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努力生长,为何我国与蓬勃国家的氢能及燃料电池还是存在差异呢?

更新时间  2022-11-07 00:21 阅读
本文摘要:1 氢能与燃料电池的战略意义由于能源需求的日益增长, 化石燃料的消耗与 CO2 排放总量快速上升,“清洁、低碳、宁静、高效”的能源厘革已是局势所趋。可再生能源(如太阳能、风能、水电等)作为替代能源大规模使用却受限于其固有的间歇性、颠簸性与随机性;而氢是一种清洁的二次能源载体,能利便地转换成电和热,转化效率较高,有多种泉源途径。

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1 氢能与燃料电池的战略意义由于能源需求的日益增长, 化石燃料的消耗与 CO2 排放总量快速上升,“清洁、低碳、宁静、高效”的能源厘革已是局势所趋。可再生能源(如太阳能、风能、水电等)作为替代能源大规模使用却受限于其固有的间歇性、颠簸性与随机性;而氢是一种清洁的二次能源载体,能利便地转换成电和热,转化效率较高,有多种泉源途径。接纳可再生能源实现大规模制氢,通过氢气的桥接作用,既可为燃料电池提供氢源,也可绿色转化为液体燃料,从而有可能实现由化石能源顺利过渡到可再生能源的可连续循环,催生可连续生长的氢能经济。

氢能作为毗连可再生能源与传统化石能源的桥梁,可以为实现“氢经济”与现在或“后化石能源时代”能源系统起到桥接作用。因此,氢能作为清洁能源使用是未来能源厘革的重要组成部门。氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点,可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及牢固电站等方面。

从燃料电池在载人航天、水下潜艇、漫衍式电站获得应用以来,燃料电池一直受到各国政府和企业的关注,其研发、示范和商业化应用的资金投入不停增加。在未来煤电占比相对较低的情况下,由于风能、太阳能等可再生能源技术规模的增大,整个上游的电源结构会越来越清洁。在这种结构下,新能源汽车特别是纯电动汽车、基于电解水制氢的燃料电池汽车,排放强度会显着下降。

而燃料电池汽车差别于纯电动汽车的是,它实现了上游发电和终端用电在时间上的“分散”,进而使得氢能相比于颠簸性较大的风能和太阳能(纯电动车技术门路)的互补能力更强。因此,生长氢能和氢燃料电池具有庞大的能源战略意义。2 外洋氢能与燃料电池生长现状及分析全球规模来看,世界主要蓬勃国家从资源、环保等角度出发,都十分看重氢能的生长,现在氢能和燃料电池已在一些细分领域开端实现了商业化。

2017 年全球燃料电池的装机量到达 670 兆瓦,移动类装机量 455.7 兆瓦,牢固式装机量 213.5 兆瓦。停止 2017 年 12 月,全球燃料电池乘用车销售累计靠近 6 000 辆。丰田 Mirai 共计销售 5 300 辆,其中美国 2 900 辆,日本 2 100 辆,欧洲 200 辆,占全球燃料电池乘用车总销量的九成以上。

停止 2017 年年底,全球共有 328 座加氢站,欧洲拥有 139 座正在运行的加氢站,亚洲拥有 118 座,北美拥有 68 座。现在氢燃料电池及氢燃料电池汽车的研发与商业化应用在日本、美国、欧洲迅速生长,在制氢、储氢、加氢等环节连续创新。2.1美国氢能与燃料电池生长现状美国氢能的生产和储运有 Air Products、Praxair 等世界先进的气体公司,而且有技术领先的质子膜纯水电解制氢公司,同时还掌握着液氢储气罐、储氢罐等焦点技术。

液氢方面,美国在液氢生产规模、液氢产量、价钱方面都具有绝对优势。美国燃料电池乘用车和叉车保有量领先全球:丰田 Mirai 在美国销售了凌驾 2 900 辆燃料电池汽车。

美国拥有世界最大的燃料电池叉车企业 Plug Power,现在已有凌驾 2 万辆燃料电池叉车,举行了凌驾 600 万次加氢操作。加氢站建设方面,现在北美漫衍的 68 座加氢站仅 1 座位于加拿大,其余全部门布在美国,其加州地域集中度最高。美国燃料电池汽车液氢使用量很是高,全年液氢市场需求量的 14% 都被用于燃料电池车.2.2 日本氢能与燃料电池生长现状日本由于资源短缺,政府对氢能和燃料电池的推广力度在世界规模内都是最大的。

