摘要:根據(jù)國(guó)際氫能源委員會(huì)發(fā)布的《氫能源未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研報(bào)告》,預(yù)計(jì)到 2050 年,氫能源需求將是目前的 10 倍。預(yù)計(jì)到2030 年,全球燃料電池乘用車(chē)將達(dá)到 1,000 萬(wàn)輛至 1,500 萬(wàn)輛。由于市場(chǎng)潛力大,大企業(yè)加大研發(fā),一些國(guó)家也加大支持力度,力圖通過(guò)發(fā)展氫能解決來(lái)能源安全,并掌握國(guó)際能源領(lǐng)域的制高點(diǎn)。目前氫能在日、美、歐發(fā)展迅速,在制氫、儲(chǔ)氫、加氫等環(huán)節(jié)出現(xiàn)了很多創(chuàng)新點(diǎn),燃料電池技術(shù)也獲得新突破。

一、制氫:可再Th能源制氫項(xiàng)目增多,電網(wǎng)協(xié)同效應(yīng)得到重視

制氫的過(guò)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(wèn)題的一個(gè)重要方法是用可再生能源制氫,尤其是將本來(lái)?xiàng)壍舻娘L(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電轉(zhuǎn)化為氫最為經(jīng)濟(jì)。

《BP 世界能源展望(2017 年版)》預(yù)計(jì),到 2035 年可再生能源的增長(zhǎng)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(kāi)始備受關(guān)注,可再生能源制氫研究成果及示范項(xiàng)目也在不斷涌現(xiàn)。

可再生能源的間歇性導(dǎo)致棄風(fēng)、棄水、棄光現(xiàn)象十分嚴(yán)重,通過(guò)將風(fēng)光電轉(zhuǎn)化為氫氣,不僅可解決棄電問(wèn)題,還能反過(guò)來(lái)利用氫氣再發(fā)電增強(qiáng)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)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(kāi)始實(shí)驗(yàn)利用太陽(yáng)能電解水制氫,再由獲得的氫進(jìn)行發(fā)電。實(shí)驗(yàn)設(shè)備由約 50kW 的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)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(chǔ)氫罐和 10kW 的燃料電池構(gòu)成。

豐田提出了從生物和農(nóng)業(yè)廢料中制氫的技術(shù)路線。豐田將在美國(guó)長(zhǎng)灘港建造兆瓦級(jí)可再生能源加氫站“Tri-Gen”,該設(shè)施從生物和農(nóng)業(yè)廢料中制氫,可提供約 2350kW 的電力和每天1200kg 氫氣,可滿(mǎn)足 2350 個(gè)家庭和 1500 輛燃料電池汽車(chē)的日常使用。

德國(guó)推出的 power to gas 項(xiàng)目即收集用電低谷時(shí)可再生能源的剩余電力通過(guò)電解水的方式制造氫氣,再將生成的氫氣注入當(dāng)?shù)氐奶烊粴夤艿乐羞M(jìn)行能源的儲(chǔ)存。隨著此類(lèi)項(xiàng)目的增多,電網(wǎng)的協(xié)同效應(yīng)逐步得到驗(yàn)證。

二、儲(chǔ)氫:液氫儲(chǔ)運(yùn)或?qū)⒊蔀榘l(fā)展重點(diǎn)

氫能的存儲(chǔ)是氫能應(yīng)用的主要瓶頸之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)能源部所有氫能研究經(jīng)費(fèi)中有用于研究氫氣的儲(chǔ)存。氫能工業(yè)對(duì)儲(chǔ)氫的要求總的來(lái)說(shuō)是儲(chǔ)氫系統(tǒng)要安全、容量大、成本低、使用方便。從目前主要儲(chǔ)氫材料與技術(shù)來(lái)看,有高壓儲(chǔ)氫、液體儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫及管道運(yùn)輸氫等。

