中国氢燃料电池技术开发和应用进展

PeterOksen红星(托尼)谢 ***果河郭* 鑫他*越扁* *Bluetech清洁空气联盟,北京 **世界知识产权组织绿色,日内瓦 联合国王万义的贡献开发计划署中国办公室, 王子元，佛ft环境与能源技术研究院，中国 全球性挑战焦点 中国氢燃料电池技术开发与部署进展 2 执行概要 在气候变化和环境影响方面，氢作为能源形式和储存介质具有几个潜在的优势。然而，目前的氢气使用几乎完全基于化石燃料，这意味着它不是气候变化中性或有益的。生产“绿色氢”正在取得重大技术进步，但这仍然比化石基氢更昂贵。氢使用技术也在开发中，但很少有人准备好扩大规模，因此氢作为一种清洁能源形式在很大程度上仍然是未来的技术。 尽管如此，氢的潜力仍然如此具有吸引力，以至于世界各地的许多政府都制定了氢的发展计划，并与私营部门一起在研发方面进行了大量投资。在中国，氢能和燃料电池有望在实现到2060年实现国家碳中和的官方承诺中发挥重要作用，并已纳入众多经济发展计划和政策。中国已经制定了100多项规范氢气生产和使用的标准，这是扩大技术规模的先决条件 。近年来，该领域的创新急剧增加，这反映在目前中国专利申请的全球主导地位上。中国几个省级政府和工业城市群已经开始实施雄心勃勃的计划，以发展和推广氢在运输（特别是重型和长途运输）和工业中的应用。 尽管在扩大氢基能源并将其纳入主流方面存在技术和经济障碍，但有强烈的迹象表明，存在着使氢基能源成为其他新能源和可再生能源的重要补充的政治意愿和经济手段。 介绍 氢在许多国家、研究机构和公司的政治和创新议程上占有重要地位。它是一种高度通用的储能介质，具有促进向汽车中性能源过渡的巨大潜力。然而，氢源以化石燃料为主，扩大氢的使用在技术和经济上仍然面临相当大的挑战。本报告概述了当前国际上的氢和燃料电池技术趋势，并重点回顾了中国这个最大的氢和燃料电池技术部署市场。近年来，中国积极推动氢能技术的研发（R&D）、示范和商业应用。该报告提供了对中国氢能和燃料电池发展当前政策、规划、标准、专利、试点项目和示范活动的见解。 氢和燃料电池技术——国际趋势和潜力 氢作为储能介质的优势 氢作为一种能源正在获得国际关注，并在商业和政策中得到大力推广。有几种技术可以利用氢的优势。然而，为了使其在经济上具有吸引力，需要进一步发展和扩大规模（IEA，2019）。这使得对其未来作为能源和存储介质的作用的任何评估都不确定。 氢是一种无色无味的气体，是地球和宇宙中最丰富的元素。它是能量密集的，可与氧气一起燃烧，用水作为残留物产生热能，因此是一种在最终使用过程中没有二氧化碳（CO2）或其他有害气体排放的燃料。例如 ，在交通部门，这可以帮助改善大城市的空气质量。它是一种潜在的清洁和无限的能源，已经在许多化学和其他行业中使用。不幸的是，它不是以纯粹的形式存在于自然界中，因此必须产生。1 清洁和肮脏的氢气：绿色、灰色、棕色和蓝色 今天生产的氢气中有95%以上来自化石燃料，天然气是主要来源。全球开采的天然气中约有6%和煤炭的2%用于生产氢气（IEA，2019）。天然气是最便宜的氢气来源，蒸汽甲烷重整（SMR）是最常见的生产方法。以这种方式生产的氢通常被称为灰氢。该过程在700°C至1100°C的温度下进行，并且是能源密集型的。此外，副产品包括二氧化碳和其他温室气体。生产1吨氢气会导致产生超过9吨的二氧化碳，这接近汽油燃烧产生的排放水平（1公斤氢气相当于1加仑汽油的能量，排放约9公斤二氧化碳）（剑杆，2021年）。煤的气化是一些国家广泛的氢来源，通常被称为褐氢。通过水和热的应用，煤产生合成气，合成气是二氧化碳、一氧化碳、氢气、甲烷和乙烯的混合物。该过程污染严重，已经使用了数百年，产生了通常被称为“城镇气体”的东西（Farmer，2020）。 1氢不是石油、煤炭、风能或太阳能等主要能源，但更能与电力等能源载体或介质相媲美。在本报告中，我们不详述这种区别，因为它没有多大实际影响。因此，我们将氢既称为能源，也称为储存介质。 