中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 氫能是一種來(lái)源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要內(nèi)容之一。我國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，年制氫產(chǎn)量約3300萬(wàn)噸，已初步掌握氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在部分區(qū)域已實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用。近期，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》，計(jì)劃到2025年，“燃料電池車輛保有量約5萬(wàn)輛，部署建設(shè)一批加氫站”，并明確強(qiáng)調(diào)“加強(qiáng)氫能的綠色供應(yīng)”“重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫”等舉措。

現(xiàn)階段，我國(guó)制氫產(chǎn)能約4100萬(wàn)噸/年，煤制氫約占59%、工業(yè)副產(chǎn)氫約占24%、天然氣制氫約占16%、電解水制氫約占1%。目前，氫氣仍主要作為一種工業(yè)原料應(yīng)用于化工、冶金等領(lǐng)域，但作為一種能源應(yīng)用于交通、建筑、供電等領(lǐng)域還很少。由此可見(jiàn)，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)體量并不小，只是缺乏由可再生能源制備并能用于能源供應(yīng)的綠色氫源，這對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

生物乙醇不但可以作為燃料部分替代石油，也是制備綠色氫能的理想原料。目前，生物乙醇是世界上應(yīng)用最廣的可再生能源，其在保障國(guó)家糧食安全、應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用；美國(guó)、巴西、歐盟、中國(guó)、阿根廷、加拿大等40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都在積極推動(dòng)生物乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，隨著纖維素乙醇技術(shù)的不斷進(jìn)步，生物乙醇將逐漸突破淀粉基原料供給的束縛，農(nóng)林廢棄物可提供豐富來(lái)源的纖維素作為原料進(jìn)行乙醇發(fā)酵，以保障生物乙醇產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期健康發(fā)展。生物乙醇重整制備的富氫氣體能夠用于燃料電池分布式電站；乙醇能量密度高、揮發(fā)性小、毒性低、便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，隨著重整設(shè)備建造水平的不斷提高，生物乙醇也將適用于加氫站內(nèi)原位制氫；生物乙醇還可采用現(xiàn)有加油站供應(yīng)，便于實(shí)現(xiàn)燃料電池車車載在線制氫。

在我國(guó)《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》《2022年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》等多個(gè)政策文件中，加快纖維素等非糧生物燃料乙醇推進(jìn)與開(kāi)展低成本可再生能源制氫被多次提及。生物乙醇重整制氫是以生產(chǎn)技術(shù)成熟的可再生能源為原料的制氫工藝，是一種有望短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的高效“綠氫”制備技術(shù)，且契合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，具有廣闊的市場(chǎng)前景，對(duì)我國(guó)“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源體系建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義。

生物乙醇重整制氫產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

制氫產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

目前，世界上96%的氫來(lái)源于煤、天然氣等化石燃料，剩余的4%主要來(lái)源于電解水。制氫工藝可分為三大類（圖1）：化工工藝，包括氣化、重整、裂/熱解等；光/電工藝，包括光解、電解等；生物工藝，包括微生物發(fā)酵等。

化工工藝。煤氣化、甲烷重整和甲醇重整是目前較為成熟的制氫工藝，氫氣產(chǎn)量大、產(chǎn)氫效率高。國(guó)際上天然氣因價(jià)格便宜，約占制氫原料的50%。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)為“富煤、貧油、少氣”，因此煤和甲醇制氫具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。甲烷和甲醇也具有可再生來(lái)源，如沼氣、液態(tài)陽(yáng)光，因此傳統(tǒng)化工工藝也能成為綠色制氫工藝。水煤氣變換（WGS）技術(shù)能夠?qū)饣⒅卣a(chǎn)氣中的一氧化碳與水反應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成氫氣，氫氣可通過(guò)變壓吸附（PSA）、膜分離等技術(shù)進(jìn)行分離提純，從而滿足燃料電池進(jìn)氣要求。

光/電工藝。風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等可再生能源均可轉(zhuǎn)化為綠色電能，再通過(guò)電解工藝制備綠色氫能。太陽(yáng)能光催化分解水制氫已在光催化劑、光生電荷分離、高效助催化劑等方面取得重要進(jìn)展。以水為原料的制氫工藝，屬于“零碳”制氫方法，對(duì)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，但經(jīng)常存在產(chǎn)和用的空間割裂問(wèn)題。

