鉅大LARGE | 點擊量：1934次 | 2021年10月20日
日本氫燃料動力電池汽車與氫能源：氫從哪里來？
要說對氫燃料動力鋰電池，再也沒有比日本更加執(zhí)著的。十二月十五日，豐田即將在國內(nèi)開售全新氫燃料動力鋰電池汽車Mirai，本田FCV量產(chǎn)車型也將于明年三月下旬在日本上市。豐田能夠堅持20年的研發(fā)，離不開日本舉國力的支持，歸根結(jié)底，是日本政府有關(guān)真正掌握一項能源技術(shù)、不受制于人的渴求。先來看看，氫氣是怎么來的。
假如不是那場海嘯引發(fā)的核泄漏，日本可能不會放棄純電動汽車的計劃。日本關(guān)閉全部讓所有車企意識到原本利用夜間剩余電力充電的夢想無法實現(xiàn)了。面對日益高漲的石化燃料價格以及日本國內(nèi)越來越大的能源漏洞，日本開始尋找真正的可替代能源。這項能源或許暫時是不清潔的，暫時是高成本的，但一定是要有希望的，能真正掌握的。
不是日本沒有考慮過天然氣，也不是說甲烷燃料動力鋰電池的劣勢太多，真正讓日本放棄天然氣的主因之一就在于這項能源的多數(shù)標(biāo)準都不在日本手里。這意味著未來假如使用天然氣類能源，仍將向海外支付大筆的專利費用。氫氣不存在這種情況，目前日本掌握的相關(guān)氫能源的專利遙遙領(lǐng)先，國內(nèi)氫能源規(guī)模在全球或許不是最大的，但實用率卻是最高的。
做為長期的規(guī)劃，氫元素因為蘊藏量巨大而受到青睞，但關(guān)鍵在于，自然界中以單質(zhì)氫氣存在相當(dāng)少見，制氫就成為使用氫能源的大問題。制氫技術(shù)要考慮環(huán)境、經(jīng)濟、實用等方面，因此目前制氫多采用電解鹽水、冶煉等高碳排放技術(shù)，未來逐步推廣到可再生能源電解水、生物制氫、太陽能等低碳技術(shù)。
副產(chǎn)品氫氣
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
氫氣在很多行業(yè)以一種副產(chǎn)品的形式存在，這些行業(yè)重要集中在制堿和冶煉等高溫工業(yè)領(lǐng)域。由于氫氣并不是最終的生產(chǎn)目標(biāo)，所以導(dǎo)致副生氫氣在規(guī)模、成本和品質(zhì)方面有一定的差距。
比如電解鹽水工業(yè)應(yīng)用中，雖然氫氣的純度較高但產(chǎn)量較少同時成本較高。冶鐵制鐵等高溫行業(yè)雖然也會出現(xiàn)大量的氫氣，但這種氫氣的純度不高，而且多數(shù)廠生產(chǎn)的氫氣一般自給自足，并不會外售。冶煉廠在產(chǎn)量滿足自身需求之后，才會對外出售氫氣，但產(chǎn)量不大且供給關(guān)系不穩(wěn)定。
制堿工業(yè)雖然對氫氣的需求量不大而且多數(shù)會外售，但制堿廠要鹽、水和電。其中電力依然要自己生產(chǎn)，最后經(jīng)過制堿廠最終出現(xiàn)氯氣、氫氣和苛性堿(重要為氫氧化鈉)。氫氣經(jīng)過壓縮精制后依據(jù)需求制成液化氫或壓縮氫供給民用。
化石燃料反應(yīng)
目前絕大多數(shù)氫氣來自天然氣和石油燃料反應(yīng)。目前比較主流的是依靠天然氣和水的反應(yīng)，甲烷和水經(jīng)過高溫出現(xiàn)一氧化碳和氫氣。常規(guī)理論上，這部分一氧化碳和氫氣通常被用來還原金屬脫硫等應(yīng)用。不僅天然氣，工業(yè)上也常用無煙煤或焦炭作為原材料與水蒸氣高溫發(fā)生反應(yīng)出現(xiàn)水煤氣(一氧化碳和氫氣的混合物)，然后再與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)制得氫氣。通常這種方法制氫成本較低產(chǎn)量較大，設(shè)備較多。
用此種方法制氫要800℃以上的高溫，化學(xué)公式中甲烷和水的比例是一比一，但在實際應(yīng)用中這個比例通常要達到一比三，過多的水分參與會浪費絕大多數(shù)熱量。生產(chǎn)出二氧化碳和氫氣之后，可以將氣體壓入水中溶去二氧化碳，最終得到較高純度的氫氣。
電解水
電解水制氫重要分為制堿工業(yè)中的電解鹽水和電解純水兩種方式。就目前而言，電解純水相對電解鹽水成本更高。這是因為鹽水中富含大量的正負離子，在傳導(dǎo)電流方面有著純水不可比擬的優(yōu)勢。電解鹽水的副產(chǎn)品是苛性堿、氯氣、氫氣、氧氣，而電解純水的產(chǎn)物只有氧氣和氫氣。
兩者制備氫氣的純度相仿，都可以達到99.99%，但鹽水電解要更具規(guī)模更容易形成產(chǎn)業(yè)化，電解水在速度和能耗兩方面依舊比不上電解鹽水。
