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氢能源与氢燃料电池技术研发及商业化探索

作者:  信息来源:能源日参    发布日期:2017-08-25

  氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,人类对氢能的应用自200年前就产生了兴趣,到20世纪70年代以来,世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能源研究。



  2015年被认为是氢燃料电池的产业化元年,氢燃料电池技术研究百花齐放、氢燃料电池汽车投放市场、氢燃料电池固定式发电进入商业化运营模式、不断开拓氢燃料电池在其它应用领域的商业化发展道路。


  从氢能与氢燃料电池全球发展的总体来看,欧美日等发达国家继续加大研发投入和政策扶持,氢能与氢燃料电池在交通领域、固定式发电领域、通信基站备用电源领域和物料搬运领域都显示出市场化的迹象,氢燃料电池技术应用总体已经在商业化初期崭露头角。其中,丰田汽车公司的MariaFCV和现代汽车公司ix35FCV的早期市场化推进,以及配套的加氢站建设进程特别引人注目,相信两大汽车厂商的举动和取得的成果将会给予其他汽车公司加入氢燃料电池汽车商业化极大的勇气,让人们对氢燃料电池汽车在未来的发展更加期待。


  第一节研究开发模式


  1、德国模式


  德国氢能经济走的是一条由上至下的发展道路,首先重点发展电转气模式,以期尽快为下游氢能应用提供便捷的基础设施,进而激活下游应用场景。在氢能基础设施布局方面,德国政府采取以核心城市为中心,并依托完备的天然气管道系统逐步向外延扩展。


  与此同时,德国政府和产业资本也积极推动氢能基础设施的发展和建设。德国政府牵头成立了国家全资公司(NOWGmbH),以支持氢能经济的初期发展。该公司的管理层由德国联通署、建筑与城市发展部等5个部门组成。


  为推动氢能发展项目的实施,NOW启动了“国家氢和氢燃料电池技术创新计划(NIP)”。通过NIP计划,共募集14亿欧元的专项资金用于2007~2016年的氢能项目开发。募集资金中的7亿欧元由德国政府出资,剩余资金则按项目合作制度由产业提供。除此而外,由AirLiquide、Daimler、Linde、OMV、Shell和Total六家氢能产业的龙头企业结成了H2Mobility联盟,以社会产业资本的身份通过NOW一同支持德国氢能产业发展。


  德国其他氢能产业资本也全力支持氢能经济发展,目前有约300家上下游公司(包括汽车厂商和各类配件供应商)准备投入超过20亿欧元,用于推动氢能基础设施建设。


  德国一些大型能源电力公司,如EON和ENERTRAG等都在政府的宏观指导和具体支持下积极实施电转气项目,以期最终实现利用风能等可再生能源的大规模制氢,这将是今后大规模利用风能最有前景的技术路线之一。下一步德国计划开展更大规模的20~50MW风力发电制氢的电转气示范项目,为未来的氢能经济培育基础。


  2、日本模式


  因能源匮乏,日本很早就将氢能经济视为未来国家能源的发展方向,并已持续推广多年。日本从1993年起就开始实施“世界能源网络计划”,深入研究氢及其基础设施技术,希望到2020年逐步推广氢能。小泉首相在2002年2月的施政方针中明确表示:氢燃料电池是打开氢能源时代大门的关键,希望能在3年内投入使用。2002年,日本成立氢能与燃料电池展示项目组,当年投资20亿日元,次年又投资25亿日元。


  进入21世纪以来,日本在氢燃料电池和氢燃料电池汽车领域成绩瞩目,成为引领“终极环保车”的时代先锋。日本在2013年5月安倍政府推出的《日本再复兴战略》中,把氢能源发展提升为国策,并启动加氢站建设的前期工作。2014年6月,日本内阁对该战略进行了修订,发出了建设氢社会的呼吁,明确政府将大力普及家庭和工业用氢燃料电池,以及2015年开始快速普及氢燃料电池汽车,推进氢燃料电池技术开发和降低成本,在2030年向市场投入530万块家用氢燃料电池,相当于日本家庭的10%。


  此外,日本经济产业省在2013年12月成立了由行业、研究机构和政府各界代表广泛参与的氢和氢燃料电池战略协议会。该组织在2014年6月公布了《氢和氢燃料电池战略路线图》,就日本氢能源政策、技术和发展方向等方面进行全面阐述,并制定出氢能源研发推广时间表。日本2014年4月在出台的第4次《能源基本计划》中,将氢能定位为同电力和热能并列的核心二次能源,提出建设氢能源社会,即氢能源在日常生活和产业活动中普遍利用的社会。


