制氫環(huán)節(jié)是決定氫燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。從短期來看，工業(yè)副產(chǎn)氫是解決氫氣需求的過渡性辦法，從中長期來看，可再生能源電解制氫是氫源的終極解決方法，一方面取決于可再生能源電力生產(chǎn)成本的進(jìn)一步下降；另一方面，風(fēng)光水等可再生能源地區(qū)往往遠(yuǎn)離用氫負(fù)荷中心，儲運環(huán)節(jié)成本下降也需要同步配合，如管道運氫，液罐運氫等的發(fā)展，擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)運輸半徑。

① 制氫成本過高是限制氫能推廣的主要障礙之一：

      通過與市場上其他類型汽車的使用成本拆解對比，過高的燃料消耗成本是導(dǎo)致燃料電池車綜合成本偏高的來源之一。氫氣相比于其他燃料更高的價格主要來自生產(chǎn)制備環(huán)節(jié)。從我國目前的供氫基礎(chǔ)設(shè)施完善程度和技術(shù)水平來看，包括制氫和儲運在內(nèi)的氫氣成本占到加氫站終端售價的70%左右，其中氫氣原材料成本占比達(dá)到50%。因此制氫環(huán)節(jié)較大程度上決定了氫燃料使用的經(jīng)濟(jì)性。
      國內(nèi)制氫資源豐富，可供選擇的制氫途徑也較為多樣，僅18年可再生能源棄電如果全部用來電解水制氫的話就可生產(chǎn)清潔氫200萬噸以上，足以滿足中短期的氫能產(chǎn)業(yè)需求。但各類型制氫路線的經(jīng)濟(jì)性尚不足以保障燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化。加之目前氫氣儲運環(huán)節(jié)存在的掣肘，氫氣運輸瓶頸尚未完全突破、成本較高。在當(dāng)前供氫體系下，包括生產(chǎn)和儲運在內(nèi)的氫氣成本仍不具備市場競爭力。
      天然氣重整制氫較為成熟，也是國外主流制氫方式。但是天然氣原料占制氫成本的比重達(dá)70%以上，不符合我國富煤、貧油、少氣的資源狀況。
      焦?fàn)t煤氣制氫理論規(guī)模龐大，2018年國內(nèi)焦炭產(chǎn)量達(dá)到4.3億噸，焦?fàn)t煤氣中氫氣含量約占50%-60%，可產(chǎn)副產(chǎn)氫氣700萬噸以上，數(shù)量極大，占據(jù)工業(yè)副產(chǎn)氫總量的90%以上，但是雜質(zhì)的凈化和產(chǎn)品氫氣中微量雜質(zhì)的控制是難點。
      化工特別是氯堿化工等副產(chǎn)氫純度高，中國燒堿年產(chǎn)量基本穩(wěn)定在3000萬－3500萬噸之間，副產(chǎn)氫氣75萬－87.5萬噸，扣除約60%的氫氣被配套聚氯乙烯和鹽酸利用，剩余約28萬－34萬噸。
      甲醇及合成氨、PDH 合成氣含氫量60%-95%之間，純化后可以滿足燃料電池要求。中國已建和在建PDH項目，副產(chǎn)含氫約37萬噸/年；中國合成氨生產(chǎn)能力1.5億噸/年，可回收氫氣約100萬噸/年；合計168萬噸/年。按照每百公里3.8kg耗氫量，每輛車每年跑2萬km測算，可以滿足220萬輛燃料電池汽車的需求，可以滿足我國氫能及燃料電池發(fā)展路線圖2030年燃料電池汽車達(dá)到百萬輛的要求，但由于存在碳排放問題，不符合綠色發(fā)展理念。
天然氣制氫受制于國內(nèi)高原料成本
      天然氣制取氫氣的工藝技術(shù)主要根據(jù)氧化劑性質(zhì)的不同分為三種：1. 蒸汽重整(Steam reforming)：純水蒸氣用作氧化劑，反應(yīng)需要吸熱; 2. 部分氧化(Partial oxidation)：使用氧氣或空氣，反應(yīng)過程放熱；3. 自熱重整(Autothermal reforming)：蒸汽重整和部分氧化的結(jié)合，混合空氣和水蒸氣，并調(diào)整兩種氧化劑的比例，使之不需要吸收或排放熱量（等溫）。甲烷蒸汽重整(SMR)是目前天然氣大規(guī)模制氫最廣泛的技術(shù)。重整是通過化學(xué)過程在催化劑條件下將碳?xì)浠衔锖痛嫁D(zhuǎn)化為氫，產(chǎn)生副產(chǎn)品水（蒸汽）、一氧化碳和二氧化碳。反應(yīng)溫度大約在700℃和900℃之間。在短期內(nèi)，SMR仍將是大規(guī)模制氫的主導(dǎo)技術(shù)，因為它的經(jīng)濟(jì)效益更好，并且在世界范圍內(nèi)有大量的SMR裝置在運行。
      首先是原料預(yù)處理, 這里主要指的就是原料氣脫硫, 實際工藝運行當(dāng)中一般采用天然氣鈷鉬加氫串聯(lián)氧化鋅作為脫硫劑將天然氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫再進(jìn)行去除。
      其次是進(jìn)行天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化,在轉(zhuǎn)化爐中采用鎳系催化劑, 將天然氣中的烷烴轉(zhuǎn)化成為主要成分是一氧化碳和氫氣的原料氣。
      最后一個步驟就是提純氫氣，現(xiàn)在最常用的一種氫氣提純系統(tǒng)就是變壓吸附凈化分離(PAS)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能耗低、流程簡單、制取氫氣的純度較高，最高時氫氣的純度可達(dá)99.99%。
      據(jù)中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)，國內(nèi)天然氣原料占制氫成本的比重達(dá)70%以上，天然氣價格是決定制氫價格的重要因素。并且考慮到碳排放處理需要結(jié)合CCUS技術(shù)，會導(dǎo)致平均資本支出增加約50%，燃料成本增加約10%。由于二氧化碳的運輸和儲存成本，還導(dǎo)致平均運營成本增加一倍?？紤]到中國“缺油少氣”的資源稟賦條件，僅有中西部等少數(shù)天然氣資源富集的地區(qū)可以開展探索這一制氫路徑。