生物工藝。生物質(zhì)制氫包括生物質(zhì)發(fā)酵、生物質(zhì)氣化、生物油熱解、生物質(zhì)衍生烷烴或醇水蒸氣重整等多種形式，制氫過(guò)程中釋放的二氧化碳能夠與形成時(shí)吸收的相抵消，屬于“碳中和”制氫方法。生物質(zhì)發(fā)酵制氫原料成本低、操作條件溫和，但制氫效率偏低。生物質(zhì)含水量高、成分復(fù)雜，在氣化、熱解過(guò)程中，易形成積碳或飛灰，造成工藝過(guò)程穩(wěn)定性差，產(chǎn)業(yè)化難度較高。其實(shí)，生物乙醇重整制氫與現(xiàn)有的成熟化工工藝有很多相通之處。例如，共同涉及眾多碳一（C₁）化學(xué)反應(yīng)、相近的生產(chǎn)流程和設(shè)備、采用來(lái)源廣泛且生產(chǎn)技術(shù)成熟的生物質(zhì)原料。因此，生物工藝制氫具有化工工藝集約高效和可再生能源綠色低碳的雙重優(yōu)勢(shì)。

生物乙醇產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2020年，我國(guó)生物乙醇總產(chǎn)量已超過(guò)800萬(wàn)噸，其中燃料乙醇已取代食用乙醇，成為最大的下游應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)量達(dá)290.5萬(wàn)噸。我國(guó)燃料乙醇行業(yè)是為解決庫(kù)存陳化糧而生。2000年，開(kāi)始謀劃推進(jìn)燃料乙醇試點(diǎn)工作。2004年，4家企業(yè)以陳化玉米、小麥為主要原料，定點(diǎn)生產(chǎn)燃料乙醇。試點(diǎn)階段，全國(guó)玉米產(chǎn)量由2000年1.07億噸增加到2005年1.4億噸，顯現(xiàn)出燃料乙醇對(duì)糧食生產(chǎn)的調(diào)節(jié)作用。“十一五”期間，我國(guó)重點(diǎn)推進(jìn)木薯、甜高粱等替代原料，探索燃料乙醇原料多元化。“十二五”期間，國(guó)家持續(xù)執(zhí)行“核準(zhǔn)生產(chǎn)、定向流通、封閉運(yùn)行、有序發(fā)展”政策，玉米芯、秸稈等也加入了我國(guó)燃料乙醇原料行列。2019年，燃料乙醇企業(yè)通過(guò)加快原有生產(chǎn)裝置技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米、水稻、小麥和木薯等多種原料的靈活加工。

多年以來(lái)，淀粉質(zhì)原料的供給始終是制約燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。纖維素乙醇是以玉米秸稈、麥稈、稻草等農(nóng)林廢棄物為原料生產(chǎn)的先進(jìn)生物燃料，低碳排放特性更為突出。近期，國(guó)投生物科技投資有限公司已形成國(guó)際領(lǐng)先的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，于黑龍江省海倫市建成每年3萬(wàn)噸產(chǎn)量的纖維素乙醇工業(yè)示范裝置；至2022年5月底，已打通預(yù)處理至酶解發(fā)酵流程，得到乙醇產(chǎn)品，進(jìn)入優(yōu)化調(diào)試階段。未來(lái)，隨著纖維素乙醇工業(yè)示范裝置的成功運(yùn)行與碳減排政策的落地深化，纖維素乙醇市場(chǎng)將提速發(fā)展。

氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

燃料電池車（FCVs）已成為我國(guó)新能源汽車的重要組成，預(yù)計(jì)2030—2035年達(dá)到100萬(wàn)輛。國(guó)內(nèi)外燃料電池車開(kāi)發(fā)和示范應(yīng)用的首選是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），其具有功率密度高、重量輕、體積小、啟動(dòng)快、耐用性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，日本豐田汽車公司、日本本田汽車公司、韓國(guó)現(xiàn)代汽車公司等開(kāi)發(fā)的燃料電池乘用車性能已基本達(dá)到傳統(tǒng)燃油車水平，進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段；我國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜、催化劑、空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等關(guān)鍵材料和部件較國(guó)際先進(jìn)水平尚存差距，示范應(yīng)用的主要為商用物流車和大中型客車。