  《氢和氢燃料电池战略路线图》明确了当前到2050年之间的氢能长期发展路线图,着重推广氢能发电,以及氢能在叉车和船舶方面的应用、建立廉价的氢气系统,促使氢能应用多样化,并于2020年初步构建国际氢能供应链,以上经济成果需要在日本奥运会上展示。


  从日本氢能经济长期发展路线图可以看出,其选择的是自下而上的发展路径。日本希望在前期着重普及氢能及氢燃料电池的下游应用,并不断拓展下游市场规模。


  为了推进氢能经济的初期发展,2014年日本提供约46亿日元的财政补贴资金,2015年则为89亿日元。这些资金将用于补贴50%的加氢站建设成本。日本产业省的全资公司VEDO公司负责管理日本氢能和氢燃料电池示范项目,该项目的目标之一是到2025年,在日本建立1000座加氢站。


  在基础设施布局方面,日本与德国一样,首先在人口密集的区域建设基础设施。日本将前期的基础设施建在车辆集中且可能首先商业化的城市,并将加氢站布局在四个核心地区之间的高速公路上。


  2015年,日本继续保持了对氢与氢燃料电池的高强度投入。政府为氢燃料电池汽车消费者提供高额的补贴。如政府为购买Mirai的消费者提供300万日元的补贴,补贴力度远远高于中国、美国及欧洲政府对电动汽车购买者的补贴。日本政府2016年投入氢能与氢燃料电池的财政预算达到601亿日元,比2015年的430亿大幅增加。


  3、其他国家模式


  目前欧美等国都制定了氢能发展战略和详细的计划,并在迅速而有步骤地推进,已经取得了积极成果。


  2002年10月,欧盟成立了氢燃料和燃料电池技术高级研究小组。


  2003年,欧盟发布了“氢发展构想报告和行动计划”,计划在4年内投资20亿美元,规划到2030年使氢能源汽车的比例达到15%,2040年至少再翻一番,并创立欧洲氢燃料电池合作组织。欧洲“清洁城市运输项目计划(CUTE)”投资1850万欧元,进行大规模的氢燃料电池公共汽车示范试验。从2002年6月到2006年7月长期进行证实性产品生命周期分析和对氢燃料供应设施建设的运用验证,应用多种不同的氢加注装置,为今后动态地实用化做准备。


  美国已将氢能源和氢燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的技术之一,长期重视氢能与氢燃料电池技术的发展,各级政府均提供大量资金资助科研机构进行氢能的研发。


  早在1994年,克林顿政府实施“新一代汽车合作计划(PNGV)”,耗资15亿美元,开发三倍于当时燃料效益的新一代先进轿车。布什政府提出“自由轿车项目(Freedomcar)”以及“自由燃料计划(Freedomfuel)”,总共耗资17亿美元,从事氢燃料电池、氢能基础建设与尖端车辆科技的发展。


  2015年汽车厂商开始向市场供应氢燃料电池汽车可以说是氢燃料电池领域的一大新闻。随着氢能源汽车的商业化,美国能源部于2015年12月15日宣布设立3500万美元的基金,这笔资金的资助范围涵盖了氢气的制取、储存、运输,基础设施元件制造以及氢能及氢燃料电池技术的推广等方面,主要研究制氢、储氢、先进储氢材料以及氢燃料电池性能等,希望进一步降低氢燃料电池成本以及提高燃料电池耐久性。


  加拿大政府投入2.15亿加元进行“氢能早期采用者计划”,用于开发包括氢能高速公路在内的氢能源项目。加拿大政府还出资2300万加元成立运输燃料电池联盟,用以展示氢燃料电池汽车。同类型的项目还有“加拿大燃料电池氢能社区伙伴”、“温哥华氢燃料电池专案”以及“复合燃料电池运输公共项目”等项目。同时,巴拉德公司支持加拿大政府在范库弗峰和惠斯勒之间兴建世界第一条氢能公路。通过使用建在公路上7个制氢点制取的氢气,来促进车用氢燃料电池更广泛的应用,这些仅仅是加拿大“氢能长期发展计划”的一部分。


  新加坡研究人员已成功研制出一种新型氢燃料电池,可用于摩托车。研究人员希望这种新型氢燃料电池将来能在电视、收音机甚至手机等电器上使用。


  冰岛58%的能源和近100%的电力来自水电和地热,早在1999年冰岛政府就提出到2030年将率先建成氢能经济,首先更换首都雷克雅未克的全部公交车,并使全部机动车和渔船使用氢燃料电池。