雖說電解水在成本上難以控制，但這卻是未來最值得關(guān)注的技術(shù)。一方面氫氣可以起到儲存電能的功效，可以使風(fēng)力、太陽能以及再生能源統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電能，然后將電能以氫氣的方式儲存起來。夜間富余電能過多，也可以用氫氣存儲，最終達到電力供應(yīng)削峰填谷的目的。
氫氣的儲存電能比電池儲存成本更低，而且電池儲存電能僅僅短時間有效而且電能流失較多，能量密度較小，成本較高，所以電解水將成為未來一種新的儲存能量方式。
這項技術(shù)已經(jīng)開始在家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用，也就是利用氫氣和氧氣之間的放熱反應(yīng)不僅可以供暖還可以供電。目前日本小型家用設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了固體高分子燃料動力鋰電池PEFC和固體氧化物燃料動力鋰電池SOFC兩種類型。這個項目中松下和東京燃氣以及東芝和京瓷公司都已經(jīng)開始投入，目前重要的工作集中在降低PEFC和SOFC的成本。
電解水技術(shù)的未來關(guān)系到可再生能源，假如能找到有效的催化劑以及更好的反應(yīng)方式，可再生能源制氫的前景將十分樂觀。
生物制氫
目前生物制氫尚在初步階段，也不成熟，重要依靠農(nóng)作物、木材等碳水化合物材料。我國在生物制氫上也取得了很大的進步，但焦點重要集中在產(chǎn)氫酶上。
目前的研究大多集中在純細菌和細胞固定化技術(shù)，如產(chǎn)氫菌種的篩選及包埋劑的選擇等。在上述生物制氫方法中，發(fā)酵細菌的產(chǎn)氫速率最高，而且對條件要求最低，具有直接應(yīng)用前景；而光合細菌產(chǎn)氫的速率比藻類快，能量利用率比發(fā)酵細菌高，且能將產(chǎn)氫與光能利用、有機物的去除有機地耦合在一起，因而相關(guān)研究也最多，也是具有潛在應(yīng)用前景的一種方法。非光合生物可降解大分子物質(zhì)產(chǎn)氫，光合細菌可利用多種低分子有機物光合產(chǎn)氫，而藍細菌和綠藻可光裂解水產(chǎn)氫，依據(jù)生態(tài)學(xué)規(guī)律將之有機結(jié)合的共產(chǎn)氫技術(shù)已引起人們的研究興趣。
混合培養(yǎng)技術(shù)和新生物技術(shù)的應(yīng)用，將使生物制氫技術(shù)更具有開發(fā)潛力。
太陽能
太陽能制氫重要取決于光，而對光的應(yīng)用在重要在光、熱、電等幾個方面。在光參與的絕大多數(shù)制氫途徑中均有水的參與，還是依循水的電解和分解過程。
太陽熱分解水可以直接將水熱分解，只是要采用比較大型的集光設(shè)備，通過水在3000K(熱力學(xué)溫度，約為2727℃)下的不穩(wěn)定性將水分解成氫氣和氧氣，分解效率較高，但集光設(shè)備費用高昂。當(dāng)然，現(xiàn)在可以在水中加入催化劑，使水在1000K(約為727℃)左右就可以完成分解。
也可以先利用太陽能發(fā)電，再電解水制氫。這個方法存在一個變種，即先進行光化學(xué)反應(yīng)，再進行熱化學(xué)反應(yīng)，最后再進行電化學(xué)反應(yīng)即可在較低溫度下獲得氫和氧。這種方法為大規(guī)模利用太陽能制氫供應(yīng)了實現(xiàn)的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵是尋求光解效率高、性能穩(wěn)定、價格低廉的光敏催化劑。
此外太陽能制氫還有光電化學(xué)反應(yīng)制氫，其重要依據(jù)特殊的化學(xué)電池，另外還有模擬植物光合用途分解水制氫，該技術(shù)尚處在起步階段。最后一種則是光合微生物制氫，利用江河湖海中的某些藻類制氫。
除了利用太陽能和核能制氫外，從生物質(zhì)中制氫也正在大力研究之中。目前采用的方法是，利用生物質(zhì)和有機廢料中的碳素材料與溴及水在250℃下用途，形成氫溴酸和二氧化碳溶液，然后再將氫溴酸水溶液電解成氫及溴，溴再循環(huán)使用。
小結(jié)：
當(dāng)然除去上面提到的幾種制氫方法還有其余的方式，比如氨制氫等?？梢哉f，在整個制氫技術(shù)中，越遠離低碳的制氫方式，將越來越受到青睞，而在前期氫能源的普及過程中，還是會大量使用并依賴石化燃料制氫的方式。