现在,日本在家庭用燃料电池热电联供牢固电站和燃料电池汽车商业化运作方面都是最乐成的。早在 2014 年 4 月制定的“第四次能源基本计划”,日本政府就明确提出了加速建设和生长“氢能社会”的战略偏向。

所谓“氢能社会”是指将氢能广泛应用于社会日常生活和经济工业运动之中,与电力、热力配合组成二次能源的三大支柱。据此,2014 年 6 月,日本经济工业省制定了“氢能与燃料电池战略门路图”,提出了实现“氢能社会”目的分三步走的生长门路图:到 2025 年要加速推广和普及氢能使用的市场;到 2030 年要建设大规模氢能供应体系并实现氢燃料发电;到 2040 年要完成零碳氢燃料供应体系建设。

停止 2018 年 1 月,日本燃料电池乘用车保有量约 2 000 台,燃料电池大巴预计 2020 年增加到 100 台。从现在的燃料电池汽车价钱、保有量和加注站数量来看,日本尚处于燃料电池汽车社会的摇篮期,预计 2050 年将是日本燃油汽车全面向燃料电池汽车过渡之年。2.3欧洲氢能与燃料电池生长现状近期,欧洲燃料电池和氢能事业团结组织(FCHJU)公布了“欧洲氢能门路图”(图 1)。

该门路图提出了欧洲氢能未来 30 年的生长计划,并获得欧洲 17 家氢能公司和组织的支持。该陈诉认为,氢是欧洲能源转型的重要元素,到 2050 年可占最终能源需求的 24% 并提供 540 万个事情岗位。为了实现欧洲二氧化碳减排目的,必须生长氢能。

对于诸如天然气网、运输(特别是重型车辆)关键部门的规模脱碳、高级燃料和化学原料需要大量使用氢气。此外,氢气可以解决大规模整合可再生能源以及实现低成本季节性储能和跨区域有效清洁能源运输中的技术难题。陈诉认为,到 2050 年,氢能将在各个领域发挥重要作用,并为了实现欧洲 2050 年氢能工业目的,设置了短期和中期目的。陈诉预测,到 2050 年,欧洲 10%—18% 修建的供温暖供电可以由氢能提供;工业中 23% 的高级热能可由氢能提供。

陈诉指出,氢能的使用将带来庞大的社会、经济和情况效益。到 2030 年,氢能的预计部署将为欧盟公司的燃料和相关设备缔造约 1 300 亿欧元的工业;到 2050 年到达 8 200 亿欧元。氢能将为欧盟工业缔造一个当地市场,作为在全球氢能经济中竞争的跳板。

2030 年的出口潜力预计将到达 700 亿欧元,净出口额将到达 500 亿欧元。2.4韩国氢能与燃料电池生长现状韩国在氢能和燃料电池领域也有较强的计划结构,可是其相关技术实力较欧、美、日略逊一筹。以现代等汽车企业为依托,韩国政府未来 5 年内用于氢燃料电池以及加氢站的补助将到达 20 亿欧元。

目的是到 2022 年为 15 000 辆燃料电池汽车和 1 000 辆氢气公交车提供资金。其中资助计划包罗 310 个新的氢气加气站,政府还将制定使用法例[8]。

韩国政府于 2019 年 1 月公布“氢能经济生长门路图”,旨在鼎力大举生长氢能工业,以引领全球氢燃料电池汽车和燃料电池市场生长。凭据该门路图,韩国政府计划到 2040 年氢燃料电池汽车累计产量由 2018 年的 2 000 余辆增至 620 万辆,氢燃料电池汽车充电站从现有的 14 个增至 1 200 个。韩国政府表现将开始为燃料电池出租车和卡车提供补助,到 2022 年燃料电池公交车数量将增加到 2 000 辆,并预计在 2021 年开始用燃料电池车取代燃油警车。

在牢固式燃料电池方面,韩国现在的生长重点在于大型燃料电池发电站。韩国斗山团体是推动该项目建设的主体。2017 年 6 月,该团体完成了韩国最大的氢能燃料电池发电站的建设,而该发电站的建设成本约莫有 3 600 万美元。

据报道,该发电站每年可生产 144 台 440 千瓦的燃料电池系统,可以满足市场的需求。3 海内氢能与燃料电池生长现状及分析3.1 海内氢能工业链的结构分析氢能工业链主要包罗:氢的制取、储存、运输和应用等环节。氢既可广泛应用于传统领域,又可应用于新兴的氢能车辆(包罗乘用车、商用车、物流车、叉车、轨道车等)以及氢能发电(包罗热电联供漫衍式发电、发电储能、备用电源等)。为加速生长中国的氢能工业,依据现在的资源条件和能源工业状况,应在增强氢宁静的基础上,努力推行氢源多元化及氢能多元化和规模化应用。

