全球氢能利用及燃料电池产业发展情况与趋势

摘要:根据国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》,预计到 2050 年,氢能源需求将是目前的 10 倍。预计到2030 年,全球燃料电池乘用车将达到 1,000 万辆至 1,500 万辆。由于市场潜力大,大企业加大研发,一些国家也加大支持力度,力图通过发展氢能解决来能源安全,并掌握国际能源领域的制高点。目前氢能在日、美、欧发展迅速,在制氢、储氢、加氢等环节出现了很多创新点,燃料电池技术也获得新突破。

一、制氢:可再Th能源制氢项目增多,电网协同效应得到重视

制氢的过程也要消耗能源,这也是氢能受到一些诟病的根源所在。破解此问题的一个重要方法是用可再生能源制氢,尤其是将本来弃掉的风电、太阳能发电转化为氢最为经济。

《BP 世界能源展望(2017 年版)》预计,到 2035 年可再生能源的增长将翻两番,发电量增量的三分之一将源自可再生能源。利用可再生能源制取氢气开始备受关注,可再生能源制氢研究成果及示范项目也在不断涌现。

可再生能源的间歇性导致弃风、弃水、弃光现象十分严重,通过将风光电转化为氢气,不仅可解决弃电问题,还能反过来利用氢气再发电增强电网的协调性和可靠性。

日本东北电力公司和东芝公司合作,从 2016 年 3 月份开始实验利用太阳能电解水制氢,再由获得的氢进行发电。实验设备由约 50kW 的太阳能发电设备、约 60kW 的蓄电池、约 5Nm3/h 的水电解制氢装置、约 200Nm3 的氢吸附合金式储氢罐和 10kW 的燃料电池构成。

丰田提出了从生物和农业废料中制氢的技术路线。丰田将在美国长滩港建造兆瓦级可再生能源加氢站“Tri-Gen”,该设施从生物和农业废料中制氢,可提供约 2350kW 的电力和每天1200kg 氢气,可满足 2350 个家庭和 1500 辆燃料电池汽车的日常使用。

德国推出的 power to gas 项目即收集用电低谷时可再生能源的剩余电力通过电解水的方式制造氢气,再将生成的氢气注入当地的天然气管道中进行能源的储存。随着此类项目的增多,电网的协同效应逐步得到验证。

二、储氢:液氢储运或将成为发展重点

氢能的存储是氢能应用的主要瓶颈之一。据统计,美国能源部所有氢能研究经费中有用于研究氢气的储存。氢能工业对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。从目前主要储氢材料与技术来看,有高压储氢、液体储氢、金属氢化物储氢、有机氢化物储氢及管道运输氢等。

现阶段液氢储运逐渐成为研发重点,日、美、德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一左右。日本已经将液氢供应链体系的发展作为解决大规模氢能应用的前提条件,基本思路是以澳大利亚的褐煤为原料生产氢气,再通过碳捕捉实现去碳化,然后通过船舶运回日本使用。为了支撑液氢供应链体系的发展,解决液氢储运方面的关键性技术难题,企业积极地投入研发,推出的产品大多已经进入实际检验阶段,如岩谷产业开发的大型液氢储运罐,通过真空排气设计保证了储运罐高强度的同时实现了高阻热性。

目前,液氢加氢站开始亮相国际舞台,已遍布日本、美国及法国市场,目前全球近 400 座加氢站中,有三分之一以上为液氢加氢站。在日本,岩谷产业公司已经成功建立了 16 座液氢加氢站,美国液氢加氢站的建设企业以Plug power、Air product 公司为主,法国市场的液氢加氢站建设企业主要是林德公司。我国的液氢工厂还处在为航天火箭发射服务的阶段,受法规所限,还无法应用于民用领域。

三、加氢:加氢站建设速度加快,混合站日益增多

加氢站作为燃料电池汽车的配套基础设施,随着燃料电池车辆的推广应用,其建设与推广也受到了重视。据 H2stations.org 统计,2016 年全球新增 92 座加氢站,其中 83 座是对外开放的,其余 9 座则专门为公交车或车队客户提供服务。从地区分布来看,日本新增 45 座,位列增长数量榜首,比 2015 年的 28 座增加了 17 座;北美新增 25 座,其中 20 座位于加利福尼亚州;欧洲新增 22 座,比 2015 年的 19 座增加了 3 座,其中 6 座位于德国,德国公共加氢站总数增至 22 座。另外,德国还有 29 座加氢站正在建设或即将开放,超过美国,后者正在建设的加氢站有24 座。为了适应规模化运营的需要,加氢站的日供氢能力逐渐提高。随着氢燃料电池汽车的推广,每天可为 30-50 辆客车或100 辆乘用车提供加氢服务的加氢站逐渐出现并成为主流。

