氢能与燃料电池技术路线图.doc

氢能与燃料电池技术路线图

翻译/杨征、王海龙

工业和信息化部赛迪研究院

译自：TechnologyRoadmap:HydrogenandFuelCells，June2015by?InternationalEnergyAgency

随着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增加，对环境造成的污染越来越严重，迫切需要寻找一种作为替代品的清洁燃料。氢的来源丰富，不仅可以由其他能源来生产氢能，而且氢能可以高效地转化为其他形式的能量。作为一种能源载体，氢在交通、工业和建筑等各个领域中都有重要的应用，并且使用氢能可以提高能源系统的灵活性。为此，需要对氢能和燃料电池的关键技术、未来发展方向和重点进行研究。

一、氢能源的重点应用领域

氢能源在国际上广泛应用在交通、工业、建筑等领域，极大丰富了能源构成，降低了传统化石燃料对环境的影响。

（一）交通领域

在交通领域中，用氢燃料电池取代化石燃料给汽车提供动力，能够有效地解决空气污染、噪音污染和CO2排放带来的全球气候变暖等环境问题。

氢燃料优化汽车效率。氢燃料电池电动汽车从本质上讲是一个电动汽车。氢气储存在车上的高压罐内，通过燃料电池将氢能转化成电能给汽车提供动力。能量储存在电池里面，使用电池里的电能可以优化操作效率。由图1可以发现，与内燃机汽车和插电式混合动力汽车相比,氢燃料电池能明显的降低碳排放量，同时其最大行驶里程可以达到纯电动汽车的3倍。

氢燃料电池汽车价格居高不下。2015年，丰田公司宣布最新的氢燃料电池汽车在试运行期价格是6万美元，但是该价格可能主要反映的是客户的支付意愿，而不是生产汽车的成本，因为氢燃料电池汽车目前主要是针对高收入群体和汽车技术爱好者，并且要求在居住地附近有相应的加氢站。到现在为止，只有美国、德国、日本和韩国的部分城市拥有了配套的加氢站。通过表1的汽车动力方案成本之间的对比可以发现，与其他几种汽车供能方式相比，燃料电池汽车的价格虽然目前价格很高，但未来有很大的下降空间，到2050年可以下降到现在价格的55%左右。

降低成本是发展氢燃料汽车的关键。从表2可以看出燃料电池系统的高成本增加了整个汽车的成本，未来的主攻方向是如何在减小成本的同时延长使用寿命。降低燃料电池系统的成本从理论上讲是可行的，并且很大程度上决定了整个汽车的成本。但是高压罐的成本却很难下降，因为高压罐的成本很大程度上取决于昂贵的复合材料，所以目前的研发重点集中在降低高压罐的复合材料成本。电池和电力控制系统的成本随着技术的进步都会有一定的下降，因为材料的限制不会下降得太多，但是高技术的融入会延长电池使用寿命，从而提高整个汽车的使用性能。

（二）工业领域

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。在过去，石油化工企业主要通过石油裂解来制造氢气，但是现在，随着对氢气需求的增加，企业开始更多地使用天然气蒸汽转化法生产氢气。大部分的氢气在精炼行业作用是加氢处理、加氢裂化和精炼过程中脱硫等，不断地追求高品质，导致了对氢气需求的不断增长。除了常规的燃料精炼，由木质纤维素生产的生物燃料也需要相当数量的氢气用作加氢脱氧。氢气还可以在钢铁生产中可用作还原剂，取代部分焦炭的使用，同时，氢气也是钢铁工业中产生的副产物的一部分，但是在大多数情况下，这些废气直接被用来燃烧，如果能把其中的氢气收集起来就可以减少利用化石燃料生产氢气的压力，从而提高整体能源使用效率，减少碳排放。

（三）建筑领域

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。微型热电联产装置可以利用发电过程中产生的废热来供暖，这可以显著提高建筑物整体能源效率。当前大部分地区都采取分布式发电和供热系统，在没有集中供热网的区域，应用这种微型热电联产装置，就有很大的优势。目前已经可以在市场上买到很多利用天然气发电的内燃机热电联产系统。用燃料电池热电联产系统取代传统的内燃机系统可以提高燃料的使用效率，在如今的技术水平下，燃料电池微联产系统的发电效率是42%，比内燃机微联产系统高出10%，但是不足之处是燃料电池微联产系统的成本太高。

二、氢能和燃料电池关键技术?

氢能和燃料电池的关键技术主要是氢能的生产工艺、燃料电池技术、氢燃料的运输与配送，以及可再生能源集成等。

（一）氢气生产工艺

氢气的生产工艺主要有蒸汽甲烷重整和电解制氢两种，如表3所示，两种生产方式各有优缺点，可以根据加氢站的布置情况来选择。

蒸汽甲烷重整。目前，大约48%的氢气是由天然气通过蒸汽甲烷重整工艺生产，即在高温、催化剂的作用下，甲烷和水蒸气发生的反应生成氢气的过程。如果废气中的二氧化碳浓度较高时，蒸汽甲烷重整工艺就需要采