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制氢成本太高?铁矿石做催化剂或许能救氢能源车

作者:中国储能网新闻中心 来源:车云网 发布时间:2018-10-07 浏览:
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中国储能网讯:尽管进展相对电动车来说更为缓慢,但是燃料电池车的队伍也依然在慢慢壮大着。除了日本企业之外,宝马奥迪均有氢燃料电池概念车的推出计划,作为对燃料电池的前沿研究,通用与本田也有合作计划。国内氢燃料电池车则在商用车上有所进展,比如宇通在五月份推出了续航600公里的氢能源客车,而上周广东也宣布开始氢能源客车的示范运营。

与电动车相类,氢燃料电池的推进过程中,在成本之外,氢能源的供给是限制其发展的一个主要因素。这个供给包括几个方面,包括制氢,氢气运输以及加氢站的基础设施建设等。

在之前论述《日本与氢能源》的系列文章中,车云菌曾经详细介绍过目前行业内一些常用的制氢方式。目前,工业制氢方式中应用最多的依然是利用化石燃料或天然气制氢。能源密集型的制造过程与居高不下的成本,副产物二氧化碳以及对化石燃料的依赖,依然是制约因素。所以,对于制氢方式的研究也一直没有停下过。

用铁矿石取代镍作为催化剂

在现在常规的制氢方式中,将天然气中的甲烷(CH4)与水进行反应制氢是比较常用的一种形式。在这个过程中会产生大量的二氧化碳,在制取完成后,需要将氢气压入水中溶解二氧化碳进行提纯,得到纯度较高的氢气。二氧化碳的排放本身也是个问题。

而同样是在1950年就开始的甲烷裂解的方式,通过在高温下(750℃以上)热裂解甲烷,可以得到组成甲烷的两种元素:氢气与碳,与前面提到的方式不同,在这种方式下并不会产生二氧化碳。碳是以固态粉末状出现的,也就是生成了石墨。

澳洲一家成立于2010年的公司,Hazer Group就是基于甲烷裂解的方式来制氢。那么他们的优势在哪里呢?

在常规的甲烷裂解制氢方式中,存在一个问题,需要催化剂——镍。因为甲烷裂解需要在高温下进行,催化剂的作用是可以降低裂解反应所需要的能量,也就是可以让反应发生的温度降低,另外一个作用则是可以生成更高纯度的固态碳。在甲烷裂解之后,其产物中25%是氢气,而75%则是石墨。石墨的价值与其纯度和结晶度相关,而且现在石墨在锂电池,钢铁和碳纤维的制作中都有应用,本身也具有较高的工业价值。

作为稀有金属,镍的成本一直很高。而且在制取过程中,生成的石墨粉末会附着在催化剂的表面,当累计的石墨到一定程度后,会影响裂解反应的活性,或者导致反应中止。而要重复利用催化剂,则需要对表面附着的石墨粉末进行处理,比如通过燃烧的方式将其去除等。

无论是对吸附石墨的处理过程,还是石墨本身的利用率不高,都是造成此前制氢成本高的原因。

Hazer的方式是将镍更换成了铁矿石,相较而言,铁矿石的成本就要低很多了。在接受英国卫报采访时,Hazer的主管Geoff Pocock表示,Hazer采用的方式,是让天然气经过加热的铁矿石来进行裂解。在这个过程中,生成的一部分氢气会用于系统的能源供给用来加热铁矿石,剩余的氢气作为产出。同时生成的石墨粉末可以作为副产品出售,来增加经济可行性。Hazer的目标是让氢气的制取成本能够降低到0.5-0.75美元/公斤。

尽管在铁矿石的开采过程中也会产生二氧化碳的排放,不过Pocock表示,对与Hazer来说这并不是个问题,因为他们使用非常铁矿石的量并不多。每使用1吨的铁矿石来进行催化,Hazer能够制造10吨的氢气。

美好的理想能成为现实么?

如果这一套路可以完美实现,当然是很好的,一箭多雕。氢气与石墨二者兼得,石墨的销售帮助降低成本,也可以让减少大量的二氧化碳排放。但是依然存在一些问题。

现在并非只有Hazer在对甲烷裂解反应进行研究。先进可持续性研究院(IASS)德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员在去年11月宣布利用甲烷裂解制氢,不过期初步成本在1.9-3.3欧元/公斤,这个成本并没有考虑副产品石墨的价值。当然也提到,因为技术目前并不完全成熟,因而对于成本的估算不够准确。

IASS与KIT的团队是设计了一个新的实验反应器,基于液态金属技术,注入甲烷气泡,在触碰到液态金属表面时,就会裂解成氢气与石墨粉末。研究团队依然在对反应器进行研究,包括如何去除附着的石墨等,如何保证反应器连续高效运作。

工艺制备技术的完善同样是Hazer面临的问题。在目前Hazer的对外技术文件,以及在卫报的采访报道中,均未详细透露其制备过程,因而对于这个制备过程是否存在一些技术难点,也无从了解。卫报还找到了澳洲联邦科学与工业研究组织CSIRO的一名化学工程师Ken Chiang博士了解铁矿石作为催化剂的使用情况。Chiang博士对于Hazer的制取过程并没有进行评论,不过提到很多研究组织正在研究将铁矿石作为新的催化剂选择。相较于稀有金属而言,铁矿石低廉的成本是吸引他们进行研究的重要因素。如果被验证可行,那么很多化学反应的成本将大幅降低。

Hazer目前正在与与悉尼大学的可持续性技术实验室在进行共同研发。但是,目前,Hazer的这项技术还没有开始正式投产。根据Pocock的介绍,到2017年底,Hazer的试点工厂将会达到每天10-100公斤的制氢量,也就是最大的产量是30吨/年。但是如果要达到工业的一定规模,年产量则至少要超过1万吨才行。而如何完成从理论到实际量产的验证,将是Hazer面临的最大考验。

关键字:氢能

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