氫能與燃料電池技術(shù)路線圖

氫能與燃料電池技術(shù)路線圖翻譯/楊征、王海龍工業(yè)和信息化部賽迪研究院譯自：TechnologyRoadmap:HydrogenandFuelCells，June2015by

InternationalEnergyAgency隨著全球工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，化石燃料消耗量日益增加，對環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重，迫切需要尋找一種作為替代品的清潔燃料。氫的來源豐富，不僅可以由其他能源來生產(chǎn)氫能，而且氫能可以高效地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。作為一種能源載體，氫在交通、工業(yè)和建筑等各個領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用，并且使用氫能可以提高能源系統(tǒng)的靈活性。為此，需要對氫能和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)、未來發(fā)展方向和重點進(jìn)行研究。一、氫能源的重點應(yīng)用領(lǐng)域氫能源在國際上廣泛應(yīng)用在交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域，極大豐富了能源構(gòu)成，降低了傳統(tǒng)化石燃料對環(huán)境的影響。（一）交通領(lǐng)域在交通領(lǐng)域中，用氫燃料電池取代化石燃料給汽車提供動力，能夠有效地解決空氣污染、噪音污染和CO2排放帶來的全球氣候變暖等環(huán)境問題。氫燃料優(yōu)化汽車效率。氫燃料電池電動汽車從本質(zhì)上講是一個電動汽車。氫氣儲存在車上的高壓罐內(nèi)，通過燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化成電能給汽車提供動力。能量儲存在電池里面，使用電池里的電能可以優(yōu)化操作效率。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，與內(nèi)燃機(jī)汽車和插電式混合動力汽車相比,氫燃料電池能明顯的降低碳排放量，同時其最大行駛里程可以達(dá)到純電動汽車的3倍。氫燃料電池汽車價格居高不下。2015年，豐田公司宣布最新的氫燃料電池汽車在試運行期價格是6萬美元，但是該價格可能主要反映的是客戶的支付意愿，而不是生產(chǎn)汽車的成本，因為氫燃料電池汽車目前主要是針對高收入群體和汽車技術(shù)愛好者，并且要求在居住地附近有相應(yīng)的加氫站。到現(xiàn)在為止，只有美國、德國、日本和韓國的部分城市擁有了配套的加氫站。通過表1的汽車動力方案成本之間的對比可以發(fā)現(xiàn)，與其他幾種汽車供能方式相比，燃料電池汽車的價格雖然目前價格很高，但未來有很大的下降空間，到2050年可以下降到現(xiàn)在價格的55%左右。降低成本是發(fā)展氫燃料汽車的關(guān)鍵。從表2可以看出燃料電池系統(tǒng)的高成本增加了整個汽車的成本，未來的主攻方向是如何在減小成本的同時延長使用壽命。降低燃料電池系統(tǒng)的成本從理論上講是可行的，并且很大程度上決定了整個汽車的成本。但是高壓罐的成本卻很難下降，因為高壓罐的成本很大程度上取決于昂貴的復(fù)合材料，所以目前的研發(fā)重點集中在降低高壓罐的復(fù)合材料成本。電池和電力控制系統(tǒng)的成本隨著技術(shù)的進(jìn)步都會有一定的下降，因為材料的限制不會下降得太多，但是高技術(shù)的融入會延長電池使用壽命，從而提高整個汽車的使用性能。（二）工業(yè)領(lǐng)域在工業(yè)領(lǐng)域中，氫氣一直是最重要的原材料之一，并且通過氫的使用可以使精煉等行業(yè)達(dá)到基本無碳排放。到目前為止，氫的制造和使用都局限在工業(yè)領(lǐng)域中，主要用途是作為化工行業(yè)的原材料。在過去，石油化工企業(yè)主要通過石油裂解來制造氫氣，但是現(xiàn)在，隨著對氫氣需求的增加，企業(yè)開始更多地使用天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)氫氣。大部分的氫氣在精煉行業(yè)作用是加氫處理、加氫裂化和精煉過程中脫硫等，不斷地追求高品質(zhì)，導(dǎo)致了對氫氣需求的不斷增長。除了常規(guī)的燃料精煉，由木質(zhì)纖維素生產(chǎn)的生物燃料也需要相當(dāng)數(shù)量的氫氣用作加氫脫氧。