燃料電池在美國研制成功。從20世紀70年代到80年代，由于世界性的能源危機，燃料電池在太空中的成功應用及其高能量轉換效率。敦促以美國為首的世界發達國家大力支持民用燃料電池的發展。[4]對海軍武器感興趣的讀者一定知道，現代德國海軍的212A級和214級AIP(空中獨立動力)都不是依靠空空氣推進技術的潛艇。這兩類潛艇使用氫燃料電池技術。
圖2燃料電池潛艇20世紀80年代，西門子開始研究PEMFC(質子交換膜燃料電池——目前主流的燃料電池)作為AIP(獨立于空氣動裝置)潛艇的動力源。如今，德國的AIP技術已經相當成熟和完善。2003年4月7日，投資27.6億德國馬克的212A型U31潛艇投入試航。這就是U31采用了由燃料電池和柴電系統組成的混合動力系統，其中燃料電池動力系統總功率為306kW，具有體積小、無腐蝕、功率密度高、壽命長、不使用空氣體的特點。U31由燃料電池提供的電力驅動，可以在水下連續潛行3周。[2]在民用領域，氫燃料電池在重型交通領域優勢明顯。根據國泰君安的研究，隨著車重和續航能力的提高，燃料電池汽車的成本將逐漸接近甚至低于純電動汽車。在輕型客運方面，純電動汽車在續航里程低于600公里時，成本明顯低于氫燃料電池汽車，但在600公里以上，電動汽車的成本明顯上升，超過燃料電池汽車的成本。在重型貨運方面，續航里程超過400公里，燃料電池汽車的成本將明顯低于純電動汽車。因此，與鋰電池氫燃料電池相比，在重交通領域具有更強的技術適應性。
圖3燃料電池客車如圖3燃料電池電動客車，氫瓶布置在車輛頂部。氫氣本身無毒，但擴散能力強。任何泄漏的氫氣都會很容易被周圍的空氣體稀釋，所以不容易被檢測到。一方面方便泄漏時快速擴散。另一方面，泄漏的氫氣不會擴散到乘客區和其他電力集中的區域，從而避免了爆炸的危險。布置在車頂上還可以提高空的整體利用率。上面說的潛艇還是燃料電池車，燃料電池不是唯一的動力源。燃料電池潛艇包括傳統柴油機、鋰電池組和燃料電池組。燃料電池汽車包括燃料電池和鋰電池。(如圖4所示)
圖4燃料電池汽車系統示意圖。為什么這么設計？因為燃料電池“慢”。燃料電池的輸出受到許多因素的限制。由于氣體參與反應，燃料電池的輸出特性是“軟”的，它無法應對功率需求的劇烈變化。比如駕駛員頻繁踩油門，系統增加氫氣輸出，壓力增大，電流密度逐漸增大，而電壓降低，不僅使響應變慢，還會影響整個電動系統的效率。如圖5所示，是一個55kW額定燃料電池從啟動到更大功率的輸出模擬曲線，達到更大額定功率差不多需要20-25s。因為“慢”，燃料電池很難像電池或發動機一樣成為電動汽車的單一能源。在實際設計中，一般的燃料電池會與蓄電池或超級電容器組成電-電混合動力系統。依靠輸出更穩定、響應更快的電池滿足高頻功率需求，讓燃料電池輸出盡可能平穩[3]。換句話說，鋰電池用來加速，燃料電池用來維持速度。
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責任編輯：Rex_31