與FCVs相關(guān)的儲(chǔ)氫模式主要有3種。①高壓儲(chǔ)氫。FCVs主要采用70MPa的高壓儲(chǔ)氫罐。②液氫模式。常用于大中型儲(chǔ)運(yùn)、卡車運(yùn)輸和洲際氫氣運(yùn)輸，或航天、軍工等特殊場(chǎng)景。③固態(tài)儲(chǔ)氫。相比于高壓儲(chǔ)氫和液氫，固態(tài)儲(chǔ)氫的體積能量密度高、質(zhì)量能量密度低，更適宜用于叉車、潛艇等需要配重的儲(chǔ)氫場(chǎng)景。因?yàn)闅錃獗O限較寬，儲(chǔ)運(yùn)也存在一定的安全隱患，供給還需要配套建設(shè)加氫站，所以人們意識(shí)到FCVs理想的用氫模式可能是車載液體燃料在線制氫。

生物乙醇重整制氫與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的鏈接

生物乙醇重整制氫與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的鏈接模式如圖2所示。玉米秸稈等農(nóng)林廢棄物收集、破碎、打包后運(yùn)輸至工廠，經(jīng)過(guò)預(yù)處理、酶解發(fā)酵、精餾提純等工序生產(chǎn)出生物乙醇。生物乙醇、水和空氣作為原料進(jìn)行汽化、預(yù)熱后，在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)，制取富氫氣體。然后，可采用WGS技術(shù)將重整反應(yīng)氣體中的一氧化碳和水進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣；若重整催化劑的一氧化碳抑制能力較強(qiáng)，也可以直接采用PSA或鈀膜提純氫氣；氫氣分離后剩余的滯留側(cè)氣體中的含能分子，通過(guò)催化或非催化氧化轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，回收的能量可以用于液體原料汽化或反應(yīng)供熱；高濃度的二氧化碳可采用碳捕獲與封存（CCS）或碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術(shù)捕集、利用。純氫氣可在線應(yīng)用于FCVs、儲(chǔ)存于低壓儲(chǔ)氫裝置、用于低壓FCVs；低壓氫氣采用壓縮裝置充入高壓儲(chǔ)氫罐，在為FCVs充氫的過(guò)程中需采用冷卻裝置確保氫氣儲(chǔ)罐不超溫。

生物乙醇重整制氫能夠借鑒甲醇和甲烷重整的成功經(jīng)驗(yàn)，與生物乙醇產(chǎn)業(yè)深度融合，有望適用于工廠內(nèi)制氫、加氫站原位制氫和車載在線制氫，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有氫能產(chǎn)業(yè)快速鏈接。

生物乙醇重整制氫技術(shù)特點(diǎn)

生物乙醇重整制氫反應(yīng)

典型的生物乙醇重整制氫工藝可以分為：水蒸氣重整（SR），部分氧化重整（POX）和自熱重整（ATR）。SR為吸熱反應(yīng)；POX為放熱反應(yīng)；ATR也稱為氧化重整（OSR），為原料與水和氧氣同時(shí)反應(yīng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)氧和醇的比例，使吸、放熱量相同，實(shí)現(xiàn)自熱。SR工藝氫氣產(chǎn)率高，研究最為廣泛；ATR工藝抗積碳能力強(qiáng)、操作條件靈活，也具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛質(zhì)。

生物乙醇重整制氫反應(yīng)過(guò)程中，乙醇通過(guò)脫氫反應(yīng)生成乙醛，也能發(fā)生脫水反應(yīng)生成乙烯，乙烯是積碳的重要前驅(qū)體，容易導(dǎo)致催化劑快速失活。乙醇、乙醛均可以形成丙酮，丙酮可與氧氣和水反應(yīng)生成氫氣，也可重排、脫水后形成積碳（圖3）。

相比于甲醇，乙醇作為C₂₊醇，能量密度更高、毒性和腐蝕性更低，但碳碳鍵的活化能比碳?xì)滏I和碳氧鍵高，造成生物乙醇重整制氫的有機(jī)副產(chǎn)物更多、積碳更嚴(yán)重，對(duì)催化劑穩(wěn)定性的要求更高。乙醇重整反應(yīng)過(guò)程中較難直接生成二氧化碳和氫氣，若以一氧化碳為中間體，則氫氣產(chǎn)率受到WGS化學(xué)反應(yīng)平衡的限制；若以甲烷為中間產(chǎn)物，則需要較高的操作溫度；若以丙酮為中間體，則對(duì)催化劑的選擇性要求較高。

