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浅谈氢燃料电池简史与氢制备

" 有人将 2018 年定义为中国氢能发展的元年,从行业圈内默默发展,到渐渐走近大众视野,氢能被誉为 21 世纪最有前景的替代能源,各大企业争相抢占氢能赛道。氢能迅速的进入大众视野,不是偶然,而是能源转型的必然。"

01氢燃料电池简史

纵观历史,氢能源技术并非新鲜事物,世界上许多国家都将氢能源作为战略性能源来发展。

1776 年氢气首先被英国科学家亨利 · 卡文迪许(Henry Cavendish)认定为一种独特的元素,因为锌金属与盐酸反应后产生氢气。

1838 年瑞士化学家 Christian Friedrich Schoenbein 发现燃料电池效应,结合氢气和氧气产生水和电流,并刊登在当时著名的科学杂志。

1839 年英国物理学家威廉葛洛夫于 2 月把理论证明刊登于《科学的哲学杂志与期刊》,其后又把燃料电池设计草图于 1842 年刊登,他因其成就获得了 " 燃料电池之父 " 的称号。

1889 年 L.Mond 和 C.Langer 以铂为电催化剂,以钻孔的铂为电流收集器组装第一个使用空气和工业煤气的燃料电池装置。20 世纪 50 年代英国剑桥大学的 Francis T. Bacon 建造了第一个实用的氢 - 空气燃料电池 5 千瓦(kW)系统为焊接机提供动力。同年,由哈利 · 伊律格(Harry Ihrig)领导的团队也制造出 15 千瓦的燃料电池驱动系统。

20 世纪 60 年代燃料电池首次应用在美国航空航天管理局(NASA)的阿波罗登月飞船上作为辅助电源,为人类登月球做出了积极贡献,这也标志着燃料电池由实验室阶段开始转入军用阶段的应用。

1966 年通用汽车推出了全球第一款燃料电池汽车 Electrovan,该车动力系统由 32 个串联薄电极燃料电池模块组成,持续输出功率为 32 千瓦,峰值功率为 160 千瓦,完美诠释了燃料电池技术的可行性潜力。之后各大车厂均纷纷展开燃料电池汽车的研究。

2000 年之前燃料电池汽车产业发展氢燃料电池汽车概念设计及原理性认证阶段,以概念车形式推出氢燃料电池汽车。

2000-2010 年是燃料电池汽车示范运行验证、技术攻关研究阶段。

2010-2015 年是燃料电池汽车性能提升阶段,这一阶段燃料电池的汽车功率密度、寿命取得进步,在特定领域商业化取得成功,在物流运输等领域率先使用,初步实现特定领域用车商业化。

2015 年之后燃料电池汽车进入商业化推广阶段,以 Mirai 和 Clarity 的上市代表着面向私人乘用车领域开始销售,正式进入商业化阶段。

02我国多种制氢方式

制备氢气的几种主要方式包括化石燃料制氢、化工副产制氢、电解水制氢等:化石燃料热化学重整制氢:目前氢气的主要来源,全世界每年生产出约 6000 万吨氢气,其主要来自于天然气分离,虽然这种方法成本低、技术较成熟、已形成规模经济,但其存在不可持续、不环保的缺陷、提纯成本较高,广泛用于我国的化工生产中,但运用于燃料电池提纯成本较高 。

化工副产制氢:目前燃料电池氢气主要来源,主要包括氯碱工业副产气、煤化工焦炉煤气、合成氨产生的尾气、炼油厂副产尾气中进行提纯制氢,成本相对较低且对环境友好,现阶段满足下游燃料电池的生产需求,是目前比较适合的生产方式。

生物制氢:是指生物质(农业和森林残余物、工业和城市垃圾、有机物废弃材料等)通过气化或热解或生物过程制成氢。理论上可以实现废物利用,具有清洁、节能和不消耗矿物资源等特点。技术上,生物质制氢分为三类:生物质热裂解制氢、生物质气化制氢、生物质超临界水气化制氢。

电解水制氢:虽然高效低碳可持续,且技术已成熟,但高成本是目前技术的使用障碍。根据能源方面的统计,预计未来 5-10 年电解水制氢有望能够实现盈利。

我国燃料电池的短期内化工副产氢产能足够满足氢燃料汽车需求。根据规划,2020 年,燃料电池汽车达 5000 台,2025 年 5 万台,2030 年百万台,根据公开资料,若供给丰田 Mirai(每天加 2.5 公斤氢气行驶 350 公里),2020 年、2025 年、2030 年需氢量分别为 0.46 万吨、4.6 万吨、92 万吨。氢气主要来源于氯碱工业副产氢。

长期清洁能源转换来看,来自可再生能源的电解水制氢是最终的可再生方案。电解水制氢最清洁、最可持续的制氢方式,并将成为燃料电池发展中最具潜力的制氢方法之一。

03水氢机利用清洁能源转换制氢

水氢产业联盟在多年来坚持自主研发,实现了小型化移动制氢和发电的目标,为氢能的广泛应用打开了大门,解决了氢能应用的安全问题、成本问题及加氢基础设施建设巨额投资问题,开发出甲醇重整制氢与燃料电池发电高度集成的系统装置 " 水氢机 ",该系统采用催化重整及纯化多项技术从甲醇水中获得高纯氢,再通过质子膜系统产生电、热等多种能源,实现在同一设备中可移动即时制氢和发电,无需存储氢气。

水氢机的原料是甲醇和水,甲醇来源广泛,来料便宜。甲醇是常温常压下含氢量最丰富的液态能源,是氢能转换的最佳媒介。甲醇是可再生及重复利用的清洁能源,可以通过传统化石能源获取,也可通过太阳能、风能等间歇式可再生能源转换获得,还可利用农作物秸秆、动物粪便和有机物等生物质能源发酵获得,是氢能转换的最佳媒介,可实现国家的中长期储能。水氢机可为不同领域提供清洁供能解决方案,为人们带来安全便捷、经济环保、可持续的电力。

作者:广东合即得

来源:第一电动网(www.d1ev.com)

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