摘要：氫氣相對燃料電池汽車，就像石油相對于傳統燃油車，燃料電池汽車大規模商業化推廣離不開氫氣的供應，根據我國國情選擇適合的大規模制氫方式，是燃料電池汽車產業上游布局中的重要一環。本文在介紹車用氫氣標準和制氫技術路線的基礎上，試析了國內車用氫氣大規模制取可能的路線。

　　氫氣標準包括質量、安全、制備和提純三項，共10項標準

　　國內氫能標準主要由全國氫能標準化技術委員會(SAC/TC309)負責制定，涉及氫能基礎與管理、氫工程建設、氫儲運與加注、氫能應用、氫相關檢測、氫質量、氫安全、氫制備與提純八個方面。

　　自2005年至今頒布的氫氣相關標準有氫質量標準3項、氫安全標準2項和氫制備與提純標準5項，共10項標準(表1)。其中，車用燃料氫氣純度需達到99.97%。

　　表1 氫能標委會制定氫氣相關標準分類及名稱

　　(資料來源：五度易鏈行業研究中心)

　　全球制氫路線主要有五類，化石燃料類共占96%

　　氫氣的制取有多種方式，其中化石燃料制氫是當前獲取廉價氫氣的主要途徑，2013年全球氫氣生產總量約5500萬噸，其中約50%來自天然氣蒸汽重整、29%來自煉廠的石腦油重整和各種化工過程尾氣、17%來自煤炭氣化、3.9%來自電解水制氫、0.1%來自生物制氫等其他途徑。其中，由于燃料電池汽車對氫氣純度要求較高，化石燃料路線需加入變壓吸附提純(PSA)工藝，使制取的氫氣純度高于99.97%。

　　圖1 全球氫氣生產來源比例

　　(資料來源：《中國車用氫能產業發展報告(2018)》)

　　(1)天然氣重整制氫工藝簡單、應用廣泛。該技術主要是通過催化劑的作用，與H₂0或O₂反應生產H₂和CO，在通過變壓吸附提純(PSA)提高H₂純度。比較成熟的工藝主要出自法國的德西尼布，德國的魯奇、林德和伍德，英國的福斯特惠勒以及丹麥的托普索。

　　(2)石腦油重整和化工尾氣碳氫比值高，H₂來源主要是H₂O。石腦油重整和化工尾氣制氫與天然氣制氫同屬烴類制氫，工藝原理類似，但由于其碳氫比值較高，因此制得氫氣的主要來源是H₂O(占69%)，并且伴有炭黑等較多副產品。該工藝美國 Texaco 公司和荷蘭 Shell 公司較為先進。

　　(3)以煤為原料的制氫路線工藝復雜、原料成分多，對變壓吸附提純技術(PSA)要求較高。煤為原料制氫的路線主要有煤氣化制氫和焦煤爐氣制氫，前者技術核心主要是煤氣化技術，多采用加壓純氧氣流床液態排渣氣化工藝，荷蘭Shell公司干煤粉氣化工藝、美國GE公司水煤漿氣化工藝和德國 SIEMENS公司的GSP氣化技術應用較為廣泛，其中，國內神華寧煤集團采用的是德國SIEMENS公司GSP氣化技術;后者焦煤爐氣制氫的原料焦爐氣，主要是煤煉焦工業的副產可燃氣體，氫的含量可達50%以上，采用PSA工藝提取純氫后，即可獲得所需純度的H2。

　　(4)電解水制氫工藝歷史悠久，但制氫成本居高不下。該工藝至今已有110多年歷史，技術較為成熟，主要是在含有無機酸或堿金屬氫氧化物的水中插入電極，通電后在陰極生成氫氣，陽極生成氧氣。其制氫效率可達75～85%，工藝簡單無污染，但電耗較大，成本中電費占總成本約80%，目前以德國Lurgi公司、挪威Hydro公司以及加拿大多倫多電解槽有限公司工藝較為先進。

　　(5)氯堿工業副產氫易提純，是低成本H2來源的補充。氯堿工業上用電解飽和Nacl溶液的方法來制取NaOH、CL₂，同時得到副產品H₂。采用PSA吸附提純，即可獲取純度99～99.999%的高純度H₂。傳統氯堿廠對氫氣的利用主要分為兩類，一類是收集后與CL₂反應生產HCL產品，另一類則是直接燃燒，提供熱能，但由于投資大，更多選擇直接放空。收集氯堿廠生產的H₂，即可提高氯堿廠效益，也是H₂來源的一種補充。

　　氯堿廠副產氫可滿足當前車用，未來可以煤系路線為主

　　國內的能源結構及產業布局情況，決定了煤制氫、焦煤爐氣提純氫以及氯堿工業副產提純氫，是目前較為合適的大規模制氫方式。

　　(1)石油和天然氣對外依存度高，以煤為原料的路線符合國情。2018年國內一次能源消費結構中，煤炭占總量的66%、石油占19.1%、天然氣僅占5.9%，石油和天然氣對外依存度較高。因此，全球占比重較高的天然氣和石油制氫路線不適合我國的基本國情，而我國煤炭資源豐富，價格相對較低，又由于其工藝復雜、流程較長，因此適合在華北、西部等煤炭資源相對豐富的地區，布局大中型規模制氫裝置。同時，2014年國內焦炭產量為4.77億噸，產生的焦爐氣達2000億m3，如按照50%純度核算，提純后可制取1000億Nm3的H₂,由于世界焦炭生產主要集中在我國，因此焦爐氣制氫在國際上沒有得到足夠的重視，技術開發和工業應用均集中于我國。

　　(2)氯堿廠副產氫價格便宜，當前產量已以可滿足汽車市場使用。2016年我國氯堿廠產能為3945萬噸、產量3283.9萬噸，可產生82.1萬噸H₂,，即92億Nm³H₂，成本僅為1.3 ~1.5元/Nm3，可供萬輛燃料電池汽車50萬次的300公里里程充能，供應量遠遠大于目前國內市場上燃料電池汽車的使用量。

　　結語

　　根據我國國情選擇適合的大規模制氫方式，是燃料電池汽車產業上游布局中的重要一環。國內制定的氫氣標準包括質量、安全、制備和提純三項，共10項標準，對車用氫氣的純度和安全提出了較高的要求;全球制氫路線主要有天然氣、石腦油、煤、電解水和氯堿工業副產等其他制氫方式共五類，其中化石燃料類共占96%;根據我國一次能源消費結構和產業現狀判斷，氯堿廠副產氫可滿足當前車用，未來大規模制氫則以煤系路線為主。