生物乙醇重整與現(xiàn)有成熟的化工制氫工藝存在相似的“卡脖子”問(wèn)題。例如，國(guó)產(chǎn)高溫、高壓泵、閥的可靠性較國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品有一定的差距；關(guān)鍵傳感器芯片通常需要進(jìn)口；生物乙醇重整原料和產(chǎn)物中有機(jī)雜質(zhì)的大量存在，將對(duì)制氫設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大的挑戰(zhàn)。生物乙醇重整制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，亟須開(kāi)發(fā)高品質(zhì)的催化劑及配套設(shè)備。

生物乙醇重整制氫催化劑

生物乙醇重整制氫相關(guān)催化劑種類繁多，銠、釕、金、鈀、鉑、銥等貴金屬和銅、鎳、鈷等非貴金屬均可以作為活性組分。銠基催化劑因具有良好的活性和穩(wěn)定性曾被認(rèn)為是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的首選，但近幾年銠價(jià)格暴漲幾十倍，急需開(kāi)發(fā)新型廉價(jià)催化劑。負(fù)載型催化劑研究最為廣泛，活性金屬和載體間形成的相互作用界面，能夠?yàn)樘继兼I和碳?xì)滏I的斷裂提供高活性位點(diǎn)，載體可促進(jìn)水和氧氣的分解以及碳?xì)滏I的斷裂，并對(duì)積碳的消除和碳?xì)浠衔锏霓D(zhuǎn)化有重要作用。眾多載體中，鈰基稀土復(fù)合氧化物通常能夠使催化劑獲得良好的生物乙醇重整制氫性能。

除催化劑自身性質(zhì)外，反應(yīng)條件和原料品質(zhì)也影響生物乙醇重整制氫效果。提高原料中水的含量和操作溫度，有利于提高氫氣產(chǎn)率、抑制積碳生成，但會(huì)增加能耗；提高氧氣含量能夠抑制積碳生成，但影響氫氣產(chǎn)率；采用低品質(zhì)的生物乙醇有利于降低成本，但影響催化劑制氫效率。

因此，生物乙醇重整制氫產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，催化劑開(kāi)發(fā)應(yīng)綜合考慮成本、能耗、使用壽命等多種因素。

生物乙醇重整制氫反應(yīng)器

目前，重整反應(yīng)器主要有三大類。①管式反應(yīng)器。裝有催化劑的管式反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑更換方便、造價(jià)合理，工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛。②微通道反應(yīng)器。壁上涂覆催化劑的微通道反應(yīng)器，比表面積大、控制靈活、傳質(zhì)和傳熱增強(qiáng)、氫氣產(chǎn)率和能量效率提高，且內(nèi)壁兩側(cè)可分別涂覆重整和氧化催化劑，便于集約化、模塊化，但加工難度大、成本較高。③膜反應(yīng)器。目前，裝有催化劑和滲透膜的膜反應(yīng)器在研的已有透氫、透氧、透二氧化碳等多種類型，其中鈀膜反應(yīng)器能夠?qū)⒅卣磻?yīng)生成的氫氣實(shí)時(shí)分離，促使化學(xué)反應(yīng)平衡向產(chǎn)氫氣的方向移動(dòng)，提高氫氣產(chǎn)率，減小設(shè)備體積。鈀的晶格間隙僅允許氫原子通過(guò)，鈀膜對(duì)氫氣的分離選擇性理論上是無(wú)限的。然而，300℃以下純鈀膜易因“氫脆”而機(jī)械失效，將鈀與銀、銅、釕等元素合金化，能夠使鈀膜在造價(jià)、穩(wěn)定性、抗毒化性等方面有明顯改善。鈀膜對(duì)氫氣的滲透能力，也稱為氫通量，與膜厚度成反比，有研工程技術(shù)研究院有限公司開(kāi)發(fā)的鈀膜產(chǎn)品厚度已經(jīng)降到5μm，極大提高了生物乙醇重整制氫鈀膜反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)可行性。乙醇重整制氫的操作溫度高于甲醇低于甲烷，與鈀膜分離的操作溫度更為契合，短期內(nèi)即有望開(kāi)發(fā)出具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛質(zhì)的鈀膜反應(yīng)器，為生物乙醇重整制氫技術(shù)的小型化和車載在線應(yīng)用創(chuàng)造條件。

