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【干货】德国氢能及燃料电池技术发展现状及趋势分析

来源:中投投资咨询网 2017-11-14 09:09中国投资咨询网 A-A+

  1 氢能及燃料电池技术简介

  氢能是指以氢气作为能量载体,通过氢气和氧气反应所产生的能量,是一种绿色二次能源。氢能具有以其热值高、无污染和来源丰富等优点,被视为“后石油时代”的能源解决方案之一。氢能利用形式多样,既可通过燃料电池发电转化为电能,也可由氢内燃机转为热能。而氢气既可通过化石能源制备,又可由风能、太阳能、生物能、潮汐能等可再生能源或核能转化而来。

  在氢能经济时代,氢气制备是氢能应用基础,氢气的安全储存和运输是氢能应用的关键,燃料电池是当前氢能最具潜力的终端应用方式。只有将氢气的制取、运输、储存和燃料电池技术应用三方面有机结合才能使氢能技术迅速走向实用化。

  燃料电池是氢理想的转化装置,是氢能终端应用的关键技术。燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。只要有燃料和氧化剂(纯氧或空气)不断输入,燃料电池就能源源不断地产生电能,因此燃料电池兼具电池和热机的特点。燃料电池具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点。

  德国已实施了多个涉及氢气制取、运输、储存及燃料电池应用的氢能全产业链,现已将燃料电池技术应用到汽车、船舶和发电站等多个领域。

  2 德国氢能及燃料电池技术发展现状

  2.1氢能技术发展现状

  德国汉堡市启动了规模宏大的氢能示范应用项目—“HyCity(氢能城市)”的计划,被称之为“通向明天能源世界的窗口”。该计划涵盖了氢气制取、运输、储存及燃料电池应用的氢能全产业链,主要包括5个子计划,分别是:氢能基础设施建设与燃料电池在公交系统的应用、燃料电池在不同交通运输系统的应用(如电动叉车以及其它车辆)、燃料电池在发电站系统中的应用、燃料电池在航空系统中的应用和燃料电池在船舶运输系统中的应用。

  德国设计了一套1MW级氢能储能系统,该系统配备了目前世界上最大的质子交换膜电解池,能够高效的将当地过剩的风能电力转化为清洁的氢能,以氢气作为能量载体,有效地避免可再生能源如风能或太阳能受气候条件影响,而制得的氢气可充分利用德国现有的天然气管网设施进行长期储存及分配,再根据实时用电需求通过燃料电池等氢能应用终端重新转化为电能,从而大幅提高电能并网输出的稳定性和可靠性。

  德国还致力于开发集风力发电、电解水制氢、高压储氢及燃料电池发电技术于一体的氢能应用技术,并建立多个氢能示范应用中心(如图 1)。该技术首先将风能转化为电能,再通过电解水和高压储氢技术产生和储存氢气,将氢气输送至燃料电池系统将氢能转化为电能。风能作为氢气生成的初始能源,氢气作为能量储存与输送媒介,不仅可为燃料电池汽车和船舶提供清洁燃料电池,而且燃料电池也作为发电站,这种模式能非常有效地克服风能发电的不稳定性,用户可根据需要运用燃料电池自行发电,将能实现未来能量供给方式的去中心化。例如,由ENERTRAG能源公司实施建设的氢能示范项目-燃料电池电站,该电站的总额定功率为700kW,每年可产生16 GWh的电能,可满足4000个家庭的用电需求。

  2.2燃料电池技术发展现状

  德国奔驰公司推出了B级燃料电池车(B-Class F-cell)。B 级燃料电池车(如图 2 所示)采用100 kW级质子交换膜燃料电池。该车从0~ 100km/h加速时间为114s,最高车速为170km/h,耗燃料率为0.97kg/km,一次补充燃料行驶里程为385km。据悉,奔驰公司已于2011年打造了3辆B级燃料电池原型车,用125天的时间穿过全球4大洲、14个国的壮举,充分展示了燃料电池科技的实用性和稳定性,并计划于2015商业化生产它的第三代燃料电池车,将进一步更新现已在全球范围内示范运行的B级燃料电池车。美国通用、福特、日本丰田和本田等汽车公司也纷纷推出了自己的燃料电池车并制定了相应的商用化时间表。我国自主研制的燃料电池车于2008年北京奥运会和2010年上海世博会期间进行了示范运行。