氫氣還可以在鋼鐵生產(chǎn)中可用作還原劑，取代部分焦炭的使用，同時，氫氣也是鋼鐵工業(yè)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物的一部分，但是在大多數(shù)情況下，這些廢氣直接被用來燃燒，如果能把其中的氫氣收集起來就可以減少利用化石燃料生產(chǎn)氫氣的壓力，從而提高整體能源使用效率，減少碳排放。（三）建筑領(lǐng)域在建筑領(lǐng)域中，運用氫能微型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組技術(shù)可以極大地提高能源利用效率，建設(shè)節(jié)能環(huán)保型建筑。微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置可以利用發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢熱來供暖，這可以顯著提高建筑物整體能源效率。當(dāng)前大部分地區(qū)都采取分布式發(fā)電和供熱系統(tǒng)，在沒有集中供熱網(wǎng)的區(qū)域，應(yīng)用這種微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，就有很大的優(yōu)勢。目前已經(jīng)可以在市場上買到很多利用天然氣發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)可以提高燃料的使用效率，在如今的技術(shù)水平下，燃料電池微聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電效率是42%，比內(nèi)燃機(jī)微聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)高出10%，但是不足之處是燃料電池微聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的成本太高。二、氫能和燃料電池關(guān)鍵技術(shù)

氫能和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)主要是氫能的生產(chǎn)工藝、燃料電池技術(shù)、氫燃料的運輸與配送，以及可再生能源集成等。（一）氫氣生產(chǎn)工藝氫氣的生產(chǎn)工藝主要有蒸汽甲烷重整和電解制氫兩種，如表3所示，兩種生產(chǎn)方式各有優(yōu)缺點，可以根據(jù)加氫站的布置情況來選擇。蒸汽甲烷重整。目前，大約48%的氫氣是由天然氣通過蒸汽甲烷重整工藝生產(chǎn)，即在高溫、催化劑的作用下，甲烷和水蒸氣發(fā)生的反應(yīng)生成氫氣的過程。如果廢氣中的二氧化碳濃度較高時，蒸汽甲烷重整工藝就需要采用CO2捕捉與封存技術(shù)，來控制碳排放量。用這種方法大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的成本主要由天然氣價格決定，例如目前美國天然氣的價格是每千克0.9美元，歐洲的天然氣每千克2.2美元，日本的天然氣每千克3.2美元。重整工藝并不局限于使用天然氣，所有富含氫元素的氣體都可以用重整工藝生產(chǎn)純凈的氫氣，同時氫氣也可以從其他化石資源中生產(chǎn)出來，如煤、生物質(zhì)或有機(jī)廢料等。電解制氫。電解法是通過施加一個直流電把水分離成氫氣和氧氣，把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。對于僅使用電能作為輸入能量的電解槽（無外熱），隨著電池電壓的升高，制氫效率會降低，而產(chǎn)氫速率卻會提高。因此對于給定幾何形狀的電解槽，工程師需要平衡電解槽效率和產(chǎn)氫量之間的關(guān)系。不同類型的電解槽可以按電解質(zhì)和電荷載體的不同，分成堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽等。堿性電解槽是目前最成熟的技術(shù)，并且投資成本比其他的電解槽要低很多，但是質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽更有希望降低成本和提高效率。選擇電解槽工藝需要找到一個減少投資成本和實現(xiàn)效率提高的平衡點。由圖2可以看出質(zhì)子交換膜電解槽在成規(guī)模生產(chǎn)時有望進(jìn)一步降低成本。