生物乙醇重整制氫技術(shù)在線應(yīng)用

相比于化石燃料，生物乙醇的價(jià)格偏高，若不考慮碳稅等扶持政策的影響，短期內(nèi)，生物乙醇重整難以具備與傳統(tǒng)制氫工藝的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。電解水技術(shù)成熟，在中、小、微固定用氫場(chǎng)景已有廣泛應(yīng)用，若能夠妥善解決“綠電”的來(lái)源和價(jià)格問(wèn)題，其將是生物乙醇重整制氫的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。值得指出的是，生物乙醇可以采用與燃油相同的供給模式，不需要配套新建昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，是在線制氫的理想原料。車載生物乙醇儲(chǔ)罐和重整制氫裝置，即可替代高壓儲(chǔ)氫罐，為FCVs在線供應(yīng)綠色氫能。

生物乙醇重整制氫技術(shù)在線應(yīng)用時(shí)，能夠利用FCVs的蓄電池啟動(dòng)電源和空氣供應(yīng)系統(tǒng)，其工作原理可以描述為（圖4）：①開(kāi)車時(shí)，啟動(dòng)電源加熱重整制氫裝置、預(yù)熱原料；②乙醇、水、空氣在重整制氫催化劑作用下，轉(zhuǎn)化為富氫氣體，同時(shí)大部分氫氣透過(guò)鈀膜，形成純氫，供應(yīng)燃料電池，驅(qū)動(dòng)FCVs；③滯留側(cè)氣體中的含能分子發(fā)生催化氧化反應(yīng)釋放熱量；④燃料電池適時(shí)為啟動(dòng)電源充電，排水回用為制氫原料。催化劑存在時(shí)，乙醇在200℃以下即可轉(zhuǎn)化為乙醛和氫氣，發(fā)生催化氧化反應(yīng)釋放熱量，使生物乙醇重整制氫裝置具有實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)的潛力。

生物乙醇重整制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展機(jī)遇

生物乙醇重整型加氫站的競(jìng)爭(zhēng)力

由于乙醇含有碳碳鍵，生物乙醇重整的能量效率低于甲烷重整和甲醇重整，但與其他制氫工藝相比優(yōu)勢(shì)明顯（圖5a）。生物乙醇重整制氫的碳排放量明顯較低，采用CCS技術(shù)后可以成為一種“碳富集”的制氫方法（圖5b）。

FCVs的用氫成本包括制氫原料成本、分配制造費(fèi)用、儲(chǔ)氫費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、銷售利潤(rùn)率、碳稅等。制氫成本主要包括制氫原料成本和分配制造費(fèi)用（圖5c），生物乙醇重整制氫較電解水有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但與傳統(tǒng)制氫工藝相比缺乏價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。但在考慮儲(chǔ)氫費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用后，加氫站內(nèi)生物乙醇重整制氫和電解水制氫，與傳統(tǒng)化石燃料制氫相比，又具備了一定的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力（圖5d）。

生物乙醇重整型燃料電池車的競(jìng)爭(zhēng)力

燃料電池系統(tǒng)成本將持續(xù)下降，預(yù)計(jì)2025年可降至443元/kW，2030年降至316元/kW，遠(yuǎn)期到2050年降至148元/kW；增程式燃料電池乘用車的制造成本將長(zhǎng)期低于純電動(dòng)乘用車，客車、貨車短期內(nèi)也將具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力；全功率FCVs的制造成本將長(zhǎng)期高于純電動(dòng)車，預(yù)計(jì)2050年價(jià)格差距可縮小到合理范圍。我國(guó)質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層性能已能滿足FCVs技術(shù)要求，具備產(chǎn)業(yè)化供給能力，冷啟動(dòng)溫度下降到_30℃，每100km氫耗消耗量下降到0.56kg，燃料電池堆的體積比功率密度提高至4.5kW/L。我國(guó)FCVs很多關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已與國(guó)際先進(jìn)水平持平，但仍需提高產(chǎn)品批次的一致性和壽命、降低生產(chǎn)成本。

車載儲(chǔ)能材料的能量輸出能力，不但與其自身能量密度有關(guān)，也與能量利用方式有關(guān)。表1中對(duì)比了化石燃料及其替代燃料的能量利用效率，可見(jiàn)生物乙醇作為原料在線制氫的能量輸出能力高于其作為燃料用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)的能量輸出。如果生物乙醇重整制氫和燃料電池的能量效率能夠進(jìn)一步提高，在線制氫的生物乙醇重整FCVs的續(xù)航能力有望趨近汽油車。

