隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源清潔性、高效性的要求愈發(fā)突出，人類(lèi)對(duì)地球環(huán)境的透支不可持續(xù)，提示調(diào)整能源結(jié)構(gòu)已刻不容緩。氫氣以其來(lái)源廣、熱值高、零污染等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗唬瑲淠芤渤蔀檎{(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要途徑，其中，氫燃料電池車(chē)是目前氫能的重要應(yīng)用領(lǐng)域。
工業(yè)行業(yè)中氫氣的來(lái)源歲月漫長(zhǎng)
將工業(yè)副產(chǎn)氫氣作為燃料電池的氫源，有利于解決燃料氫氣的成本和大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題。
我國(guó)已經(jīng)連續(xù)多年成為全球氫氣產(chǎn)量最大的國(guó)家，目前國(guó)內(nèi)主要?dú)錃鈦?lái)源是煤制氫、天然氣和甲醇重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫，其中，電解水制氫的氫氣品質(zhì)最好，但成本也是最高的。
其中，工業(yè)副產(chǎn)氫是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)物，因副產(chǎn)氫純度較低、成分復(fù)雜，目前通常只有燃燒等低效利用途徑，甚至直接送到火炬排空。這類(lèi)氫氣廣泛存在于焦化、氯堿、丙烷脫氫（PDH）和輕烴裂解等行業(yè)，成本低廉、不會(huì)產(chǎn)生額外碳排放且在全國(guó)各地均有分布，將這一類(lèi)氫氣作為燃料電池的氫源，有利于解決燃料氫氣的成本和大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題，真正做到變廢為寶。
以焦?fàn)t煉焦行業(yè)為例，2019年全國(guó)焦炭產(chǎn)量為4.71億噸，副產(chǎn)氫氣可達(dá)到980萬(wàn)噸，而百萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)耗氫量不過(guò)60萬(wàn)噸/年，潛力巨大。
獲取燃料氫氣的技術(shù)難點(diǎn)
99.999%的工業(yè)高純氫都很難達(dá)到燃料氫氣對(duì)于微量雜質(zhì)的要求。
在燃料電池用氫氣的應(yīng)用上，與普通工業(yè)行業(yè)的氫氣標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 3634.2-2011有很大不同。如下圖（圖1-1）中GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)用燃料 氫氣》，在氫氣純度上，99.99%的高純氫氣可滿(mǎn)足燃料氫氣99.97%的要求，但難點(diǎn)在于氫氣中的微量雜質(zhì)，尤其是CO≦0.2ppm是99.99%的工業(yè)純氫甚至99.999%的工業(yè)高純氫都難以達(dá)到的。工業(yè)氫氣關(guān)注氫氣純度，而燃料氫氣關(guān)注特定雜質(zhì)含量。
圖1-1 GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)用燃料 氫氣》
對(duì)于燃料氫氣，CO是氫氣所含雜質(zhì)中處理難度最大的。以目前工業(yè)氫氣提純上普遍采用的變壓吸附提氫（PSA）吸附劑5A分子篩為例，通過(guò)以下等溫吸附線(xiàn)（圖1-2）可以看出，對(duì)CO和N2的吸附量不管是在高分壓下還是在燃料氫氣除雜所關(guān)注的低分壓下，兩者的分離比約2.5，差別不大，可以理解為吸附劑對(duì)兩者的脫除能力相近，但是微量CO會(huì)導(dǎo)致燃料電池催化劑Pt的中毒失活，而如N2和Ar等惰性氣體則不會(huì)對(duì)燃料電池造成損壞，在燃料氫氣的標(biāo)準(zhǔn)中也可以看出，對(duì)兩者的含量限定相差了500倍。
圖1-2 5A分子篩在25℃下吸附等溫線(xiàn)