（二）氫燃料電池技術(shù)氫燃料電池不僅高效能，而且環(huán)保，尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池，未來市場發(fā)展前景廣闊。氫燃料電池的高性能。氫燃料電池是通過含有大量氫氣的燃料與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，而不是利用燃燒來供能。相比于其他把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的過程，它的發(fā)電效率更高，通常能達(dá)到32%-70%。一般而言，燃料電池里的燃料除了氫氣，還有天然氣、甲醇和柴油等其他液體燃料。如果使用的是純氫氣，燃料電池的排氣是水蒸氣，那么它對環(huán)境的影響可以忽略不計。雖然使用了烴類的燃料，就會有二氧化碳的排放，但是即便這樣，使用燃料電池仍具有減輕碳排放的環(huán)境價值。燃料電池類型。燃料電池可以根據(jù)它們膜的類型和操作溫度分成不同的類型。燃料電池可分為：(1)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)；(2)堿性燃料電池；(3)磷酸型燃料電池(PAFC);(4)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC);(5)固體氧化物燃料電池(SOFC)。質(zhì)子交換膜燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池電動汽車最適合的選擇。類似于電解槽，燃料電池也有一個電效率和功率輸出的平衡。電效率在低負(fù)載時很高，且隨著功率輸出的增加而降低。質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的操作溫度比較低，在80℃左右，另外的燃料電池操作溫度就比較高，可以達(dá)到600℃(固體氧化物燃料電池)，這使得它們可以適用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中。（三）氫燃料運輸與配送氫燃料的廣泛應(yīng)用，依賴完善的氫燃料運輸配送基礎(chǔ)設(shè)施，來保障氫能的高效使用。加氫站。加氫站是燃料電池電動汽車燃料供應(yīng)鏈中一個至關(guān)重要的因素，提供盡可能多的加氫站是實現(xiàn)消費者利益的先決條件。加氫站的設(shè)置在很大程度上是由每日氫燃料的需求量、車載氫燃料的儲存方式，以及氫燃料的制造和運輸方式等決定的。確定一個加氫站大小是關(guān)鍵的一步，一個小的加氫站初始階段可能每天只需要50kg到100kg，但是在成熟以后的市場里，加氫站每天可能會需要2000kg氫燃料。加氫站的氫燃料可以由下面的兩種途徑來提供：（1）從一個集中生產(chǎn)氫的工廠運輸?shù)郊託湔荆唬?）在加氫站里用較小規(guī)模的電解槽和天然氣蒸汽重整生產(chǎn)氫氣。每種方法都各有優(yōu)點和不足：大規(guī)模、集中式制氫在大規(guī)模經(jīng)濟(jì)下盡量減少了制氫成本，但卻需要運輸氫燃料，這增加了使用氫的成本；在分散制氫、小規(guī)模制氫的情況下，減少了運輸和配送成本，但是卻增加了制氫的成本。因此，尋找最佳的網(wǎng)絡(luò)配置需要詳細(xì)分析并考慮多種因素，如制氫資源地理分布、現(xiàn)存基礎(chǔ)設(shè)施情況和加氫站預(yù)計氫燃料需求量等。氫氣運輸和配送。氫氣的運輸和配送方式主要有三種：氣體管運輸、液化罐運輸和管道運輸（如表4）。在選擇氫氣的運輸方式時，需要綜合考慮的固定成本和可變成本。氣體管運輸投資成本最低，但由于輸送容量小，可變成本很高；與之相反的則是管道運輸，高投資成本增加了固定費用，但卻降低了可變成本。選擇運輸途徑時需要考慮很多因素，其中加氫站氫氣需求量和運輸配送距離是兩個最重要的因素。目前在管道運輸方式上已經(jīng)有相當(dāng)豐富的經(jīng)驗，美國現(xiàn)有的氫氣管道系統(tǒng)已達(dá)2400公里，歐洲已經(jīng)接近1600公里。加氫站與氫燃料運輸配送技術(shù)之間的聯(lián)系是顯而易見的，對于小加氫站，可以采用氫氣氣體罐運輸或者現(xiàn)場制氫，而對于日用氫量大于500kg且沒有現(xiàn)場制氫的加氫站，液化運輸和管道運輸是最好選擇。因此，加氫站的設(shè)置決定了氫燃料運輸路徑的選擇。（四）可再生能源集成氫能高效轉(zhuǎn)化為電能。能否保障電網(wǎng)的供應(yīng)可靠性是集成可再生能源的關(guān)鍵所在，這很大程度上取決于能源的儲存方式。用光伏、風(fēng)能和潮汐能等可再生能源來發(fā)電，可以解決困擾整個世界的能源問題和環(huán)境問題等。