氢能及燃料电池关键的制氢技术

　　有人将2018年定义为中国氢能发展的元年，在这一年，氢能一天比一天火热，从行业圈内默默的发展，渐渐走近大众的视野，被誉为21世纪最有前景的替代能源，各大企业也都扎堆进入氢能行业，氢能项目也火热得千金难求。如果不了解点氢能以及相关技术的知识，可能已经跟不上整个能源行业的发展，交能网借鉴各类文献，结合自身在德国亚琛工大的专业研究，希望从各个环节分别介绍氢能及其相关技术、应用及其发展现状，希望读者对氢能产业有个初步的了解。

　　蒸汽甲烷重整制氢（SMR）

　　基于甲烷和水蒸气在高温下以及在催化剂条件下的反应，目前全世界大概48%的氢气是使用的蒸汽甲烷重整工艺（SMR）用天然气生产出来的。由于这一技术碳排放量很高，因此SMR正在积极的使用碳捕获及碳存储（CCS）技术来减少在生产氢气过程中的碳排放量。在未来，CCS技术可以帮助SMR减少80%的碳排放。

　　使用SMR技术时，氢气大规模生产的成本主要取决于天然气的价格。目前美国天然气的价格大约是每公斤0.9美元，欧洲时2.2美元每公斤，日本则是3.2美元每公斤。重整设备规模有大有小，特别小规模的重整设备，例如每小时5kg左右氢产量的设备，制氢成本非常高，远远高于同一产量的电解槽设备。（图一）

图一，目前不同制氢技术发展对比

　　当然，重整工艺不仅限于使用天然气，所有富含氢的气体都可以通过相应的重整工艺来生产氢气。通过气化，氢气也可以通过其他化石资源（例如煤炭）以及生物质或者有机废料来制得。

　　电解

　　电解时通过施加直流电将水分解成氢和氧的过程，将电能转化成了化学能。截至2014年，全球大约安装了8GW电解能力的电解氢设备（Decourt et al.）。

　　所有的电解设备都由电解槽堆组成，包括多达100个的电池和其他辅助设备（BOP）。电解槽可以使用相同的BOP基础设施进行并联安装，这使得它可以实现高度的模块化。

　　对于仅使用电功率（并且没有外部热量）作为输入能量的电解器，制氢效率随电池电压的升高而降低，而制氢速率随电池电压的升高而增加。因此，在给定的电池几何形状下，工厂必须折衷处理电解槽效率和制氢速率之间的关系。

　　不同类型的电解器的区别在于它们不同的电解质和电荷载体，可以分为如下几类：

　　1）碱性电解槽;

　　2）氢能质子交换膜（PEM）电解槽;

　　3）固体氧化物（SO）电解槽。

　　碱性电解槽是目前最成熟的技术，投资成本明显低于其他电解槽类型，但PEM和SO电解器在未来具有更高的成本降低的潜力，并且在SO电解槽的情况下，效率将会显著提高（图二）。PEM电解槽特别有意义，因为它们具有最高的电流密度和操作范围，是降低投资成本和提高操作灵活性所必需的先决条件。截至今日，电池寿命是PEM和SO电解槽技术的最大限制因素。

　　电解氢的成本在很大程度上取决于电力成本以及电解槽的投资成本。为了最大限度的降低电力成本，很多电解氢的设备选择接入价格低廉的可再生能源电力，如光伏和风电，但是这些可再生能源发电不稳定，导致电解氢设备的使用率低下，从而又影响了自身的盈利能力。因此，在这些方面如何做折衷的考虑也是十分重要的。

图二，不同电解槽适用范围及发展潜力示图