燃料电池车市场潜力大 谈谈氢气制造技术和加氢设施建设

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据日经BP绿色技术研究所预测,随着燃料电池汽车(FCV)的技术提升及迅速普及,氢气为能源基础的全球市场规模2020年将达到1000亿美元,2030年接近4000亿美元,2050年接近16000亿美元。氢气的制备技术及相关基础设施建设不仅具备庞大的市场潜力,同时对FCV的综合效率及排放具有巨大影响。下文将对氢气制备及加氢站现状做详细介绍。

图1 2015-2020年氢气能源市场预测

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数据源:日经BP绿色技术研究所

1.氢气制备

氢气获取源可分为三类。第一是工业副产物,即烧碱(NaOH)、钢铁及石油制炼产生的副产物。第二是通过化石燃料改质及电解水直接生产氢气。第三类是碘硫反应(IS)及光触媒等未来技术。各类氢气制备的特性见表1。

表1各类制氢方式特性

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工业副产物取氢为主要来源,技术成熟,但纯度低、环保性差,受产品生产规模及技术升级的影响大。焦炭水蒸气还原以及石油精炼过程中的石脑油等有机物分解均会产生氢气,但普遍含有碳痒化物、水及碳氢有机物等杂质,需要进行变压吸附提纯。

氢气作为燃烧源,通常作为热燃料进行二次利用,所以提取氢气需要补充其它热源,CO2排放在0.9-1.3kg/Nm3H2。此外,氢气的获取与工业产品产量直接相关,同时随着气体扩散电极食盐电解技术、氢气还原制钢铁技术的应用及石油产品替代,未来工业副产物作为氢气的主要供给源将不稳定。

天然气等化石燃料改质制取氢气进入规模化应用初期,氢气纯度高,但需降低成本及提升制取效率。天然气(甲烷:CH4)与H2O在镍、钴等复合金属催化进行热反应,可以获取氢气,氢气纯度达到95%-97%,CO2排放1.0-1.1kg/ Nm3H2。

虽然美国、日本等已经实现一定规模的天然气重整制氢的实用生产,但是在大规模应用方向依然面临催化剂成本、转化效率以及设备投入等问题。此外,利用沼气中的CH4进行重整改质将是发展降低成本及排放的方向之一。

电解水制氢,方法简单设备投入低,但能耗大,导致成本及排放高。电解碱性溶液获取氢气的纯度较高,并产生氧气,对于FCV匹配度高,而且技术成熟,设备投入较低,但1m3氢气耗电5-6kWh,CO2排放高达1.8kg/ Nm3H2。利用太阳能及风能的富余电能进行电解是未来发展方向。

光触媒及IS技术制取氢气,目前处于试验阶段。光触媒是直接利用光照中的紫外区获取能量分解水制取氢气及氧气,转化效率仅为0.3-1%,预计2020年将达到10%,光触媒材料的开发是目前的关键。IS反应利用氢碘酸及硫酸的分解反应进行循环反应在600-900oC高温下制取氢气,除去反应流程及设备装置设计的问题,热源的获取也是难题之一。目前,与太阳能发热结合的方法正在开发。

各类制氢的成本比见图2。工业副产物的成本最低,而电解水成本为石油精炼取氢成本的4.2倍。化石燃料改质目前为2.2倍左右,随着规模化的推进,成本有望进一步收缩。

图2 各类制氢方式成本对比

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数据源:根据日本NEDO发布资料整理

2.加氢设施

随着FCV的普及,各国强化加氢设施的建设,表2为主要国家加氢站建设计划。日本作为FCV技术及产品全球领导国,2015年规划建设100个,2030年规划建设5000个加氢站。截止2015年7月,日本投建加氢站为81个,其中运营的加氢站为23个,与规划目标有一定差距,主要原因是成本问题。

表2 各国加氢站建设计划

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加氢站建设成本高。日本供气量300Nm3/h加氢站的建设成本为5-6亿日元,约为500-600万美元,欧洲约为250-300万美元,并且不包括原料、人工及运输储存及土地固定资产投入。加氢站的建设成本为普通汽油站的5-6倍。

加氢站设备投入占比大。如图3所示,加氢站建设费用中,储压器、冷却机、管道及气液输出设备的占比高达63%。首先,加氢站的建设必须解决以上设备的专用制造及成本问题。此外,随着FCV的发展,未来在加氢设备中蕴藏巨大市场空间。

图3 加氢站建设成本占比

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备注:日本NEDO发布资料整理

氢气制备技术在国外已经趋于成熟,特别是天然气等化石燃料的水蒸汽重整改质已经进入应用阶段,但在更大规模应用方面,依然需要提高效率及优化成本。加氢站建设目前面临的主要问题设备投入大,但随着FCV的大量普及,在设备供应方面将带来巨大市场。

智电汽车是一个汽车科技自媒体,一群汽车博士为社会更早普及高科技汽车呐喊。本文作者邵博士曾留学于东京工业大学新能源汽车方向,是智电汽车联合创始人,现国内大学任教。


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