佳安氢源李想：如何实现工业氢到燃料氢的转变？

全新的燃料电池用氢国家标准《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》于2019年7月1日起开始实施，提出了燃料氢气的概念。

该标准规定了质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气的术语和定义、氢气纯度、氢气中杂质含量要求及其分析试验方法等，适用于全氟磺酸类质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气的品质要求。

这份新的国标尽管发布一月有余，但并未引起业界的太多关注。

据了解，目前全国运营的加氢站，绝大部分氢气的纯度或杂质含量并不能满足燃料电池的用氢标准，尤其是杂质含量过多，可能会给燃料电池带来不可逆的物理性损害。

佳安氢源科技有限公司营销部总监李想认为，新标准颁布之前，我国燃料电池用氢多数参照工业氢标准。

但工业氢与燃料氢有本质的区别，前者主要关注的是氢气的纯度，后者关注的是特定杂质的含量，即便纯度达到五个九（99.999%）的高纯氢，如果杂质超标，照样会对习惯吃细粮的燃料电池带来重大损害。

李想表示，氢气中即使是微量甚至痕量的杂质，对氢燃料电池的影响也是非常严重的。

卤化物在生成酸性物质后，会对燃料电池内部结构产生腐蚀导致氢燃料电池不可逆的结构损坏。

硫和一氧化碳由于与催化剂铂的亲和力比氢更强，其占据催化剂的活性位点后不易移除，导致催化剂铂没有足够的活性位点将氢催化分解为质子和电子，去完成氢燃料电池后续的反应，使氢燃料电池的输出功率下降且难以恢复，这其中又以硫更甚。

以下是采访实录：

问：目前，氢燃料行业发展面临哪些问题？

李想：燃料氢主要存在三个问题。

一是氢气品质不够“高”：氢燃料电池对氢气的要求非常高，“娇贵”的氢燃料电池很容易因为氢气中杂质的存在导致性能下降甚至报废。

而目前我国绝大部分氢气来源于化石能源，因此氢的纯度和品质不够高。

二是氢气价格不够“低”：目前我国加氢站经营的氢气，价格在60-120元/公斤之间，而且还需要政府补贴。

事实上，我国有大量低成本的工业副产氢可以利用，这部分氢气若通过纯化，可以大幅降低燃料电池汽车用氢的成本。

以焦炉炼焦行业为例，2017年全国焦炭产量为4.32亿吨，副产氢气可达到735万吨，而百万辆燃料电池汽车每年的耗氢量不过60万吨。

产量巨大的工业副产氢成本较低，如芳烃重整得到的工业副产氢，一般对外售价5-8元/kg，焦炉煤气的工业副产氢一般对外售价8-10元/kg。

如果能将工业副产氢充分利用，制取燃料氢气供燃料电池汽车使用，就无须额外消耗能源制氢，可以真正做到变废为宝，大幅降低燃料氢气的成本。

三是氢源距离不够“近”：目前能够满足燃料氢要求的氢源与加氢站和燃料电池汽车集中区域往往存在一定距离，需要长距离运输，导致氢气的储运成本居高不下，若能够充分利用与加氢站和燃料电池汽车集中区域较近的氢源，就可以大幅降低燃料氢气的储运成本。

问：7月1日我国实施了燃料电池用氢标准，如何看待这个标准？

李想：燃料电池用氢的标准刚刚实施，之前燃料电池用氢没有国家标准，只能参考工业氢的国家标准。

实际上，工业氢和燃料氢存在非常大的差别。在工业用氢标准里边，高纯氢即5个9的氢也不一定能满足燃料电池用氢要求。

在工业氢的标准里，高纯氢限定的一氧化碳含量比国家标准高五倍，对燃料电池有不可逆的损坏。

工业氢也没有对硫的含量做要求，硫对燃料电池影响是非常大的，对催化剂铂的毒害作用比一氧化碳还要强。

图1：GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》中对氢气品质的要求

问：工业氢气和燃料电池氢的具体区别有哪些？工业氢能否直接用于燃料电池？

李想：工业氢不可直接用于燃料电池，需要做有针对性的定向提纯除杂。

工业氢和燃料电池氢最主要的区别是：工业氢主要关注的是氢气的纯度，燃料氢关注的是特定杂质的含量。

目前绝大多数市场上销售的氢气，大家关心的是超纯氢还是高纯氢的问题，或者说纯度是几个九，这还是停留在工业氢标准的思维上，相信随着时间的推移和大家开始越来越重视燃料氢的品质问题，这样的情况会改观。

