摘要:根據國際氫能源委員會發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢調研報告》,預計到 2050 年,氫能源需求將是目前的 10 倍。預計到2030 年,全球燃料電池乘用車將達到 1,000 萬輛至 1,500 萬輛。由于市場潛力大,大企業(yè)加大研發(fā),一些國家也加大支持力度,力圖通過發(fā)展氫能解決來能源安全,并掌握國際能源領域的制高點。目前氫能在日、美、歐發(fā)展迅速,在制氫、儲氫、加氫等環(huán)節(jié)出現了很多創(chuàng)新點,燃料電池技術也獲得新突破。

一、制氫:可再Th能源制氫項目增多,電網協同效應得到重視

制氫的過程也要消耗能源,這也是氫能受到一些詬病的根源所在。破解此問題的一個重要方法是用可再生能源制氫,尤其是將本來棄掉的風電、太陽能發(fā)電轉化為氫最為經濟。

《BP 世界能源展望(2017 年版)》預計,到 2035 年可再生能源的增長將翻兩番,發(fā)電量增量的三分之一將源自可再生能源。利用可再生能源制取氫氣開始備受關注,可再生能源制氫研究成果及示范項目也在不斷涌現。

可再生能源的間歇性導致棄風、棄水、棄光現象十分嚴重,通過將風光電轉化為氫氣,不僅可解決棄電問題,還能反過來利用氫氣再發(fā)電增強電網的協調性和可靠性。

日本東北電力公司和東芝公司合作,從 2016 年 3 月份開始實驗利用太陽能電解水制氫,再由獲得的氫進行發(fā)電。實驗設備由約 50kW 的太陽能發(fā)電設備、約 60kW 的蓄電池、約 5Nm3/h 的水電解制氫裝置、約 200Nm3 的氫吸附合金式儲氫罐和 10kW 的燃料電池構成。

豐田提出了從生物和農業(yè)廢料中制氫的技術路線。豐田將在美國長灘港建造兆瓦級可再生能源加氫站“Tri-Gen”,該設施從生物和農業(yè)廢料中制氫,可提供約 2350kW 的電力和每天1200kg 氫氣,可滿足 2350 個家庭和 1500 輛燃料電池汽車的日常使用。

德國推出的 power to gas 項目即收集用電低谷時可再生能源的剩余電力通過電解水的方式制造氫氣,再將生成的氫氣注入當地的天然氣管道中進行能源的儲存。隨著此類項目的增多,電網的協同效應逐步得到驗證。

二、儲氫:液氫儲運或將成為發(fā)展重點

氫能的存儲是氫能應用的主要瓶頸之一。據統計,美國能源部所有氫能研究經費中有用于研究氫氣的儲存。氫能工業(yè)對儲氫的要求總的來說是儲氫系統要安全、容量大、成本低、使用方便。從目前主要儲氫材料與技術來看,有高壓儲氫、液體儲氫、金屬氫化物儲氫、有機氫化物儲氫及管道運輸氫等。

現階段液氫儲運逐漸成為研發(fā)重點,日、美、德等國已將液氫的運輸成本降低到高壓氫氣的八分之一左右。日本已經將液氫供應鏈體系的發(fā)展作為解決大規(guī)模氫能應用的前提條件,基本思路是以澳大利亞的褐煤為原料生產氫氣,再通過碳捕捉實現去碳化,然后通過船舶運回日本使用。為了支撐液氫供應鏈體系的發(fā)展,解決液氫儲運方面的關鍵性技術難題,企業(yè)積極地投入研發(fā),推出的產品大多已經進入實際檢驗階段,如巖谷產業(yè)開發(fā)的大型液氫儲運罐,通過真空排氣設計保證了儲運罐高強度的同時實現了高阻熱性。

目前,液氫加氫站開始亮相國際舞臺,已遍布日本、美國及法國市場,目前全球近 400 座加氫站中,有三分之一以上為液氫加氫站。在日本,巖谷產業(yè)公司已經成功建立了 16 座液氫加氫站,美國液氫加氫站的建設企業(yè)以Plug power、Air product 公司為主,法國市場的液氫加氫站建設企業(yè)主要是林德公司。我國的液氫工廠還處在為航天火箭發(fā)射服務的階段,受法規(guī)所限,還無法應用于民用領域。

三、加氫:加氫站建設速度加快,混合站日益增多

加氫站作為燃料電池汽車的配套基礎設施,隨著燃料電池車輛的推廣應用,其建設與推廣也受到了重視。據 H2stations.org 統計,2016 年全球新增 92 座加氫站,其中 83 座是對外開放的,其余 9 座則專門為公交車或車隊客戶提供服務。從地區(qū)分布來看,日本新增 45 座,位列增長數量榜首,比 2015 年的 28 座增加了 17 座;北美新增 25 座,其中 20 座位于加利福尼亞州;歐洲新增 22 座,比 2015 年的 19 座增加了 3 座,其中 6 座位于德國,德國公共加氫站總數增至 22 座。另外,德國還有 29 座加氫站正在建設或即將開放,超過美國,后者正在建設的加氫站有24 座。為了適應規(guī)?；\營的需要,加氫站的日供氫能力逐漸提高。隨著氫燃料電池汽車的推廣,每天可為 30-50 輛客車或100 輛乘用車提供加氫服務的加氫站逐漸出現并成為主流。