很明顯，在燃料氫氣的應(yīng)用上，微量CO分離是傳統(tǒng)變壓吸附提氫的“短板”，要想達(dá)到CO≦0.2ppm的要求，就需要同時(shí)將燃料氫氣中含量要求不高的N2和Ar等雜質(zhì)一并脫除至很低的水平，結(jié)果就是損失了收率導(dǎo)致燃料氫氣成本升高，同時(shí)還難以解決原料氣組分波動(dòng)和吸附劑長(zhǎng)期運(yùn)行性能下降所導(dǎo)致的燃料氫氣品質(zhì)不穩(wěn)定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)此，最有效的方法就是跳出傳統(tǒng)變壓吸附提氫的工藝限制，采用專(zhuān)有的方法來(lái)解決燃料氫氣中CO除雜的難題，這也正是衣寶廉院士在2019全球燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)論壇上指出的觀點(diǎn)，燃料氫氣中的CO問(wèn)題，需要專(zhuān)門(mén)的裝置來(lái)做專(zhuān)門(mén)的處理。
為此，佳安氫源自主研發(fā)了采用“模塊化定向除雜（MDP）”技術(shù)的MDP燃料氫氣除雜裝置，包含凈化、脫硫、脫氧、變壓提氫、變溫除雜等模塊，根據(jù)原料氣中雜質(zhì)組分和含量不同以及產(chǎn)品氣的要求不同，選取不同的模塊，針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的氫氣提取，其中的變溫除雜模塊，完全不同于傳統(tǒng)的變壓提氫工藝和吸附劑，采用我公司特有的JA-01型吸附劑，結(jié)合變溫除雜工藝，專(zhuān)門(mén)針對(duì)燃料氫氣中CO除雜的難題，可經(jīng)濟(jì)的將氫氣中的CO脫除至0.1ppm以下，穩(wěn)定、可靠的保證了燃料氫氣的品質(zhì)。
在下文中將對(duì)比直接采用傳統(tǒng)變壓吸附提氫技術(shù)方案，和采用MDP燃料氫氣除雜裝置變壓提氫模塊和變溫除雜模塊組合方案的經(jīng)濟(jì)性。
制取燃料氫氣的經(jīng)濟(jì)性分析
原料氣的組分如圖1-3，壓力為2.2MPa，溫度25℃，是目前化工行業(yè)中常見(jiàn)的原料氣條件，價(jià)格約0.9元/Nm3，年滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間8400小時(shí)，產(chǎn)品氣要求滿(mǎn)足GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)用燃料 氫氣》，產(chǎn)品氣量為1000Nm3/h（約2143kg/天）。
圖1-3 原料氣組分情況
以下兩種方案的對(duì)比，體現(xiàn)了模塊化除雜技術(shù)的優(yōu)越性。
方案1：僅采用傳統(tǒng)PSA工藝，為穩(wěn)定滿(mǎn)足產(chǎn)品氫氣中CO<0.2ppm的要求，產(chǎn)品氫氣的純度需達(dá)到99.999%-99.9999%，總體收率約81%，需要原料氣量為1501Nm3/h，對(duì)應(yīng)原料氣成本1134.61萬(wàn)元，計(jì)入年設(shè)備折舊、運(yùn)維和公用工程消耗后，每公斤燃料氫氣成本15.34元。
方案2：采用“模塊化定向除雜（MDP）”技術(shù)的MDP燃料氫氣除雜裝置的變壓提氫模塊和變溫除雜模塊組合，產(chǎn)品氣滿(mǎn)足GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)用燃料 氫氣》要求，收率提高到85%，需要原料氣量為1430Nm3/h，對(duì)應(yīng)的原料氣成本為1081.22萬(wàn)元，計(jì)入年設(shè)備折舊、運(yùn)維和公用工程消耗后，每公斤燃料氫氣成本僅14.90元。
對(duì)比可知，采用了“模塊化定向除雜（MDP）”技術(shù)的MDP燃料氫氣除雜裝置的變壓提氫模塊和變溫除雜模塊組合的方案二，不但為用戶(hù)降低了生產(chǎn)成本，從而降低了產(chǎn)品燃料氫氣的成本，還通過(guò)專(zhuān)有技術(shù)，解決了由于原料氣組分波動(dòng)和吸附劑長(zhǎng)期運(yùn)行性能下降所導(dǎo)致的燃料氫氣品質(zhì)不穩(wěn)定的潛在問(wèn)題，可為燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化運(yùn)行提供經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠的燃料氫氣。