加氢站运营呈现集成化、模块化发展的新趋势,混合站数量逐渐增长。混合形式从独立式加氢站、加油站并设加氢站,发展到加油站、加气站、加氢站三站合一,以及与便利店并设、与充电桩并设的加氢站。为燃料电池汽车的普及提供了更多样化的基础设施解决方案。

四、技术:核心部件成本显著降低,新型催化剂成研发重点

日本九州大学研发出的可以在不同 pH 值环境下分别氧化氢和一氧化碳的催化剂,该催化剂是含有独特“蝴蝶”结构的镍和铱金属原子的水溶性络合物,可以模拟两种酶的功效,酸性介质中的氢化酶(pH 4-7)和碱性介质中的一氧化碳脱氢酶(pH 7-10),可以有效避免催化剂中毒并提高氢能的生产效率。

非铂催化剂的研发被认为是低成本工业规模制氢的基础。宾夕法尼亚大学和佛罗里达大学联合研发了非铂催化剂,即在二硫化钼中添加石墨烯、钨合金,可以使电解水反应高效进行,与铂催化剂的作用相同,但成本却得到了大幅度降低。

降低铂用量的催化剂技术也陆续出现突破。查尔斯理工大学和丹麦科技大学联合研究的纳米合金催化剂可以降低约的铂用量,从一定程度上解决了燃料电池商业化的瓶颈。

五、应用:家用分布式燃料电池系统发展迅速

分布式燃料电池系统目前分为重整制氢式燃料电池系统(多以天然气为原料)以及纯氢燃料电池系统。近年来,前者在欧洲、美国及日本发展迅猛,尤以日本的普及率最高。截至 2016 年底日本已经累计推广 20 万台 ,2016 年底的售价为 127 万日元(约为 7.5 万元人民币),补贴降低到 15 万日元(约为 8800 元)。政府的目标是到 2030 年累计推广 530 万台。

图1  日本家用燃料电池安装数量(单位:台)

数据来源:日本新能源及产业技术综合开发机构

在日本,导入家用燃料电池系统后可将能源利用率提高约95%,并可不受限于天气情况,稳定地持续发电。据爱信精机公司统计,使用家用燃料电池(ENE.FRAM TYPES)后,日本家庭购买电力量下降约80%。

日本市场常见的分布式燃料电池系统厂商主要有松下、东芝、爱信精机、日立造船、Bloom energy 及京瓷等公司。其中,松下公司已经先后推出了五代分布式燃料电池产品,第五代产品耐 久性可以达到 9 万小时,可以为用户提供 12 年的使用寿命。新一代产品不仅通过减少 Pt 催化剂的用量大幅降低了成本,还提高了应对空气中杂质的技术,有效提高了耐久性。

在分布式燃料电池的细分领域里,松下公司的产品既涵盖独立住宅用产品,也包括楼房式住宅产品。其楼房式住宅用燃料电池已经累计销售 2000 台,今后的研发目标是改善电力融通性(指各家各户间可以相互电力交易,不通过电网实现自由交换)、增加附加值。楼房式住宅用燃料电池兼具抗震、防风及防爆特性,可以通过多种组合设计应对不同楼宇的实际情况,同时具有应急电源功能,通过调节各家庭的电力需求进一步提高分布式燃料电池的附加值。

六、产业:企业联合攻克成本难题

燃料电池汽车技术已趋近成熟,但距离商业化推广仍然存在一定距离,其中最大的制约因素就是成本问题。单靠一家企业很难快速实现降成本,企业间的合作日益增多。

通用和本田 2017 年初宣布投入四千多万美元(约合两亿人民币)成立合资公司(FCSM),用于建设燃料电池电堆的生产线,对氢燃料电池系统进行量产,这是汽车行业内首家从事燃料电池系统量产业务的合资公司。计划量产的产品为燃料电池及相关系统。两家公司生产出来的燃料电池不仅用于汽车,也将尝试应用于军事、航空及家用领域。丰田与宝马也签署了 FCV 合作协议。丰田提供燃料电池等技术,宝马提供汽车轻量化等技术。日产和戴姆勒及福特联合开发价格合理的燃料电池汽车,共同加快燃料电池汽车技术的商业化。