氢气生产产生的二氧化碳排放量相当于印度尼西亚和英国的总和（IEA ，2019）。因此，今天的氢的使用不是碳中和的;它可以被视为与石油 ，煤炭，当然还有天然气同族的化石燃料。 然而，生产碳中和或绿色氢是完全可能的。这一技术领域正在迅速发展 ，尽管它仍然比天然气贵。与其以天然气为原料生产氢气，不如通过电解将水分解成氢气和氧气，阳极产生氧气和阴极氢气。这个过程需要大量的电力，但如果电力来自可再生能源，氢可能是碳中和的。可再生能源丰富的地区，如中东、北非、南美和澳大利亚（太阳能），可能成为制氢地区。绿色氢最早可能在2030年与灰氢达到成本平价，这并非不现实（氢能委员会和麦肯锡，2021年）。欧盟的目标是到2030年实现40吉瓦的电解槽产能，这表明了快速开发绿色氢的强烈政治意愿。据预测，到2030年，中国生产的所有氢气中约有17%将是绿色的，每年生产的绿色氢气总量将超过1800万吨（中国氢能联盟，2019）。 尽管如此，绿色氢需要大幅扩大规模，以与灰氢和棕色氢竞争。绿色氢能和灰氢之间盈亏平衡点的乐观计算包括提供碳税等政策支持举措（氢能委员会和麦肯锡，2021年）。 另一种选择是在制氢过程中用沼气代替天然气。沼气最常通过废物生物质的厌氧消化、气化或垃圾填埋气的提取来生产，但它必须升级为生物甲烷，其甲烷含量与天然气相同（超过90%）。这个过程也需要能源 ，但它可以非常有效，沼气中所含的甲烷高达87%被分离。然后可以使用SMR工艺从生物甲烷中生产纯氢，其方式与使用天然气的过程类似 （Saur和Milbrandt，2014）。 将沼气直接转化为氢气也是可能的。由欧盟资助的试验工厂正在意大利运营。它使用基于钯的膜反应器技术（化学转化和膜分离相结合的过程），可以在70°C左右的相对较低的温度下生产转化率为500%的氢气（CORDIS，2020年）。 通过在天然气提取过程中使用碳捕集与封存（CCS）技术，实现低碳氢 3 可以生产。CCS技术可去除对气候有害的副产品。它仍然需要相当大的发展，但据估计，到2030年，它可能与灰色氢具有商业竞争力（氢能委员会和麦肯锡，2021）。然而，其他人则不那么乐观（巴纳德，2021年）。使用CCS技术从化石燃料中生产的氢气通常被称为蓝氢。 本报告没有在很大程度上涉及供应方的考虑，其重点是当前的氢气使用技术和正在开发的技术和正在开发的技术，而不是氢气生产过程。但请记住，所讨论的技术并不比为它们提供燃料的氢气更环保或更碳中和。氢基技术本身不一定是绿色的。 氢技术 氢在几个经济领域具有巨大的潜力。通常，它作为存储介质或燃料进入能源系统。能量可以通过燃料电池中的直接燃烧或电化学转化来提取。它可以以气体或液体形式运输，类似于液化天然气。基于糊状的氢形式也正在开发中，这可能会扩展氢在运输中的应用（Burgess，2021年） 。在这里，氢在稳定的固体氢化镁中化学结合，可以通过在受控过程中加水释放。与目前的基于电池的电动汽车（EV）相比，氢气为重型和长途运输和个人车辆提供了潜在的优越的加油时间和行驶里程。氢还具有相当大的潜力，可以从风能或太阳能等难以控制的来源储存多余的可再生能源。多余的能量可以进入水电解过程，从而产生氢气用于储存、运输和消费。 直接燃料 氢可以在多个部门用作燃料。它可用于燃气轮机发电。在建筑物中，它可以与现有天然气网络中的天然气混合供家庭使用。它也可以用作内燃机的燃料，这与卡车等重型车辆尤其相关，但它也越来越多地被视为航空和航运的替代低碳燃料（IEA，2019）。航运占全球温室气体排放量的2%，其中80%来自长途船只。目前，实现航运零排放的最经济途径是在内燃机中使用氨作为燃料。 氨可以通过在哈伯-博世工艺中添加空气中的氮气来由氢气生产。与液氢不同，液氨不需要冷藏到极端温度。它还具有更高的能量密度，因此运输效率很高。然而，用氨为所有长途运输提供燃料需要将当前的全球氨产量增加三到四倍（氢能委员会和麦肯锡，2021年;雅拉，2021年 ）。 