我国近年来每年纯度 99% 以上氢气的使用量约 700 亿立方米(约 600 万吨),年产值 1 200 亿元人民币以上。现在海内生长氢能的生产方式,主要有煤制氢、天然气制氢和工业副产氢,其中工业副产氢追溯其上游一次能源主要还是煤和天然气。因此,现在海内氢能生产主要还是依靠化石能源,而电解水制氢仅占比 2%—4%,占比力为有限。

对于氢能的消费,海内约莫 90% 或更多纯度 99%左右的氢气都用于炼化产物生产历程中的加氢,以及合成氨、合成甲醇、石油炼化等化工领域,仅有 2%—4% 的氢气作为工业气体用于冶金、钢铁、电子、建材、精致化工等行业的还原气、掩护气、反映气等,而在燃料电池汽车领域氢能的使用更少。总体看,现在我国具备一定的氢工业基础,可是仍然还是以工业原料为主。氢作为能源消费的市场规模依然较小。在氢能和燃料电池生长方面,我国也一直不落伍。

2016 年 10 月,中国尺度化研究院资源与情况分院和中国电器工业协会公布的《中国氢能工业基础设施生长蓝皮书(2016)》首次提出了我国氢能工业的生长门路图(表 1)。对我国中恒久加氢站和燃料电池车辆生长目的举行了计划。《中国制造 2025》明确提出燃料电池汽车生长计划,更是将生长氢燃料电池提升到了战略高度。现在岂论是海内的氢能技术,还是氢能工业基础,虽然都具有一定的战略规模,可是与国际最先进水平另有一定的差距。

3.2 我国燃料电池工业和技术生长现状3.2.1 海内燃料电池工业化现状及问题在我国中东部沿海经济、技术实力较强的珠三角、长三角和北京等地域,聚集了我国燃料电池生长的主要企业。而且,近 2 年燃料电池投资热度升温,由几年前的数家生长到现在的近千家燃料电池企业。与外洋丰田、现代等燃料电池生产企业生长门路差别,中国氢燃料电池汽车企业主要漫衍在商用车领域——氢燃料电池商用车已实现量产。

氢燃料电池乘用车还处于示范运行阶段,其中上汽团体对燃料电池乘用车投入力度最大,2017 年公布海内第一款商业化燃料电池轻型客车——大通 V80。燃料电池叉车方面,我国已有东莞氢宇等企业结构,随着氢能市场不停成熟,我国叉车市场会是燃料电池另一个庞大的应用场景。

加氢站方面,现在我国已形成了一批从加氢站设计到运营的企业,这些企业主要集中在北上广地域。现在我国制氢、储氢、加氢等环节的关键焦点设备,还不能全部“国产化”,成本难降。

我国建成可运行加氢站 12 个,在建 19 个,典型代表北京永丰加氢站和上海安亭加氢站均从外洋引进焦点设备和技术咨询服务。我国示范性加氢站及燃料电池客车车载供氢系统尚处于 35 兆帕压力技术水平。为与客车配套,现有加氢站接纳 45 兆帕隔膜式压缩机、45 兆帕储氢罐和 35 兆帕氢气加注机等设备,压力尺度提升另有待未来 70 兆帕燃料电池汽车普及。3.2.2 海内燃料电池技术现状及问题在系统方面,海内燃料电池开发以车用质子交流膜燃料电池为主,已经具有系统自主开发能力且生产能力较强。

以新源动力、亿华通、氟尔赛、重塑科技和国鸿重塑为代表的企业,具备年产万台燃料电池系统的批量生产能力。然而在燃料电池系统关键零部件方面,中国与国际先进水平差距较大,基本没有成熟产物。在电堆方面,海内燃料电池电堆正在逐渐起步,电堆及工业链企业数量逐渐增长,产能量级提升,到 2018 年海内电堆产能凌驾 40 万千瓦。现在,海内电堆厂商主要有两类:① 自主研发,以新源动力、神力科技和明天氢能为代表;② 引进外洋成熟电堆技术,以广东国鸿为代表,其余企业有潍柴动力、南通百应等。

在双极板方面,由于机加工石墨板成本高,复合质料双极板近年来开始走向应用,如石墨/树脂复合质料、膨胀石墨/树脂复合质料、不锈钢/石墨复合质料等。海内新源动力开发的不锈钢/石墨复合双极板电堆已经应用于上汽大通 V80 轻型客车上。广东国鸿引进加拿大 Ballard 公司膨胀石墨/树脂复合双极板生产技术,生产电堆已经装备数百辆燃料电池车。

