甲醇制氢应用于氢燃料电池车的可行性及其发展前景.docVIP

PAGE 1 甲醇制氢应用于氢燃料电池车的可行性及其发展前景 摘要：通过介绍甲醇制氢技术及其研究进展，对其应用于氢燃料电池车的经济性、节能与减排效果进行概算，阐述了以甲醇制氢作为加氢站氢源应用于氢燃料电池车的可行性。概算结果显示，与燃油车相比，采用甲醇制氢作为氢源应用于氢燃料电池车具有较好的经济性，且节能减排效果明显。通过相关阐述，以期为加氢站的建设和氢能产业的发展提供决策思考。 　　引言 　　近年来，全球范围内能源形势发生了剧烈变化，能源发展趋向“高效化、清洁化、低碳化和智能化”，加速推进能源革命，减少环境污染是新时期人类面临的重要任务之一。 　　H2是一种清洁、高效、可持续的二次能源，被视为人类的“终极能源”，有着广阔的应用前景。早在20世纪70年代，“氢经济”的概念就被提出，其核心就是以氢作为燃料[1]。近年来，随着氢燃料电池技术的发展与进步，使得以H2作为能源的应用飞速发展。以H2作为燃料，通过氢燃料电池发电，可作为移动电源使用，也可用于驱动汽车、轮船、飞机等，其能量利用效率高，且无污染排放，受到各国政府和知名汽车制造商的高度重视。中国国务院国资委主任肖亚庆表示，发展氢能和燃料电池产业，事关中国能源发展战略，事关中国生态文明建设，事关中国战略性新兴产业布局。 　　当前，氢能主要应用在新能源汽车领域，即氢燃料电池车，国内外推出了多种示范车型，包括轿车、公交车、客车、箱式货车等。氢燃料电池车的推广与应用是一个庞大的产业链，涉及H2的制备、储存与运输，加氢站的建设，以及氢燃料电池系统与整车的生产与集成等产业。每一个产业的发展与进步都将直接影响氢燃料电池汽车产业的发展，因此，需要各产业技术的快速发展以及相互密切配合，才能促进氢燃料电池车快速、稳步地走向大规模应用。 　　据公开资料显示，截至2017年底，全球有328座运营的加氢站，中国仅有19座，预计2018年底将会有至少23座加氢站建成。尽管如此，相比氢燃料电池车的发展速度，加氢站的数量仍然太少，严重制约氢燃料电池车的推广与应用。清华大学教授、中国首个国家973氢能项目首席科学家毛宗强接受《21世纪经济报道》记者专访时曾说到，加氢站是制约中国氢燃料电池汽车发展的最主要因素。因此，加快加氢站的布局与建设，是推进氢燃料电池车发展的支撑和保障。 　　加氢站H2的来源与成本对其建设与运营方式有重要的影响。H2的来源决定加氢站是站外供氢还是站内供氢，H2的成本直接影响加氢站的运营和氢燃料电池车的经济性。本文针对甲醇制氢应用于氢燃料电池车的可行性，从技术进展、经济性、节能、减排等方面进行了详细阐述，以期为氢燃料电池的发展提供决策参考。 　　1甲醇制氢技术与发展 　　1.1甲醇制氢技术 　　甲醇制氢技术包括甲醇裂解、甲醇水蒸气重整和甲醇部分氧化三类，具体见表1。 　　甲醇裂解技术是一项成熟的技术，在科研院所或工业上被广泛应用，通常是用来制备合成气，或通过进一步分离获得高纯CO和H2。 　　甲醇水蒸气重整制氢技术，即以CH3OH和H2O作为原料，在催化剂的作用下转化为H2和CO2。该过程不仅将CH3OH中的氢全部转化为H2，同时将H2O中的氢也转化为H2，按此技术，甲醇储氢质量分数达到18.75%。CH3OH重整产物通过进一步分离后即可得到纯H2，在工业上应用广泛，尤其是在中小型用H2领域，该技术解决了H2的运输和储存费用高的难题，多年来发展很快。该技术的使用条件温和，产物成分少，易分离，制氢规模在10Nm3/h～10000Nm3/h内均能实现，且产能可灵活调整，因此，对于中小型用户来说，在现场制氢，现制现用，更经济更合理。随着技术的不断进步，采取甲醇水蒸气重整制氢的规模不断扩大，2018年7月山东寿光鲁清石化有限公司60000Nm3/h甲醇制氢装置投产，成为目前中国规模最大的甲醇制氢装置。 　　甲醇部分氧化制氢技术主要是通过甲醇的部分氧化实现系统自供热，大幅提高能源利用效率，以期进一步降低制氢成本，被认为是最有研究价值的制氢方法，目前仍处于开发中，尚未实现产业化。 　　在甲醇制氢三类技术中，以甲醇水蒸气重整制氢技术的H2含量最高，且技术成熟，是当前甲醇制氢的最佳选择。 　　1.2甲醇水蒸气重整制氢技术的研究进展 　　甲醇水蒸气重整制氢技术是一项成熟的技术，在工业上已经应用多年，与其相关的技术研究也在不断进步。该技术的核心之一是催化剂，近年来在研究上取得了较大的进步。在低温转化方面，中科院山西煤化所温晓东研究员与北京大学马丁教授合作开发的Pt/α-MoC在150℃～190℃范围内对甲醇水蒸气重整表现出较高的催化活性，为该技术低温转化研究提供了有效的基础数据[2]。在催化剂方面，众所周知，现有工业上使用的主要是Cu/Zn/Al催化剂，然而由于铜易烧结长大的特征，导致铜基催化剂容易失活，