現(xiàn)階段液氫儲(chǔ)運(yùn)逐漸成為研發(fā)重點(diǎn),日、美、德等國(guó)已將液氫的運(yùn)輸成本降低到高壓氫氣的八分之一左右。日本已經(jīng)將液氫供應(yīng)鏈體系的發(fā)展作為解決大規(guī)模氫能應(yīng)用的前提條件,基本思路是以澳大利亞的褐煤為原料生產(chǎn)氫氣,再通過(guò)碳捕捉實(shí)現(xiàn)去碳化,然后通過(guò)船舶運(yùn)回日本使用。為了支撐液氫供應(yīng)鏈體系的發(fā)展,解決液氫儲(chǔ)運(yùn)方面的關(guān)鍵性技術(shù)難題,企業(yè)積極地投入研發(fā),推出的產(chǎn)品大多已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際檢驗(yàn)階段,如巖谷產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的大型液氫儲(chǔ)運(yùn)罐,通過(guò)真空排氣設(shè)計(jì)保證了儲(chǔ)運(yùn)罐高強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高阻熱性。

目前,液氫加氫站開(kāi)始亮相國(guó)際舞臺(tái),已遍布日本、美國(guó)及法國(guó)市場(chǎng),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(chǎn)業(yè)公司已經(jīng)成功建立了 16 座液氫加氫站,美國(guó)液氫加氫站的建設(shè)企業(yè)以Plug power、Air product 公司為主,法國(guó)市場(chǎng)的液氫加氫站建設(shè)企業(yè)主要是林德公司。我國(guó)的液氫工廠還處在為航天火箭發(fā)射服務(wù)的階段,受法規(guī)所限,還無(wú)法應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

三、加氫:加氫站建設(shè)速度加快,混合站日益增多

加氫站作為燃料電池汽車(chē)的配套基礎(chǔ)設(shè)施,隨著燃料電池車(chē)輛的推廣應(yīng)用,其建設(shè)與推廣也受到了重視。據(jù) H2stations.org 統(tǒng)計(jì),2016 年全球新增 92 座加氫站,其中 83 座是對(duì)外開(kāi)放的,其余 9 座則專(zhuān)門(mén)為公交車(chē)或車(chē)隊(duì)客戶(hù)提供服務(wù)。從地區(qū)分布來(lái)看,日本新增 45 座,位列增長(zhǎng)數(shù)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(guó),德國(guó)公共加氫站總數(shù)增至 22 座。另外,德國(guó)還有 29 座加氫站正在建設(shè)或即將開(kāi)放,超過(guò)美國(guó),后者正在建設(shè)的加氫站有24 座。為了適應(yīng)規(guī)模化運(yùn)營(yíng)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(chē)的推廣,每天可為 30-50 輛客車(chē)或100 輛乘用車(chē)提供加氫服務(wù)的加氫站逐漸出現(xiàn)并成為主流。

加氫站運(yùn)營(yíng)呈現(xiàn)集成化、模塊化發(fā)展的新趨勢(shì),混合站數(shù)量逐漸增長(zhǎng)?；旌闲问綇莫?dú)立式加氫站、加油站并設(shè)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(shè)、與充電樁并設(shè)的加氫站。為燃料電池汽車(chē)的普及提供了更多樣化的基礎(chǔ)設(shè)施解決方案。

四、技術(shù):核心部件成本顯著降低,新型催化劑成研發(fā)重點(diǎn)

日本九州大學(xué)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(dú)特“蝴蝶”結(jié)構(gòu)的鎳和銥金屬原子的水溶性絡(luò)合物,可以模擬兩種酶的功效,酸性介質(zhì)中的氫化酶(pH 4-7)和堿性介質(zhì)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(chǎn)效率。

非鉑催化劑的研發(fā)被認(rèn)為是低成本工業(yè)規(guī)模制氫的基礎(chǔ)。賓夕法尼亞大學(xué)和佛羅里達(dá)大學(xué)聯(lián)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(yīng)高效進(jìn)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(shù)也陸續(xù)出現(xiàn)突破。查爾斯理工大學(xué)和丹麥科技大學(xué)聯(lián)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(yīng)用:家用分布式燃料電池系統(tǒng)發(fā)展迅速