表2對(duì)比了不同類型機(jī)動(dòng)車的用能經(jīng)濟(jì)性，就我國(guó)現(xiàn)行電價(jià)而言，電動(dòng)車的用能經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯，當(dāng)氫氣價(jià)格2025年下降到40元/kg后，儲(chǔ)氫FCVs的用能經(jīng)濟(jì)性相比于燃油車將具有競(jìng)爭(zhēng)力。生物乙醇重整FCVs有望在短期內(nèi)具有用能經(jīng)濟(jì)性競(jìng)爭(zhēng)力，且因無(wú)須建設(shè)加氫站、充電站/樁等配套設(shè)施，可在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中快速推廣應(yīng)用。

我國(guó)生物乙醇重整制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展機(jī)遇

生物乙醇重整制氫屬于新能源領(lǐng)域的新賽道，國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)備基本處于研發(fā)階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)化能力。近期，隨著國(guó)際能源局勢(shì)緊張，美國(guó)和巴西兩大生物乙醇生產(chǎn)國(guó)的生物乙醇重整制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展明顯提速。我國(guó)作為世界第三大生物乙醇生產(chǎn)國(guó)，如果能夠在短期內(nèi)完成“首臺(tái)套”設(shè)備的示范應(yīng)用，將奪得先機(jī)。

生物乙醇重整制氫工藝主要涉及4個(gè)步驟：汽化、預(yù)熱；乙醇重整；氫氣純化；尾氣處理。生物乙醇重整的操作溫度與現(xiàn)有碳一化學(xué)制氫工藝有較大的差別，碳碳鍵的存在增加了重整反應(yīng)的復(fù)雜性，制氫催化劑及其配套重整反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)是生物乙醇重整制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心工作。我國(guó)化工制氫工藝經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已高度成熟和國(guó)產(chǎn)化，生物乙醇重整制氫的其余相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商繁多，僅需根據(jù)實(shí)際需要選型。目前，加氫站和分布式電站的甲醇重整制氫大多采用撬裝設(shè)備，生物乙醇重整制氫可以借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，采用撬裝設(shè)備便捷地融入現(xiàn)有氫能產(chǎn)業(yè)集群。

然而，若想實(shí)現(xiàn)FCVs車載在線制氫，必須從頭研發(fā)與高品質(zhì)催化劑性能相匹配的新型鈀膜反應(yīng)器與集成化的換熱和尾氣處理部件。目前，國(guó)際上鈀膜反應(yīng)器大多處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)樣機(jī)階段，而國(guó)內(nèi)大多處于理論研究階段。有研工程技術(shù)研究院有限公司已有0.1m³/h的鈀膜反應(yīng)器在研，但因成本、壽命、濃差極化、分離效率、雜質(zhì)影響、磨損、機(jī)械強(qiáng)度等影響因素較多，產(chǎn)業(yè)化還有較長(zhǎng)的路要走。并且，車載在線制氫設(shè)備還需要與現(xiàn)有FCVs能量系統(tǒng)進(jìn)行耦合和系統(tǒng)性優(yōu)化，預(yù)計(jì)在2030—2035年有望與現(xiàn)有FCVs產(chǎn)業(yè)鏈融合，共同實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)輛應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。

近年來(lái)，氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)得到了國(guó)家、政府和公眾的廣泛關(guān)注，若不能保證氫氣的來(lái)源是綠色的，則會(huì)嚴(yán)重違背發(fā)展氫能的初衷。我國(guó)燃料電池車的產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，急需夯實(shí)氫能綠色供應(yīng)。生物乙醇重整制氫是一種高度契合“碳中和”理念的“綠氫”制備技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化的核心工作為高效重整制氫催化劑及其配套反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)，其余技術(shù)和設(shè)備可與現(xiàn)有化工制氫工藝通用。生物乙醇可通過(guò)現(xiàn)有加油站供應(yīng)，使在線制氫生物乙醇重整FCVs與燃油車長(zhǎng)期并存。如果纖維素乙醇的價(jià)格能夠在政策補(bǔ)貼和技術(shù)發(fā)展的雙重作用下進(jìn)一步下降，生物乙醇制氫將在短期內(nèi)具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。因此，生物乙醇重整制氫技術(shù)雖然屬于新能源領(lǐng)域的新賽道，但其有望快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，融入我國(guó)現(xiàn)有能源體系，助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（作者：韓雪，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、有研工程技術(shù)研究院有限公司；賀泓，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心；岳國(guó)君、林海龍、劉勁松、于斌，國(guó)投生物科技投資有限公司。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿））

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