燃料电池 燃料电池采用电化学过程，从氢气和氧气中产生电力，无需任何中间存储或燃烧。据报道，该过程的效率是内燃机和涡轮机的两倍（Nahar等人，2017年），废物是水，在某些燃料电池类型的情况下，是二氧化碳。 燃料电池的功能类似于电池，但需要以氢气和氧气（空气）的形式持续供应燃料。燃料电池是可扩展的，可以用作小型低瓦数电源单元（例如家用或车辆使用），也可以用作大型工业储能或兆瓦发电厂。该技术自1960年代以来一直在使用，因此相对成熟。它在美国宇航局航天飞机计划中以提供机载电力和饮用水而闻名。 与电池一样，燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。燃料电池以多种形式存在，具体取决于所使用的材料。在某些情况下，电极（阳极和阴极 ）由铂等贵金属制成，因此价格昂贵。电解质可以是固体或液体。电化学过程产生热量，一些系统在高温（700-1000°C）下运行，而另一些系统在远低于100°C的温度下运行。能量转换效率从60%到70%不等 ，但如果产生的热量在热电联产系统中得到有效利用，则可以提高到80%以上（欧洲氢能，2021年）。最常见的燃料电池类型具有不同的效率、成本和维护特性，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和磷酸燃料电池（PAFC）。 PEMFC是车辆中最常用的燃料电池。它部署聚合物膜作为电解质和含有铂的碳电极。后者使这种电池相对昂贵，但铂可以回收利用，并且正在研究可能降低成本的替代品。 4 图1.PEMFCs的原则（欧洲氢能，2021年）。 电子流 氢 氧气 氢离子 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 •电解质:水性,酸性聚合物膜 •也称为聚合物电解质膜燃料电池 •使用一个电极铂触媒 •一般氢燃料 •在相对较低的温度（低于100°C）下运行 •高温型号使用无机酸基电解质，工作温度高达200°C •电力输出可以变化，非常适合车辆 过量的氢水 阳极电解液阴极 图2.加氢过程（欧洲氢，2021年）。 1 H2 2 3 4 5 电解槽 H2 O2 阴极 阳极 上游燃料补给站壳牌氢研究©壳 低压存储压缩机高压存储预冷分发器 这些电池只需要氧气和纯氢作为燃料，并且只产生水作为残留物。它们在大约80°C的低温下工作，可以满足车辆对高密度电源的初始高需求 （图1）。在使用纯氢驱动电动机的燃料电池电动汽车（FCEV）中，除了水外，没有尾气排放。 为了广泛采用氢气，必须建立昂贵的加氢基础设施。用氢气加油并不像汽油那么简单。原则上，可以通过添加电解槽（托管单元）在现场生产氢气 水电解过程）以及电力和水源（图2）。这消除了液化和运输到加油站的需要。然而，产生的氢气在分配到车辆之前必须被压缩，压缩过程产生的热量随后必须通过冷却过程去除。液化不是运输的绝对必要条件，但可以提高效率。液化过程涉及压缩和冷却至-240°C以下，这需要大量的能量。加油系统的所有组件都需要能源和设备，这使得加油相对复杂和昂贵。 5 目前的趋势和国际的潜力 尽管面临经济和技术挑战，氢正在取得进展。由于其多种用途和多功能性，尤其是作为一种潜在的清洁，无限和气候变化中性的能源，许多国家的私营和公共部门正在进行密集的研发。寻找替代和更便宜的方法来生产绿色氢已成为重中之重，因为绿色氢将是扩大氢技术的主要卖点。各国政府越来越多地采用氢能政策，到2021年初，已有30多个国家制定了氢能路线图。在全球范围内，各国政府已承诺为氢能开发投入超过700亿美元的公共资金（氢能委员会和麦肯锡，2021年）。工业界开始看到其潜力，几家氢能行业公司经历了股市价格飙升，引发了对金融“氢泡沫”的担忧。然而，大型行业参与者进入该领域表明，在不久的将来存在真正的潜力和市场收益的预期。 中国、韩国、日本和德国经常被认为是开发氢解决方案的领导者，但澳大利亚、法国、美国、英国和加拿大也很活跃（彭博社，20