  德国Smith公司推出燃料电池混合动力卡车(如图3),采用80kWh锂离子电池和7 kW燃料电池提供动力,自2012年7月已经行驶了3000公里,非常适宜在启停频繁、平均速度低和多种工作模式的城区内运输,可根据客户的需求调整卡车的功率等级。其中燃料电池模块由德国Proton Motor公司提供,作为卡车动力增程器。

  德国与欧盟于2006年共同实施了EU-Life项目,并建造了世界上第一艘燃料电池游船-“Alsterwasser”号(如图4),该游船于2008年8月在德国汉堡的Alster湖上进行了首航,载客量超过100人,一直载客运行至今,截至2010年运送了14000多名乘客。游船推进动力功率为100 kW级,由德国ProtonMotor公司提供的2台48 kW质子交换膜燃料电池模块组成,采用35 MPa高压储氢技术,一次可携带氢燃料50kg,游船可连续运行2~3天。燃料电池游船无尾气排放,能源利用效率高达50%以上。目前,该船动力系统已得到德国劳氏船级社认证。据悉,德国于2009年还实施为期八年名为“ 灯塔(lighthouse)”e4ships的燃料电池船舶项目,利用燃料电池系统为邮轮、货船和大型游船等提供辅助动力,总投资高达5130万欧元,涉及全德国21家公司及科研机构。另外,韩国于2013年启动“平昌2018号”燃料电池客船项目,未来3年间,韩国政府计划投入160亿韩元。

  3 氢能及燃料电池技术发展趋势分析

  3.1氢能技术

  除了氢能应用技术之外,氢能技术的关键在于氢燃料技术,包括氢燃料的制取、运输及储存。氢燃料技术未来发展将重点针对以下3个方面:氢气的制取、加氢站网络化分布和氢气储存。

  氢气制备是氢能大规模商用化的基础。目前,水电解、甲醇裂解、水煤气、氨分解和氯碱工业尾气处理等各种制氢技术已大规模使用,燃料电池使用的高纯氢成本为3~6元/m3,即发电耗氢成本约1.7~3.4元/kWh,与柴油发电耗油成本2.3~2.8元/kWh 相近。德国正在大力推广的风能、太阳能等可再生能源发电制氢技术,还对风能和氢能系统结合进行研究,利用盈余的风能制氢可满足德国燃料电池汽车对供氢需求,该技术路线具有很好的经济性。

  加氢站网络化分布是氢能技术大规模商用化的基本保障。目前,德国建立了50余座加氢站,能确保2015年5000辆氢燃料电池汽车在全德国范围提供加氢服务,已初步形成了全国网络化覆盖。伴随着燃料电池技术在各个领域的应用,预计到2020年,德国将具有1000座加氢站和50万辆燃料电池汽车的规模,加氢站网络化分布在将来还会进一步完善和扩展。

  一直以来,氢燃料安全和高效存储是氢能大规模商用化的瓶颈。如何降低储氢材料费用和提高储氢性能是未来氢气储存的发展关键。目前,在储氢材料领域,新的储氢材料不断被开发出来,如钛铁系合金、钒基固溶体合金、金属络合氢化物和MOFs,这些材料都具有优良的储氢性能和独特的安全以及易操作的优点,改善并革新了氢存储系统的运行性能和存储容量。例如,70MPa碳纤维缠绕高压储氢瓶储氢量可达1.5kg,重量储氢密度可达4.7wt%,随着该技术日益成熟,并在车船等交通运输工具得到广泛应用。

  3.2燃料电池技术

  燃料电池作为氢能的转化装置,是氢能终端应用的关键技术。燃料电池的高昂成本和寿命制约着氢能技术的商业化。因此,降低电池成本和提高电池寿命是燃料电池技术发展趋势,研究的重点是降低电极、质子交换膜和双极板等3个关键组件的成本和性能。