乘用车燃料电池具有高能量密度需求,金属双极板相较于石墨及复合双极板具有显着优势。金属双极板的设计及加工技术主要掌握在外洋企业,海内企业尚处于小规模开发阶段,可是明天氢能科技公司正在建设年产万台级自动化生产线。在膜电极方面,以新源动力、武汉理工新能源为代表,开端具备了差别水平的生产线,年产能在数千平方米到万平方米,但还需要开发以狭缝涂布为代表的大批量生产技术。

市场上主要生产全氟磺酸膜的企业主要来自于美国、日本、加拿大及中国。我国已具备质子交流膜国产化能力,山东东岳团体质子交流膜性能精彩,具备规模化生产能力。现在,东岳 DF260 膜厚度可做到 15 μm,在 OCV 情况下耐久性大于 600 小时。在催化剂方面,外洋企业领先,海内正起步。

海内尚处于研究阶段的单元有两类:① 海内企业,如贵研铂业。贵研铂业主营汽车尾气铂催化剂,和上汽配合研发燃料电池催化剂。

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② 研究机构,如中国科学院大连化学物理研究所、上海交通大学、清华大学等。例如,中国科学院大连化学物理研究所制备的 Pt3Pd/C合金催化剂,已应用于新源动力生产的燃料电池发机。在碳纸产物方面,主要由日本 Toray 公司等几个国际大生产商垄断,海内碳纸产物尚处于研发及小规模生产阶段。在系统部件方面,氢气循环泵主要依赖入口,空压机还没有能够大批量生产,缺少低功耗高速无油空压机产物。

总而言之,我国在整车、系统和电堆方面均已有所结构,但零部件方面的相关企业仍较少,特别是最基本的关键质料和部件,如质子交流膜、碳纸、催化剂、空压机、氢气循环泵等;海内虽有相关企业开始介入,但与国际先进产物相比,可靠性和耐久性仍存在较大差距,大部门关键零部件及关键质料仍依赖入口。4 海内氢能燃料电池存在的问题及对策4.1 关键质料与焦点部件缺少批量生产技术近年来,我国氢能燃料电池技术整体上取得了长足的生长,但关键质料、焦点部件的批量生产技术尚未形成,催化剂、隔膜、碳纸、空压机、氢气循环泵等仍主要依靠入口,这严重制约了我国氢能燃料电池工业的自主可控生长。应当看到,我国在高活性催化剂、高强度高质子电导率复合膜、碳纸、低铂电极、高功率密度双极板等方面的技术水平现在已经到达甚至凌驾了外洋的商业化产物,但多停留于实验室和样品阶段,还没有形成大批量生产技术。

因此,亟待增强上述关键质料焦点部件的技术转化,加速形成具有完全自主知识产权的批量制备技术和建设产物生产线,全面实现关键质料焦点部件的国产化与批量生产。同时,进一步提高电堆比功率,降低电堆铂用量,才气大幅降低燃料电池产物的成本。

4.2 电堆和系统可靠性与耐久性有待提高现在,我国燃料电池堆和系统可靠性与耐久性等与国际先进水平仍存在差距,在全工况下的可靠性与耐久性有待提高。燃料电池系统可靠性与寿命不完全由电堆决议,还依赖于系统配套,包罗燃料供应、氧化剂供应、水热治理和电控等。因此,需增强燃料电池系统整体的历程机理及控制计谋研究。这方面我国已取得一定的结果,如中国科学院大连化学物理研究所接纳“电-电”混淆的基础上,还接纳限电位控制、膜电极在线水监测、氢侧循环等控制计谋和技术方法,有效提升了燃料电池系统的寿命和耐久性。

因此,应在已有基础上,进一步增强车载工况、低温、杂质等实际运行情况下的衰减机理与情况适应性研究,大幅提升燃料电池产物的可靠性与耐久性。4.3 加氢站建设成本高、加氢用度高现在,加氢站建设成本高,氢气运输成本较高,造成加氢用度高,同时加氢站等基础设施不完善,直接制约了氢燃料电池汽车的生长、商业化示范运行和大规模应用。

加速加氢站建设,建设其建设审批法式和运营羁系尺度成为当务之急。通过增强加氢站关键质料、焦点部件及技术国产化,进一步降低加氢站建设成本。通过生长氢储运技术,如液氢储运、氢的管道运输以及新型储氢质料如有机液体储氢等,降低氢气储运成本。在此基础上,通过选择有廉价氢源的地域先行开展氢燃料电池汽车的商业化运营,将有效地促进加氢站技术的提升和逐步降低氢气使用成本,进而通过技术提升、市场辐射,动员我国氢能燃料电池工业的整体技术进步和工业生长。