② 可用于燃料電池汽車供氫的清潔氫氣資源可觀，但面臨市場競爭力不足的問題：

③ 化工副產(chǎn)氫是當(dāng)前過渡方案，可再生能源發(fā)電解制氫是氫源終極方案：

      因此，長期來看可再生能源電力制氫是終極方案。

      目前已有多種制氫技術(shù)，以如下三種技術(shù)路線為主導(dǎo)：一是以煤和天然氣為主的化石能源重整制氫；二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為主的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，三是電解水制氫。其他制氫工藝包括生物質(zhì)制氫、太陽能光解水制氫等多處于實驗開發(fā)階段，本文不做論述。

制氫技術(shù)綜述 ▼ 

      當(dāng)前制氫原料主要以石油、天然氣、煤炭等化石資源為主，較之于其他制氫方法，化石能源重整制氫工藝更為成熟，原料價格相對低廉，但會排放大量的溫室氣體，污染環(huán)境。從全球范圍來看，天然氣制氫是現(xiàn)今最主流的形式，占比近 50%；醇類次之，占比為30%；僅有4%左右來源于電解水。我國則以煤炭制氫為主，占比為62%，天然氣次之，占比為19%，與“富煤貧油少氣”的能源稟賦特征相符。

SMR制氫工藝技術(shù)參數(shù) ▼

      天然氣的制氫流程主要包括四個：原料氣預(yù)處理、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換、氫氣提純。

      然后是一氧化碳變換，使其在催化劑存在的條件下和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，從而生成氫氣和二氧化碳，得到主要成分是氫氣和二氧化碳的變換氣。

      天然氣制氫成本受多種技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素的影響，其中天然氣價格和資本支出是最重要的兩個因素。燃料成本是最大的成本組成部分，在不同國家和地區(qū)占生產(chǎn)成本的45%至75%。中東、俄羅斯和北美的天然氣價格較低，因此制氫成本也最低。中國等天然氣進(jìn)口國因為面對更高的天然氣進(jìn)口價格，導(dǎo)致氫氣生產(chǎn)成本上升。

中國的天然氣制氫成本最高 ▼