  燃料电池大都采用铂催化剂作为电极,铂用量大且利用率低。因此,降低电极上铂催化剂用量、寻求高效廉价催化剂和优化电极结构是电极研究的主要目标。近十几年来,随着新型三维有序化电极结构的深入研究,使电极上铂催化剂用量降低了3个数量级,大幅降低整个燃料电池成本。此外,一种新型铂钌催化剂可承受氢气中的CO,可保证燃料电池性能稳定且工作寿命可超过5000h。

  燃料电池中大都采用由杜邦公司生产的Nafion膜。该膜是一种全氟磺酸膜,生产工艺较为复杂,目前市场价格较为昂贵。降低质子交换膜生产成本、提高质子交换膜化学稳定性及机械稳定性是质子交换膜的重要发展方向。近年来,随着Nafion膜的不断改进和新型膜的开发,巴拉德公司已开发出一种部分氟化磺酸膜,性能与Nafion膜相当。这种部分氟磺酸膜的生产工艺较为简单、加工成本低,如果市场需求量大,通过规模生产,这种膜的成本可大幅降低。

  目前,燃料电池主要采用石墨双极板,虽其技术已经相当成熟,但机械强度差和加工成本高使其在工业上难以大规模应用。寻求一种价格低廉、导电性好和易于加工的双极板材料是双极板研究的优先课题。金属双极板具有导电性好、机械强度高、易于批量生产和能大幅提高燃料电池的体积功率密度等优点,是最具竞争力的极板材料。

  3.3应用发展

  随着燃料电池技术在车用领域商用化步伐加快,重点围绕氢气制取、运输、储存及燃料电池技术应用的氢能全产业链,世界各地都如火如荼地开展着氢能综合示范。

  美国能源部启动了国家氢能发展前景和指南项目,按照美国氢能技术路线图,到2040年美国将走进“氢能经济”时代。美国能源部在纽约长岛启动了基于风电制氢的氢能应用示范项目,该项目利用风力发电机为长岛的水电解制氢气转化过程提供电能,所制得的氢气储存在长岛的加氢站中,供长岛上的燃料电池汽车使用。另外,美国能源部还开展了世界上最大规模的燃料电池车示范,其中有183辆燃料电池车,25座加氢站,共行驶 360 万英里。

  英国ITM能源公司在英国罗瑟勒姆地区实施氢能示范项目,为附近建筑提供部分电力支持和氢能燃料。该系统包括一个225 kW的风力发电机、一个先进的电解槽、一个可储存200kg 氢气的储氢系统和功率为30kW的燃料电池动力系统。该氢能综合示范系统集合了ITM能源公司最先进的氢能商业化模块,是英国氢能基础设施非常重要组成部分。

  瑞典Vatten Fall公司建立了欧洲第一座氢气-风能可再生能源动力工厂,该公司利用风能来制氢和储氢,氢气除了被用来产生电能、热能,还用作燃料电池汽车的燃料。

  氢能综合示范的实施将有助于消除公众对氢气安全顾虑,提升对公众氢能应用的认知接受度,加速氢能示范产品向更多消费者的推广,带动整个氢能产业链的快速发展。

  4 结论

  氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。燃料电池技术具有能量转化效率高、无环境污染物排放、噪声振动等级低等优点,因此备受各国政府与企业的青睐,并被认为是21世纪首选的洁净和高效的能量转化技术。

  通过近半个世纪的持续发展,德国已逐步突破氢能和燃料电池的关键技术,在氢能及燃料电池技术研发、示范应用和产业化方面取得了诸多成果,并在汽车、船舶和发电站等多个领域得到应用,已经形成了相对完整的产业链,美国、日本等国家氢能和燃料电池技术发展也卓有成效。

  我国氢能和燃料电池技术的发展在确保能源安全、减少碳排放环境保护等方面具有重要意义。但是我国相关技术与发达国家还有较大差距。因此,我国有必要借鉴德国的燃料电池和氢能技术发展经验,建立健全配套机制,制定氢能和燃料电池技术的国家标准,大力开展氢能技术应用基础研究和示范应用项目,推动氢能技术产业化进程,确保我国在新能源经济的国际竞争力。

关键词:氢能 燃料电池
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