據(jù)日經(jīng)BP綠色技術(shù)研究所預測，隨著燃料電池汽車(FCV)的技術(shù)提升及迅速普及，氫氣為能源基礎的全球市場規(guī)模2020年將達到1000億美元，2030年接近4000億美元，2050年接近16000億美元。氫氣的制備技術(shù)及相關(guān)基礎設施建設不僅具備龐大的市場潛力，同時對FCV的綜合效率及排放具有巨大影響。下文將對氫氣制備及加氫站現(xiàn)狀做詳細介紹。

圖1 2015-2020年氫氣能源市場預測

數(shù)據(jù)源：日經(jīng)BP綠色技術(shù)研究所

1.氫氣制備

氫氣獲取源可分為三類。第一是工業(yè)副產(chǎn)物，即燒堿(NaOH)、鋼鐵及石油制煉產(chǎn)生的副產(chǎn)物。第二是通過化石燃料改質(zhì)及電解水直接生產(chǎn)氫氣。第三類是碘硫反應(IS)及光觸媒等未來技術(shù)。各類氫氣制備的特性見表1。

表1各類制氫方式特性

工業(yè)副產(chǎn)物取氫為主要來源，技術(shù)成熟，但純度低、環(huán)保性差，受產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及技術(shù)升級的影響大。焦炭水蒸氣還原以及石油精煉過程中的石腦油等有機物分解均會產(chǎn)生氫氣，但普遍含有碳癢化物、水及碳氫有機物等雜質(zhì)，需要進行變壓吸附提純。

氫氣作為燃燒源，通常作為熱燃料進行二次利用，所以提取氫氣需要補充其它熱源，CO2排放在0.9-1.3kg/Nm3H2。此外，氫氣的獲取與工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量直接相關(guān)，同時隨著氣體擴散電極食鹽電解技術(shù)、氫氣還原制鋼鐵技術(shù)的應用及石油產(chǎn)品替代，未來工業(yè)副產(chǎn)物作為氫氣的主要供給源將不穩(wěn)定。

天然氣等化石燃料改質(zhì)制取氫氣進入規(guī)模化應用初期，氫氣純度高，但需降低成本及提升制取效率。天然氣(甲烷：CH4)與H2O在鎳、鈷等復合金屬催化進行熱反應，可以獲取氫氣，氫氣純度達到95%-97%，CO2排放1.0-1.1kg/ Nm3H2。

雖然美國、日本等已經(jīng)實現(xiàn)一定規(guī)模的天然氣重整制氫的實用生產(chǎn)，但是在大規(guī)模應用方向依然面臨催化劑成本、轉(zhuǎn)化效率以及設備投入等問題。此外，利用沼氣中的CH4進行重整改質(zhì)將是發(fā)展降低成本及排放的方向之一。

電解水制氫，方法簡單設備投入低，但能耗大，導致成本及排放高。電解堿性溶液獲取氫氣的純度較高，并產(chǎn)生氧氣，對于FCV匹配度高，而且技術(shù)成熟，設備投入較低，但1m3氫氣耗電5-6kWh，CO2排放高達1.8kg/ Nm3H2。利用太陽能及風能的富余電能進行電解是未來發(fā)展方向。

光觸媒及IS技術(shù)制取氫氣，目前處于試驗階段。光觸媒是直接利用光照中的紫外區(qū)獲取能量分解水制取氫氣及氧氣，轉(zhuǎn)化效率僅為0.3-1%，預計2020年將達到10%，光觸媒材料的開發(fā)是目前的關(guān)鍵。IS反應利用氫碘酸及硫酸的分解反應進行循環(huán)反應在600-900oC高溫下制取氫氣，除去反應流程及設備裝置設計的問題，熱源的獲取也是難題之一。目前，與太陽能發(fā)熱結(jié)合的方法正在開發(fā)。

各類制氫的成本比見圖2。工業(yè)副產(chǎn)物的成本最低，而電解水成本為石油精煉取氫成本的4.2倍?；剂细馁|(zhì)目前為2.2倍左右，隨著規(guī)模化的推進，成本有望進一步收縮。

圖2 各類制氫方式成本對比

數(shù)據(jù)源：根據(jù)日本NEDO發(fā)布資料整理

2.加氫設施

隨著FCV的普及，各國強化加氫設施的建設，表2為主要國家加氫站建設計劃。日本作為FCV技術(shù)及產(chǎn)品全球領導國，2015年規(guī)劃建設100個，2030年規(guī)劃建設5000個加氫站。截止2015年7月，日本投建加氫站為81個，其中運營的加氫站為23個，與規(guī)劃目標有一定差距，主要原因是成本問題。

表2 各國加氫站建設計劃

加氫站建設成本高。日本供氣量300Nm3/h加氫站的建設成本為5-6億日元，約為500-600萬美元，歐洲約為250-300萬美元，并且不包括原料、人工及運輸儲存及土地固定資產(chǎn)投入。加氫站的建設成本為普通汽油站的5-6倍。

加氫站設備投入占比大。如圖3所示，加氫站建設費用中，儲壓器、冷卻機、管道及氣液輸出設備的占比高達63%。首先，加氫站的建設必須解決以上設備的專用制造及成本問題。此外，隨著FCV的發(fā)展，未來在加氫設備中蘊藏巨大市場空間。

圖3 加氫站建設成本占比

備注：日本NEDO發(fā)布資料整理

氫氣制備技術(shù)在國外已經(jīng)趨于成熟，特別是天然氣等化石燃料的水蒸汽重整改質(zhì)已經(jīng)進入應用階段，但在更大規(guī)模應用方面，依然需要提高效率及優(yōu)化成本。加氫站建設目前面臨的主要問題設備投入大，但隨著FCV的大量普及，在設備供應方面將帶來巨大市場。

智電汽車是一個汽車科技自媒體，一群汽車博士為社會更早普及高科技汽車吶喊。本文作者邵博士曾留學于東京工業(yè)大學新能源汽車方向，是智電汽車聯(lián)合創(chuàng)始人，現(xiàn)國內(nèi)大學任教。

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