此外,对于暂时无加氢站或边远地域不宜建加氢站的情况,车载甲醇制氢的燃料电池车具有一定优势,可以举行示范。同时,也应布点生长汽柴油车载制氢技术,为生长特种应用的燃料电池车奠基基础。4.4 技术尺度、检测体系不健全、不完善现在氢能燃料电池方面的尺度远不能满足工业快速生长的需求,体现在支撑行业生长的氢制备、储运、加注及实际工况下氢燃料电池从部件到系统的评价检测体系等仍不健全,使得工业全链条下的产物推广受到严重的制约和限制。

亟待完善氢能燃料电池技术尺度体系,建设完整的质料、部件、系统的有效检测体系,为氢能燃料电池的技术生长、产物应用提供基础保障。5 我国氢能与燃料电池生长展望5.1 海内氢能与燃料电池生长趋势(1)商用车动员加氢站建设,降低氢气与燃料电池成本。我国燃料电池汽车生长路径明确:通过商用车生长,规模化降低燃料电池和氢气成本,同时动员加氢站配套设施建设,后续拓展到乘用车领域。优先生长商用车的原因在于:一方面,公共交通平均成本低,而且能够起到良好社会推广效果,待形陋习模后动员燃料电池成本和氢气成本下降;另一方面,商用车行驶在牢固线路上且车辆集中,建设配套加氢站比力容易。

当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时,又会支撑更多燃料电池汽车。(2)生长氢燃料电池汽车工业集群,促进全工业链生长。

燃料电池关键零部件、电堆、系统、制氢储氢、检测及整车开发企业,以“工业集群”的形式,现在已在上海、广州、江苏等地快速生长。通过氢燃料电池汽车工业集群,可以促进氢能燃料电池全工业链的快速生长,有效降低成本。5.2 保障措施与政策需求建议(1)增强顶层设计,全面计划氢能燃料电池生长途径。包罗围绕工业生长重点、工业结构优化、加氢站总体结构、政策措施制定等,从国家层面研究制定氢能燃料电池总体计划和生长门路图,从而引导我国氢能燃料电池技术创新和工业的快速与康健生长。

(2)增强研发投入,确保焦点技术自主可控。聚焦氢能燃料电池全工业链的关键焦点技术,通过设立氢能燃料电池专项等促进从基础研究、关键技术攻关、应用示范到工业化转化的创新能力提升,保障我国氢能燃料电池焦点技术全面、自主的连续生长。(3)统筹工业结构,引导工业链协调生长。

瞄准氢能燃料电池工业链缺失环节和关键环节,勉励有工业基础的重点地域建设氢能燃料电池工业园区,加速工业集群建设。在氢能基础设施方面,可通过加大加氢站的国家和地方补助力度、勉励国有和社会资本配合到场建设、支持加油(气)站与加氢站合建等措施加速加氢站的建设。在此基础上,通过重点地域的商业化示范运营,动员全工业链的成熟和完善,从而促进我国氢能燃料电池工业的全面平衡生长。

(4)增强尺度制定,支撑技术进步与工业生长。建设若干氢能燃料电池国家技术尺度创新基地,完善氢能燃料电池全工业链的技术和检测尺度。例如,现在相关法例尺度仍将氢气根据危险化学品治理,导致加氢站的审批、建设、运营受到制约。

如果明确车用氢气的能源性质,细化车用氢气的制备、储运、加注相关技术尺度,将对加速氢能基础设施建设起到极为重要的保障作用。泉源:中国科学院院刊作者:邵志刚、衣宝廉中创工业研究院搜集高等院校、研究机构、专家学者、新兴工业、创新企业、投资机构、创新者、企业家和工业家等各方面的资源,是体系开放、多方协同的新型研究机构,努力为粤港澳大湾区以致全国的生长提供智力支持,为政府部门、企业和工业团体提供工业生长咨询,推动战略性新兴工业的康健生长。中创工业研究院坚持“研究工业、服务工业、引领工业”的理念,现在已形成医疗工业研究中心、区域经济研究中心、新质料研究中心、先进制造研究中心和工业资源中心,组建建立了各研究偏向的专家库。接待民众投稿,投稿邮箱:service@sino-inno.cn投稿请注明微信投稿字样接待大家关注“中创工业研究院”工业研究信息分享平台。


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