但是，可再生能源具有間歇性和分散性的特點，這對需要以最大限度保證電力供應(yīng)可靠性的電網(wǎng)系統(tǒng)提出了全新的挑戰(zhàn)。對于長期的大規(guī)模的儲能系統(tǒng)，儲存能源的能力是有限的，而且電解槽和燃料電池等技術(shù)組件非常昂貴，我們需要在低成本的前提下保證能源儲存系統(tǒng)的儲能效率。地下儲氣庫。將生產(chǎn)的電能轉(zhuǎn)化為氫氣，再把液態(tài)氫注入地下空間而形成一個地下氫氣儲氣庫無疑是一個很好的選擇。地下儲氣庫具有以下優(yōu)點：（1）儲存量大，機(jī)動性強，調(diào)峰范圍廣；（2）經(jīng)濟(jì)合理，雖然造價高，但是經(jīng)久耐用，使用年限長達(dá)30到50年或更長；（3）安全系數(shù)大，安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面設(shè)施。表5顯示，針對不同的地下儲氣庫，在綜合考慮安全性、技術(shù)可行性、投資成本和運營成本等指標(biāo)時，地下巖溶儲氣庫是氫氣儲集的最好選擇。以氫氣為基礎(chǔ)的可再生能源整合系統(tǒng)，要基于多個變換步驟，導(dǎo)致在整個轉(zhuǎn)化鏈中能量有效利用率較低，只有20%-30%，并且轉(zhuǎn)化步驟越多，整體的效率越低，技術(shù)上還有很大的提高空間。

三、近期重點任務(wù)為了促進(jìn)氫能和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，下一步需要集中資源，促進(jìn)跨領(lǐng)域的合作，部署氫燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈，逐步完善相應(yīng)的政策和監(jiān)管框架。（一）促進(jìn)氫能帶來的跨領(lǐng)域合作發(fā)展氫燃料電池需要不同領(lǐng)域之間的合作，政府需要從以下幾個方面來推進(jìn)合作：（1）鼓勵提高燃油效率和降低溫室氣體排放的技術(shù)，建立包括碳定價、關(guān)稅、燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)、可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)等在內(nèi)的一些穩(wěn)定的政策和監(jiān)管框架；（2）刺激氫能和燃料電池技術(shù)的投資和早期的市場部署，通過有效的政策支持來降低成本；（3）強化終端應(yīng)用中關(guān)于安全性和氫能計量的國際規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；（4）釋放公共和私人資金，加大氫燃料電池和電解制氫裝置的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，支持持續(xù)性的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，加強交叉領(lǐng)域的研究力度，例如新材料領(lǐng)域，有些關(guān)鍵性材料在改善氫燃料電池性能方面可以起到變革性的作用；（5）促進(jìn)國際間的項目合作，把資金投入到世界范圍內(nèi)最有希望攻克技術(shù)難點的科研機(jī)構(gòu)，從而保證科研資金的使用效率；（6）建立量化能源系統(tǒng)集成效益的模型，分析能源發(fā)展帶來的區(qū)域性影響，增進(jìn)不同能源系統(tǒng)之間的合作和相互理解。（二）建立氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈建立一個燃料電池電動汽車的產(chǎn)業(yè)鏈，并且完善相應(yīng)氫燃料的生產(chǎn)、配送和補給站等基礎(chǔ)設(shè)施，在全世界范圍內(nèi)選擇合適的區(qū)域，建設(shè)至少500到1000個加氫站和一些跨國項目。通過這個產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)配套的運行情況，來判斷氫能源汽車的經(jīng)濟(jì)性和實用性。在具有氫燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)的歐洲、日本、韓國和美國部署方案，讓這些地區(qū)的國家政府參加制定緩解風(fēng)險策略，發(fā)展金融工具和創(chuàng)新的商業(yè)模式，完善燃料電池電動汽車市場推廣零售基礎(chǔ)設(shè)施。