燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。

丰田燃料电池

近年来,全球经济发展迅速,对能源的需求越来越大。伴随着经济的发展,环境问题显得越来越突出,急需寻找到一种可以代替能源又环境污染小的经济发展方式。燃料电池行业便应运而生,早在50世纪年代50年代初,熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。其它种类的电池也在不断研发和创新中进步。

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高;另外,燃料电池用燃料和氧气作为原料;同时没有机械传动部件,故没有噪声污染,排放出的有害气体极少。由此可见,从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是最有发展前途的发电技术。

根据电解质的不同,燃料电池可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、和质子交换膜燃料电池(PEMFC)五种。

燃料电池具有发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、燃料范围广、可靠性高等优点。随着各国国家政策的推进以及环保的要求,燃料电池在新能源汽车领域得到不断应用。

燃料电池市场

2012-2017年从销量来看,全球燃料电池增长快速,从4.6万套增长到7.3万套,2017年同比增长为15.87%。累计出货37.3万套,年复合增长率为10%。随着成本的下降以及技术的突破,预计2019-2025全球燃料电池销量将会快速增长。

从出货量来看,2012-2017年累计出货量为2511MW,年复合增长率为32%。

发展趋势

根据国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》,预计到2050年,氢能源需求将是目前的10倍。预计到2030年,全球燃料电池乘用车将达到1,000万辆至1,500万辆。由于市场潜力大,大企业加大研发,一些国家也加大支持力度,力图通过发展氢能解决来能源安全,并掌握国际能源领域的制高点。目前氢能在日、美、欧发展迅速,在制氢、储氢、加氢等环节出现了很多创新点,燃料电池技术也获得新突破。

一、制氢:可再生能源制氢项目增多,电网协同效应得到重视

制氢的过程也要消耗能源,这也是氢能受到一些诟病的根源所在。破解此问题的一个重要方法是用可再生能源制氢,尤其是将本来弃掉的风电、太阳能发电转化为氢最为经济。

《BP世界能源展望(2017年版)》预计,到2035年可再生能源的增长将翻两番,发电量增量的三分之一将源自可再生能源。利用可再生能源制取氢气开始备受关注,可再生能源制氢研究成果及示范项目也在不断涌现。

丰田提出了从生物和农业废料中制氢的技术路线。丰田将在美国长滩港建造兆瓦级可再生能源加氢站“Tri-Gen”,该设施从生物和农业废料中制氢,可提供约2350kW的电力和每天1200kg氢气,可满足2350个家庭和1500辆燃料电池汽车的日常使用。

德国推出的powertogas项目即收集用电低谷时可再生能源的剩余电力通过电解水的方式制造氢气,再将生成的氢气注入当地的天然气管道中进行能源的储存。随着此类项目的增多,电网的协同效应逐步得到验证。

二、储氢:液氢储运或将成为发展重点

现阶段液氢储运逐渐成为研发重点,日、美、德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一左右。日本已经将液氢供应链体系的发展作为解决大规模氢能应用的前提条件,基本思路是以澳大利亚的褐煤为原料生产氢气,再通过碳捕捉实现去碳化,然后通过船舶运回日本使用。为了支撑液氢供应链体系的发展,解决液氢储运方面的关键性技术难题,企业积极地投入研发,推出的产品大多已经进入实际检验阶段,如岩谷产业开发的大型液氢储运罐,通过真空排气设计保证了储运罐高强度的同时实现了高阻热性。

目前,液氢加氢站开始亮相国际舞台,已遍布日本、美国及法国市场,目前全球近400座加氢站中,有三分之一以上为液氢加氢站。在日本,岩谷产业公司已经成功建立了16座液氢加氢站,美国液氢加氢站的建设企业以Plugpower、Airproduct公司为主,法国市场的液氢加氢站建设企业主要是林德公司。我国的液氢工厂还处在为航天火箭发射服务的阶段,受法规所限,还无法应用于民用领域。

三、加氢:加氢站建设速度加快,混合站日益增多

加氢站作为燃料电池汽车的配套基础设施,随着燃料电池车辆的推广应用,其建设与推广也受到了重视。据H2stations.org统计,2016年全球新增92座加氢站,其中83座是对外开放的,其余9座则专门为公交车或车队客户提供服务。为了适应规模化运营的需要,加氢站的日供氢能力逐渐提高。随着氢燃料电池汽车的推广,每天可为30-50辆客车或100辆乘用车提供加氢服务的加氢站逐渐出现并成为主流。

加氢站运营呈现集成化、模块化发展的新趋势,混合站数量逐渐增长。混合形式从独立式加氢站、加油站并设加氢站,发展到加油站、加气站、加氢站三站合一,以及与便利店并设、与充电桩并设的加氢站。为燃料电池汽车的普及提供了更多样化的基础设施解决方案。

四、技术:核心部件成本显著降低,新型催化剂成研发重点

日本九州大学研发出的可以在不同pH值环境下分别氧化氢和一氧化碳的催化剂,该催化剂是含有独特“蝴蝶”结构的镍和铱金属原子的水溶性络合物,可以模拟两种酶的功效,酸性介质中的氢化酶(pH4-7)和碱性介质中的一氧化碳脱氢酶(pH7-10),可以有效避免催化剂中毒并提高氢能的生产效率。

降低铂用量的催化剂技术也陆续出现突破。查尔斯理工大学和丹麦科技大学联合研究的纳米合金催化剂可以降低约的铂用量,从一定程度上解决了燃料电池商业化的瓶颈。

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