日本与氢能源:氢从哪里来?

导语

对氢燃料电池,再也没有比日本更加执着的。丰田即将在国内开售全新氢燃料电池汽车Mirai,本田FCV量产车型也将于明年3月下旬在日本上市。

要说对氢燃料电池,再也没有比日本更加执着的。12月15日,丰田即将在国内开售全新氢燃料电池汽车Mirai,本田FCV量产车型也将于明年3月下旬在日本上市。丰田能够坚持20年的研发,离不开日本举国力的支持,归根结底,是日本政府对于真正掌握一项能源技术、不受制于人的渴求。先来看看,氢气是怎么来的。

如果不是那场海啸引发的核泄漏,日本可能不会放弃纯电动车的计划。日本关闭全部核电站让所有车企意识到原本利用夜间剩余电力充电的梦想无法实现了。面对日益高涨的石化燃料价格以及日本国内越来越大的能源漏洞,日本开始寻找真正的可替代能源。这项能源或许暂时是不清洁的,暂时是高成本的,但一定是要有希望的,能真正掌握的。

不是日本没有考虑过天然气,也不是说甲烷燃料电池的劣势太多,真正让日本放弃天然气的主因之一就在于这项能源的多数标准都不在日本手里。这意味着未来如果使用天然气类能源,仍将向海外支付大笔的专利费用。氢气不存在这种情况,目前日本掌握的相关氢能源的专利遥遥领先,国内氢能源规模在全球或许不是最大的,但实用率却是最高的。

做为长期的规划,氢元素因为蕴藏量巨大而受到青睐,但关键在于,自然界中以单质氢气存在相当少见,制氢就成为使用氢能源的大问题。制氢技术需要考虑环境、经济、实用等方面,因此目前制氢多采用电解盐水、冶炼等高碳排放技术,未来逐步推广到可再生能源电解水、生物制氢、太阳能等低碳技术。

副产品氢气

氢气在很多行业以一种副产品的形式存在,这些行业主要集中在制碱和冶炼等高温工业领域。由于氢气并不是最终的生产目标,所以导致副生氢气在规模、成本和品质方面有一定的差距。

比如电解盐水工业应用中,虽然氢气的纯度较高但产量较少同时成本较高。冶铁制铁等高温行业虽然也会产生大量的氢气,但这种氢气的纯度不高,而且多数工厂生产的氢气一般自给自足,并不会外售。冶炼工厂在产量满足自身需求之后,才会对外出售氢气,但产量不大且供给关系不稳定。

制碱工业虽然对氢气的需求量不大而且多数会外售,但制碱工厂需要盐、水和电。其中电力依然需要自己生产,最后经过制碱工厂最终产生氯气、氢气和苛性碱(主要为氢氧化钠)。氢气经过压缩精制后依据需求制成液化氢或压缩氢供给民用。

化石燃料反应

目前绝大多数氢气来自天然气和石油燃料反应。目前比较主流的是依靠天然气和水的反应,甲烷和水经过高温产生一氧化碳和氢气。常规理论上,这部分一氧化碳和氢气通常被用来还原金属脱硫等应用。不仅天然气,工业上也常用无烟煤或焦炭作为原材料与水蒸气高温发生反应产生水煤气(一氧化碳和氢气的混合物),然后再与水蒸气发生反应制得氢气。通常这种方法制氢成本较低产量较大,设备较多。

用此种方法制氢需要800℃以上的高温,化学公式中甲烷和水的比例是一比一,但在实际应用中这个比例通常要达到一比三,过多的水分参与会浪费绝大多数热量。生产出二氧化碳和氢气之后,可以将气体压入水中溶去二氧化碳,最终得到较高纯度的氢气。

电解水

电解水制氢主要分为制碱工业中的电解盐水和电解纯水两种方式。就目前而言,电解纯水相对电解盐水成本更高。这是因为盐水中富含大量的正负离子,在传导电流方面有着纯水不可比拟的优势。电解盐水的副产品是苛性碱、氯气、氢气、氧气,而电解纯水的产物只有氧气和氢气。