工业氢对硫化物没有要求，例如氯、嗅、碘等化合物，但在燃料电池里有严格要求，因为氯、嗅、碘化合物会对燃料电池的质子交换膜产生腐蚀，破坏其碱性反应环境，对燃料电池造成不可逆的物理损坏，甚至穿孔。

在新国标里，氮气，氩气、氦气含量对于工业氢影响很大，会影响其纯度。

然而燃料电池里边，三个气体为惰性气体，对电极和燃料电池本身没有太大影响，只是在一定程度上降低了燃料电池的效率。

燃料氢不需要那么高的纯度，氢气纯度达到99.97%即可，只需要保证一氧化碳和硫等特殊敏感杂质的含量就可以。

图2：工业氢气和燃料氢气对氢气品质要求的区别

问：目前国内燃料电池汽车所用的氢气，是工业氢标准吗？

李想：目前国内燃料电池车用氢来源分两类。

一类是水电解制氢，一般不存在杂质问题，只要把水的纯度保证好，氢的纯度是可以保证的。但是电解效率很低，氢气成本很高，且占地比较大。

第二是工业氢，高纯氢在工业应用比较多，主要应用在电子和精细化工行业，一般在这些产业集中区都会有相应的制氢和提纯装置，但是一氧化碳和硫的含量一般无法达到燃料氢的要求。

甲醇重整制氢会有一氧化碳和甲烷脱除的问题天然气重整制氢的一氧化碳和硫含量的控制是一个很大的挑战。

问：如何才能去掉氢气中的硫和一氧化碳等杂质？

李想：如果要达到燃料氢气的标准，就需要对氢气进行有针对性的定向除杂提纯。

由于燃料氢气的要求不同于工业氢，提纯技术也需要做一些相应的优化调整，主要针对燃料电池较为敏感的杂质进行有针对性的脱除，来源不同的氢气由于杂质种类和杂质含量不同，需要做有针对性的对应方案。

传统的氢气提纯技术因为是为了满足工业氢的标准，用来做燃料氢气提纯，效率会比较低，传统方式提纯的氢气收率甚至只能达到60%-70%左右，我们的所采用的MDP技术根据氢气情况的不同，可以达到90%以上且在国际上也是独有的。

模块化定向除杂技术（MDPModularDirectionalPurification）是根据杂质的组成种类进行定向分析，优化选择脱除材料和方法及杂质的脱除顺序，从而达到优化脱除的目的。

工业氢通过MDP纯化后，可以完全满足燃料氢品质的要求，氢气纯度和各项杂质含量符合新的燃料电池用氢标准。

问：这种纯化技术需要付出什么样的成本？

李想：成本跟气体来源有关系，大体成本在2元/公斤左右，如果原料氢气已经是99.9%经过提纯的氢气了，成本仅几毛钱。

我们目前有两种方式提纯。

一是在氢源端把纯度不够的氢气通过MDP提纯技术得到燃料氢，然后通过长管拖车运输到加氢站，能保证氢气在出厂前就达到燃料氢的品质，这样的应用场景是低压的氢气提纯。

二是把纯化设备放在加氢站，在长管拖车运输的氢气进入加氢站设备和管路之前，通过MDP提纯技术对氢气做一次纯化，保障加氢站设备的稳定运行和燃料氢的品质。

这样的应用场景是20MPa的高压氢气提纯，这样加氢站甚至都不需要高价采购高纯氢了，就近采购99.9%的普通工业氢通过这样的技术就可以满足燃料氢要求，大幅降低了加氢站的氢气采购成本和储运成本。

在氢源端，要考察氢的杂质，因为是通过不同方式得到的氢。

如果已经是经过粗加工的氢气，例如三个九的氢已经脱除了很多的杂质，再经过我们设备进行提纯，成本会比较低。

如果前端没有三个九的纯化，因为还涉及到脱除大分子等杂质，还有很多的工序，成本会比较高。