增加可以集成可再生能源的氫能源系統(tǒng)的數(shù)量，并且收集這些能源系統(tǒng)在現(xiàn)實條件下的性能數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)盡可能地降低成本和優(yōu)化系統(tǒng)效率。（三）完善相應(yīng)的政策和監(jiān)管框架氫能和燃料電池路線圖強調(diào)了制定相關(guān)政策時面臨的一些具體挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要包括道路交通運輸領(lǐng)域的碳排放限制、大量集成可再生能源的目標(biāo)，以及低碳化、低成本的氫能和燃料電池生產(chǎn)技術(shù)等。迎接挑戰(zhàn)，需要有良好的政策方針來刺激技術(shù)解決方案之間的有效競爭，當(dāng)然這些政策方針不應(yīng)該局限于氫燃料電池。相關(guān)政策應(yīng)該給具有發(fā)展前景的技術(shù)提供定向支持，朝著降低成本和提高性能的方向發(fā)展，以便于早日實現(xiàn)市場化。政府支持和保障。政府可以充當(dāng)催化劑的角色來促進(jìn)氫能和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，提供經(jīng)費支持氫能開發(fā)示范基地建設(shè)，并制定相應(yīng)的扶持政策。政府需要在能源利用和氣候等方面制定長遠(yuǎn)目標(biāo)，并營造穩(wěn)定的發(fā)展環(huán)境，來保障各項能源發(fā)展和氣候指標(biāo)的實現(xiàn)。激活社會資本。調(diào)動社會資本是氫能和燃料電池技術(shù)的大規(guī)模部署的先決條件。在過去的十年中，一些倡議聯(lián)盟和伙伴關(guān)系已經(jīng)建立，以協(xié)調(diào)利益相關(guān)者之間的行動，并確保資金的順利流轉(zhuǎn)。例如，為加大氫能開發(fā)和建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，積極引進(jìn)燃料電池生產(chǎn)商、汽車制造商、電力供應(yīng)商、運輸服務(wù)提供商等各個環(huán)節(jié)的企業(yè)，通過協(xié)調(diào)利益相關(guān)者之間的行為，來降低投資風(fēng)險。這些舉措最終成功與否將取決于其能否實現(xiàn)不同利益相關(guān)者的利益。在全球范圍內(nèi)，近些年每年都有幾百億美元花在氫能和燃料電池技術(shù)以及相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上四、展望與建議（一）展望國際能源署希望通過限制CO2等溫室氣體的排放，來控制全球溫度上升不超過2℃。如果要在2050年實現(xiàn)這個雄心勃勃的目標(biāo)，全球所有與能源相關(guān)領(lǐng)域的碳排放總量要降低到當(dāng)前值的一半以下。其中，能源的生產(chǎn)和輸送環(huán)節(jié)，要完成減排任務(wù)總量的一半左右，而如此低碳的能源系統(tǒng)就必須依賴于在能源生產(chǎn)部分徹底減少碳排放量，其中關(guān)鍵是要部署風(fēng)能、生物質(zhì)能和水電等可再生能源的應(yīng)用。要實現(xiàn)溫度升限2℃以內(nèi)的目標(biāo)，到2050年可再生能源發(fā)電量要占到總發(fā)電量63%的比例。剩下約一半的減排任務(wù)就由交通、工業(yè)和建筑等重點應(yīng)用領(lǐng)域來完成，需要在能源的終端應(yīng)用上提高效率，利用低碳的氫能、生物質(zhì)能和其他可再生能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源。（二）建議針對氫能和燃料電池發(fā)展中的問題，建議政府、工業(yè)、科研等部門和領(lǐng)域給予政策保障和技術(shù)支持。政府部門。為實現(xiàn)長期的氣候和節(jié)能減排目標(biāo)，建立穩(wěn)定的政策和監(jiān)管框架，制定碳定價、燃料關(guān)稅或可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)，在所有能源領(lǐng)域鼓勵使用高燃油效率和低排放技術(shù)。在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，強化道路交通領(lǐng)域的燃油經(jīng)濟(jì)性，并且限制CO2及其他污染物的排放。該報告對政府