两者制备氢气的纯度相仿,都可以达到99.99%,但盐水电解要更具规模更容易形成产业化,电解水在速度和能耗两方面依旧比不上电解盐水。

虽说电解水在成本上难以控制,但这却是未来最值得关注的技术。一方面氢气可以起到储存电能的功效,可以使风力、太阳能以及再生能源统统转化成电能,然后将电能以氢气的方式储存起来。夜间富余电能过多,也可以用氢气存储,最终达到电力供应削峰填谷的目的。

氢气的储存电能比电池储存成本更低,而且电池储存电能仅仅短期有效而且电能流失较多,能量密度较小,成本较高,所以电解水将成为未来一种新的储存能量方式。

这项技术已经开始在家用热电联产系统中应用,也就是利用氢气和氧气之间的放热反应不仅可以供暖还可以供电。目前日本小型家用设备已经出现了固体高分子燃料电池PEFC和固体氧化物燃料电池SOFC两种类型。这个项目中松下和东京燃气以及东芝和京瓷公司都已经开始投入,目前主要的工作集中在降低PEFC和SOFC的成本。

电解水技术的未来关系到可再生能源,如果能找到有效的催化剂以及更好的反应方式,可再生能源制氢的前景将十分乐观。

生物制氢

目前生物制氢尚在初步阶段,也不成熟,主要依靠农作物、木材等碳水化合物材料。我国在生物制氢上也取得了很大的进步,但焦点主要集中在产氢酶上。

目前的研究大多集中在纯细菌和细胞固定化技术,如产氢菌种的筛选及包埋剂的选择等。在上述生物制氢方法中,发酵细菌的产氢速率最高,而且对条件要求最低,具有直接应用前景;而光合细菌产氢的速率比藻类快,能量利用率比发酵细菌高,且能将产氢与光能利用、有机物的去除有机地耦合在一起,因而相关研究也最多,也是具有潜在应用前景的一种方法。非光合生物可降解大分子物质产氢,光合细菌可利用多种低分子有机物光合产氢,而蓝细菌和绿藻可光裂解水产氢,依据生态学规律将之有机结合的共产氢技术已引起人们的研究兴趣。

混合培养技术和新生物技术的应用,将使生物制氢技术更具有开发潜力。

太阳能

太阳能制氢主要取决于光,而对光的应用在主要在光、热、电等几个方面。在光参与的绝大多数制氢途径中均有水的参与,还是依循水的电解和分解过程。

太阳热分解水可以直接将水热分解,只是需要采用比较大型的集光设备,通过水在3000K(热力学温度,约为2727℃)下的不稳定性将水分解成氢气和氧气,分解效率较高,但集光设备费用高昂。当然,现在可以在水中加入催化剂,使水在1000K(约为727℃)左右就可以完成分解。

也可以先利用太阳能发电,再电解水制氢。这个方法存在一个变种,即先进行光化学反应,再进行热化学反应,最后再进行电化学反应即可在较低温度下获得氢和氧。这种方法为大规模利用太阳能制氢提供了实现的基础,其关键是寻求光解效率高、性能稳定、价格低廉的光敏催化剂。

此外太阳能制氢还有光电化学反应制氢,其主要依据特殊的化学电池,另外还有模拟植物光合作用分解水制氢,该技术尚处在起步阶段。最后一种则是光合微生物制氢,利用江河湖海中的某些藻类制氢。

除了利用太阳能和核能制氢外,从生物质中制氢也正在大力研究之中。目前采用的方法是,利用生物质和有机废料中的碳素材料与溴及水在250℃下作用,形成氢溴酸和二氧化碳溶液,然后再将氢溴酸水溶液电解成氢及溴,溴再循环使用。

小结:

当然除去上面提到的几种制氢方法还有其余的方式,比如氨制氢等。可以说,在整个制氢技术中,越远离低碳的制氢方式,将越来越受到青睐,而在前期氢能源的普及过程中,还是会大量使用并依赖石化燃料制氢的方式。

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