  丹麦政府在2012年开始对纯电动车和氢燃料电池汽车实行免税政策,原政策在2015年到期。2015年11月,丹麦政府通过了一项政府决议,将延长现有对于氢燃料电池汽车的免税优惠政策至2018年。


  韩国对氢燃料技术的研究比美、日等国落后4~5年,但也公布了以氢为基础的经济能源政策,希望到2020年陆续投资8.43亿美元,使交通对原油的依赖减少20%。


  得益于韩国政府的鼓励以及韩国自身资源的匮乏,氢燃料电池系统在韩国得到了极大的普及,政府的激励措施已经到位,韩国政府制定了在2035年11%的电力由可再生能源提供的目标,而氢燃料电池技术正是主要选择之一。首尔更是计划到2030年将氢燃料电池电力的比例提升到50%。韩国政府对于氢燃料电池的政策支持包括可再生能源占比条例(RPS),该条例规定发电量大于5000MWh的电力公司从2012年起必须至少有2%的电力来自于可再生能源,而这个比例到2022年将增加至10%。


  蔚山市政府计划通过部署超过1000台氢燃料电池车辆以及增加加氢站数量至10座以上来加快蔚山市氢能生态圈的建立。为此,蔚山市政府规划到2017年将氢能源汽车增加到56辆,到2018年增加到200辆,2019年增加到700辆,最终到2020年增加到1000辆。同时,加氢站的数量由现有的1座增加到12座。


  第二节商业化应用


  氢能源在交通、工业、建筑等领域的应用,可丰富能源构成。在交通领域中,用氢燃料电池给汽车提供动力,能够解决空气污染、噪音污染和二氧化碳排放带来的全球气候变暖等环境问题。在工业领域中,氢气一直是最重要的原材料之一,并且通过氢的使用可以使精炼等行业达到基本无碳排放。到目前为止,氢的制造和使用都局限在工业领域中,主要用途是作为化工行业的原材料。在建筑领域中,运用氢能微型热电联产机组技术可以极大地提高能源利用效率,建设节能环保型建筑。


  1、氢燃料电池轿车


  2015年氢燃料电池汽车最引人注目的动态当属丰田汽车公司MiraiFCV在美国加州的销售。MiraiFCV推出前的预期目标是在2015年底之前售出400辆。但上市的第一个月内,丰田就已收到约1500辆的采购订单。所以,丰田公司随即调整了年度目标到3000辆,以满足消费者的强劲需求。


  在Mirai开发阶段,与前一代2008FCHV-adv相比,成本已降低了95%。丰田相信随着氢燃料电池汽车的销量增加,其价格将会越来越低。丰田计划在2020年在全球范围销售3万辆氢燃料电池汽车,这是该公司2017年销售目标的十倍。作为促进氢燃料电池汽车普及的措施之一,丰田还宣布无偿提供独有的约5680项氢燃料电池相关专利(包括正在申请中的专利)的使用权,包括了氢燃料电池组、高压储氢罐、燃料电池控制系统等核心技术。


  2014年,本田提供1380万美元给FirstElementFuel,来协助加速加州加氢站布建的进度,来配合新一代ClarityFCV的大量生产与上市贩售。本田在2015年东京车展中发布的新一代氢燃料电池车ClarityFCV,在2016年底于美国加州正式发布上市,整车售价约为6万美元。ClarityFCV是承接FCXClarity地位而来的第三代车款。除了造型彻底改头换面之外,本田表示透过更成熟的氢燃料电池技术,ClarityFCV的氢燃料电池模组比旧款车型体积缩小33%、能量密度增加60%,并可输出134匹的最大马力,以及超过300英里(约480公里以上)的续航距离,且只需3~5分钟,就能再次将氢燃料储罐充满。


  2、氢燃料电池公交车


  在“欧洲城市清洁氢能项目(CHIC)”项目中,56辆氢燃料电池公交车已经在包括伦敦、米兰、奥斯陆、科隆、汉堡和惠斯勒在内的8座城市成功运行。它们总共减少了6000吨的温室气体排放,相当于91辆柴油公交车一年的二氧化碳排放量,共节省柴油约400万升。