分布式燃料電池系統(tǒng)目前分為重整制氫式燃料電池系統(tǒng)(多以天然氣為原料)以及純氫燃料電池系統(tǒng)。近年來(lái),前者在歐洲、美國(guó)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(jīng)累計(jì)推廣 20 萬(wàn)臺(tái) ,2016 年底的售價(jià)為 127 萬(wàn)日元(約為 7.5 萬(wàn)元人民幣),補(bǔ)貼降低到 15 萬(wàn)日元(約為 8800 元)。政府的目標(biāo)是到 2030 年累計(jì)推廣 530 萬(wàn)臺(tái)。

全球氫能利用及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況與趨勢(shì)

數(shù)據(jù)來(lái)源:日本新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)

在日本,導(dǎo)入家用燃料電池系統(tǒng)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(jù)愛(ài)信精機(jī)公司統(tǒng)計(jì),使用家用燃料電池(ENE.FRAM TYPES)后,日本家庭購(gòu)買(mǎi)電力量下降約80%。

日本市場(chǎng)常見(jiàn)的分布式燃料電池系統(tǒng)廠商主要有松下、東芝、愛(ài)信精機(jī)、日立造船、Bloom energy 及京瓷等公司。其中,松下公司已經(jīng)先后推出了五代分布式燃料電池產(chǎn)品,第五代產(chǎn)品耐 久性可以達(dá)到 9 萬(wàn)小時(shí),可以為用戶(hù)提供 12 年的使用壽命。新一代產(chǎn)品不僅通過(guò)減少 Pt 催化劑的用量大幅降低了成本,還提高了應(yīng)對(duì)空氣中雜質(zhì)的技術(shù),有效提高了耐久性。

在分布式燃料電池的細(xì)分領(lǐng)域里,松下公司的產(chǎn)品既涵蓋獨(dú)立住宅用產(chǎn)品,也包括樓房式住宅產(chǎn)品。其樓房式住宅用燃料電池已經(jīng)累計(jì)銷(xiāo)售 2000 臺(tái),今后的研發(fā)目標(biāo)是改善電力融通性(指各家各戶(hù)間可以相互電力交易,不通過(guò)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)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(fēng)及防爆特性,可以通過(guò)多種組合設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)不同樓宇的實(shí)際情況,同時(shí)具有應(yīng)急電源功能,通過(guò)調(diào)節(jié)各家庭的電力需求進(jìn)一步提高分布式燃料電池的附加值。

六、產(chǎn)業(yè):企業(yè)聯(lián)合攻克成本難題

燃料電池汽車(chē)技術(shù)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(wèn)題。單靠一家企業(yè)很難快速實(shí)現(xiàn)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(wàn)美元(約合兩億人民幣)成立合資公司(FCSM),用于建設(shè)燃料電池電堆的生產(chǎn)線,對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行量產(chǎn),這是汽車(chē)行業(yè)內(nèi)首家從事燃料電池系統(tǒng)量產(chǎn)業(yè)務(wù)的合資公司。計(jì)劃量產(chǎn)的產(chǎn)品為燃料電池及相關(guān)系統(tǒng)。兩家公司生產(chǎn)出來(lái)的燃料電池不僅用于汽車(chē),也將嘗試應(yīng)用于軍事、航空及家用領(lǐng)域。豐田與寶馬也簽署了 FCV 合作協(xié)議。豐田提供燃料電池等技術(shù),寶馬提供汽車(chē)輕量化等技術(shù)。日產(chǎn)和戴姆勒及福特聯(lián)合開(kāi)發(fā)價(jià)格合理的燃料電池汽車(chē),共同加快燃料電池汽車(chē)技術(shù)的商業(yè)化。