加氫站運營呈現集成化、模塊化發(fā)展的新趨勢,混合站數量逐漸增長。混合形式從獨立式加氫站、加油站并設加氫站,發(fā)展到加油站、加氣站、加氫站三站合一,以及與便利店并設、與充電樁并設的加氫站。為燃料電池汽車的普及提供了更多樣化的基礎設施解決方案。

四、技術:核心部件成本顯著降低,新型催化劑成研發(fā)重點

日本九州大學研發(fā)出的可以在不同 pH 值環(huán)境下分別氧化氫和一氧化碳的催化劑,該催化劑是含有獨特“蝴蝶”結構的鎳和銥金屬原子的水溶性絡合物,可以模擬兩種酶的功效,酸性介質中的氫化酶(pH 4-7)和堿性介質中的一氧化碳脫氫酶(pH 7-10),可以有效避免催化劑中毒并提高氫能的生產效率。

非鉑催化劑的研發(fā)被認為是低成本工業(yè)規(guī)模制氫的基礎。賓夕法尼亞大學和佛羅里達大學聯合研發(fā)了非鉑催化劑,即在二硫化鉬中添加石墨烯、鎢合金,可以使電解水反應高效進行,與鉑催化劑的作用相同,但成本卻得到了大幅度降低。

降低鉑用量的催化劑技術也陸續(xù)出現突破。查爾斯理工大學和丹麥科技大學聯合研究的納米合金催化劑可以降低約的鉑用量,從一定程度上解決了燃料電池商業(yè)化的瓶頸。

五、應用:家用分布式燃料電池系統發(fā)展迅速

分布式燃料電池系統目前分為重整制氫式燃料電池系統(多以天然氣為原料)以及純氫燃料電池系統。近年來,前者在歐洲、美國及日本發(fā)展迅猛,尤以日本的普及率最高。截至 2016 年底日本已經累計推廣 20 萬臺 ,2016 年底的售價為 127 萬日元(約為 7.5 萬元人民幣),補貼降低到 15 萬日元(約為 8800 元)。政府的目標是到 2030 年累計推廣 530 萬臺。

全球氫能利用及燃料電池產業(yè)發(fā)展情況與趨勢

數據來源:日本新能源及產業(yè)技術綜合開發(fā)機構

在日本,導入家用燃料電池系統后可將能源利用率提高約95%,并可不受限于天氣情況,穩(wěn)定地持續(xù)發(fā)電。據愛信精機公司統計,使用家用燃料電池(ENE.FRAM TYPES)后,日本家庭購買電力量下降約80%。

日本市場常見的分布式燃料電池系統廠商主要有松下、東芝、愛信精機、日立造船、Bloom energy 及京瓷等公司。其中,松下公司已經先后推出了五代分布式燃料電池產品,第五代產品耐 久性可以達到 9 萬小時,可以為用戶提供 12 年的使用壽命。新一代產品不僅通過減少 Pt 催化劑的用量大幅降低了成本,還提高了應對空氣中雜質的技術,有效提高了耐久性。

在分布式燃料電池的細分領域里,松下公司的產品既涵蓋獨立住宅用產品,也包括樓房式住宅產品。其樓房式住宅用燃料電池已經累計銷售 2000 臺,今后的研發(fā)目標是改善電力融通性(指各家各戶間可以相互電力交易,不通過電網實現自由交換)、增加附加值。樓房式住宅用燃料電池兼具抗震、防風及防爆特性,可以通過多種組合設計應對不同樓宇的實際情況,同時具有應急電源功能,通過調節(jié)各家庭的電力需求進一步提高分布式燃料電池的附加值。

六、產業(yè):企業(yè)聯合攻克成本難題

燃料電池汽車技術已趨近成熟,但距離商業(yè)化推廣仍然存在一定距離,其中最大的制約因素就是成本問題。單靠一家企業(yè)很難快速實現降成本,企業(yè)間的合作日益增多。

通用和本田 2017 年初宣布投入四千多萬美元(約合兩億人民幣)成立合資公司(FCSM),用于建設燃料電池電堆的生產線,對氫燃料電池系統進行量產,這是汽車行業(yè)內首家從事燃料電池系統量產業(yè)務的合資公司。計劃量產的產品為燃料電池及相關系統。兩家公司生產出來的燃料電池不僅用于汽車,也將嘗試應用于軍事、航空及家用領域。豐田與寶馬也簽署了 FCV 合作協議。豐田提供燃料電池等技術,寶馬提供汽車輕量化等技術。日產和戴姆勒及福特聯合開發(fā)價格合理的燃料電池汽車,共同加快燃料電池汽車技術的商業(yè)化。