  “欧洲城市清洁氢能项目”从2010年持续到2016年底,参与的城市也正在计划扩大技术的应用范围。与此同时,欧洲另外一个公交车试运行计划也在筹划中,新计划由燃料电池和氢能公共事业组织(FCH-JU)、公交车运营商、政府部门以及燃料供应商联合倡议,目标在2020年投放上百辆公交车。下一批次的公交车投放将在大幅降低公交车成本的同时,确保技术在商业上可行,为降低公共交通的二氧化碳排放出一份力。


  伦敦于2010年首次投放5辆氢燃料电池公交车,并且于2013年增加至8辆,这些公交车燃料经济性以及可靠性已经超出预期,正在为运输部门降低2020年二氧化碳排放量的目标践行。伦敦氢燃料电池公交车车队在固定线路上已经累计运行超过10万小时,行驶里程超过69万公里。车队中首辆公交车达成了运行2万小时的里程碑,预计车队的其他公交车也能相继完成这一目标。


  3、加氢站


  2015年,美国主要在加州为丰田氢燃料电池汽车的商业化计划建立配套基础设施。美国参议院近期通过了第217号决议,其中提及了氢能和氢燃料电池技术所带来的好处,并确认每年的10月8日为国家氢能及氢燃料电池日。


  美国加州政府一共拨款2亿美元于2024年之前建设不少于100个公共加氢站,并宣布将于2030年实现上路新车全部为零排放汽车。


  美国空气产品公司是加氢站建设的主力军,共计在加州拥有37个加氢站,其中包括12座已运营的SmartFuel加氢站,以及25座在建、审批或准备状态的加氢站。另外,空气产品公司还同时运营着3座氢燃料电池叉车专用的加氢站,并为FirstElementFuel公司在加州的19座加氢站提供加氢技术。


  在欧洲,2015年“氢燃料创新汽车计划(Hyfive)”、“清洁能源伙伴计划(CEP)”以及“英国氢气流动路线图计划(UKH2Mobility)”等多个计划正在稳步推进,旨在推广氢能基础设施的建设以及氢能交通的普及,也主要围绕着氢燃料电池汽车的引入进行加氢站建设。


  欧洲已经拥有超过100个加氢站,加氢站的选址也具有战略前瞻性,主要选址于大城市以及相连的主干道上。德国目标到2017年建成100座加氢站,到2023年建成400座加氢站,届时德国高速路上每隔90公里就有一座加氢站,每个城市区将至少有10座加氢站。


  丹麦是当今世界上加氢站最为密集的国家之一,这为目前汽车巨头们大力推广氢燃料电池汽车进入丹麦提供了极大的支持。自从韩国现代在2014年将其途胜氢燃料电池汽车正式在丹麦开售以来,仅在2015年内,丹麦境内的氢燃料电池汽车数量几乎翻倍。丰田也在2015年将其MiraiFCV引进入丹麦,本田则在2016年向丹麦引进了氢燃料电池汽车。


  瑞典斯德哥尔摩首个加氢站于2015年9月份揭幕,加氢站获得欧盟“交通用氢能基础设施计划(HIT-2)”的资助,该加氢站由全球氢能源技术领导企业林德(Linde)公司建设。作为全球氢能基础设施的龙头,林德公司已经在全球15个国家设立超过100个加氢站,累计加氢次数达10万次。


  法国AirLiquide公司掌握着从生产、仓储、配送以及终端客户应用开发等领域的氢能全供应链。该公司一直致力于推广氢能在交通运输领域的应用。在全球范围内,AirLiquide已经成功建设了75个加氢站,其中5个位于法国。


  为了加快氢能低碳交通在欧洲范围内的普及,壳牌石油公司于2016年开始在德国其加油站内安装加氢设备,并形成了一定的加氢网络。此次计划是由壳牌公司、H2Mobility计划合作伙伴以及德国联邦交通部共同合作。壳牌公司于2011年在德国建立了第一座加氢站,到目前为止其在德国境内共有3座加氢站。壳牌公司声称其给氢燃料电池汽车加氢的成本与给传统内燃机汽车加油的成本相差无几,且这些车的续航里程也与传统汽车相当。壳牌公司还在美国洛杉矶有2座示范加氢站用于评估其加氢技术、降低成本并分析用户行为。


  戴姆勒、林德集团以及石油公司TOTAL、OMV、Avia和Hoyer达成合作将在德国境内大大增加加氢站的数量。该项目作为“国家氢和氢燃料电池技术创新计划(NIP)”的一部分得到了国家氢能和燃料电池技术组织(NOW)的支持。

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