2024氢能及燃料电池全产业链白皮书

2024德国莱茵TÜV 氢能及燃料电池全产业链白皮书 Chapter1 全球氢能及燃料电池产业概况10 4.4储氢93 4.4.1概述93 Chapter2 Chapter3 Chapter4 中国氢能及燃料电池产业概况18 氢能及燃料电池市场调研27 氢能及燃料电池全产业链发展机遇与挑战35 4.4.2技术路线 4.4.3发展趋势 4.3.4车载储氢瓶 4.3.5阀门 4.5运氢 4.6加氢 94 99 100 110 117 131 4.1氢能及燃料电池全产业链36 4.2氢能及燃料电池全产业应⽤场景37 4.3制氢40 4.3.1制氢技术路线41 4.3.2电解⽔制氢系统42 4.3.3.1概述42 4.3.3.2市场趋势43 4.3.3.3技术路线44 4.3.3.4发展趋势45 4.3.3.5技术要求46 4.3.3.6安全风险47 4.3.3.7法规及标准49 4.3.3.8机遇与挑战50 4.3.3电解槽51 4.7氢能应⽤ 4.8.1概述 206 4.8.2技术路线 207 4.8.3发电系统 210 4.8.4发动机 218 4.8.5电堆 229 4.8.6膜电极 238 4.8.7双极板 246 Chapter5 TÜV莱茵氢能及燃料电池全产业链解决⽅案 253 Chapter6 品质坚守安全为本“氢能质胜之道” 258 Chapter7 氢能⾏业领袖⾼瞻 268 4.8燃料电池 160 205 在全球⽓候变化和能源转型的⼤背景下，氢能作为⼀种清洁、⾼效、可再⽣的能源载体，正逐步成为推动能源结构变⾰、实现碳中和⽬标的重要⼒量。氢能产业的发展对于全球能源结构的转型升级、应对⽓候变化具有重要意义。氢能以其零碳排放、⾼热值、易储运等优势，被⼴泛认为是未来能源体系的重要组成部分。随着技术的进步和成本的降低，氢能有望在⼯业、交通、建筑等多个领域实现⼴泛应 ⽤，推动经济社会的可持续发展。 李卫春 德国莱茵TÜV全球电⼒电⼦产品服务副总裁兼⼤中华区太阳能与商业产品服务总经理 氢能全产业链包括氢⽓制备、氢⽓储运和氢⽓应⽤三个主要环节。其中，氢⽓制备是氢能产业的基础，主要包括化⽯燃料制氢、⼯业副产氢、电解⽔制氢等多种⽅式；氢⽓储运是连接氢⽓制备和应⽤的桥梁，包括⾼压⽓态储运、液态储运、固态储运等多种技术路线；氢 ⽓应⽤则是氢能产业的价值体现，涉及交通、⼯业、电⼒、建筑等多个领域。 ⽬前，氢能产业正处于快速发展阶段，技术创新是推动产业发展的重要动⼒。在氢⽓制备⽅⾯，电解⽔制氢技术正加速迭代升级，与国际前沿⽔平的差距逐步缩⼩；在氢⽓储运⽅⾯，⾼压⽓氢储运技术持续向⼤容量⽅向升级，同时管道输氢、液氢、固态储运等技术研发也在加速推进；在氢⽓应⽤⽅⾯，燃料电池汽车、氢能发电站、氢能化⼯等应⽤场景不断拓展，为氢能产业的发展提供了⼴阔的市场空间。随着全球对清洁能源需求的不断增长和氢能技术的不断进步，氢能产业的市场前景⼗分⼴阔。预计未来⼏年，全球氢能产量将持续增长，市场规模将不断扩⼤。在中国市场，随着“3060”双碳⽬标的提出和氢能产业政策的逐步落地，氢能产业将迎来爆发式增长期。 尽管氢能产业发展前景⼴阔，但仍⾯临诸多挑战，如技术成熟度不⾜、成本⾼昂、基础设施建设滞后等。同时，氢能安全的监测与管控也⾯临着巨⼤的挑战，规范化和市场化发展不⾜，国内标准与国际标准接轨不⾜，限制我国产品在国际市场的竞争⼒。 TÜV莱茵已布局氢能产业多年，持续关注产业现状以及未来发展趋势，发布《氢能及燃料电池全产业链⽩⽪书》，全⾯剖析氢能产业的各个环节，从上游的氢⽓制备、中游的氢⽓储运加，到下游的氢能应⽤，深⼊浅出介绍了氢能及燃料电池全产业链的产业现状、技术路线、发展趋势、市场应⽤、出海要求及⾯临的挑战与机遇。本⽩⽪书将是氢能领域企业进⼊全球各地市场的⼯具⼿册，为绿氢产业⼤规模商业化应⽤提供指引。 氢能就是未来，我们相信，在各⽅共同努⼒下，氢能产业将迎来更加美好的明天，为实现全球能源结构转型升级和应对⽓候变化作出重要贡献。我们期望通过这份⽩⽪书，为氢能健康有序的发展贡献我们的⼒量。 天地万物，差别万千，其实都是由100多种元素组成，氢为元素之⾸，是宇宙中含量最多的元素，构成宇宙质量的75%。⼤约在130多亿年前，宇宙⼤爆炸后⽣成了中⼦和质⼦，这些粒⼦进⼀步结合，⾸先形成了氢原⼦。氢是宇宙中最早出现的元素之⼀，也是宇宙中最基本的构成单元。氢是恒星的主要成分，恒星的核聚变过程主要是将氢转化为氦，并释放出巨⼤的能量。这个过程是宇宙中所有恒星能量的来源，推动了宇宙的演化和发展。除了氢之外，宇宙中的其他元素⼤多是通过恒星内部的核聚变反应或超新星爆炸等过程形成的。氢在这些过程中扮演了重要的⾓⾊，是元素合成的基础。同时，氢也蕴含着宇宙最初的能量，从远古时代⼈类钻⽊取⽕，到第⼀次⼯业⾰命使⽤煤⽯油代替⼈⼒，到现在⾛向低碳零碳，⼈们获取能量的过程是⼀个脱碳的过程，⼈类⽤了⼤约150万年去寻找可以为⼰所⽤的终极能源载体，这个能源载体⾮“氢”莫属。 - + 氢是⼀种化学元素，位列元素周期表的第⼀位。氢的结构简单只由⼀个质⼦和⼀个电⼦组成。氢的英⽂为Hydrogen，来源于希腊语，在希腊语中Hydro意为⽔，genes意为形成。 - 根据洛斯阿拉莫斯国家实验室的数据，宇宙中氢原⼦数量占所有原⼦数量90%以上。在地球上，氢的含量要少得多。如果按电⼦ + 原⼦数量算，氢⼤约占到地球总原⼦量的17%，看起来不少。但因为氢很轻，所以按质量算，氢只占不到1%，在地球上游离 的氢是⼗分罕见的，但由于氢独特的化学性质，它⼏乎能与所有其他元素发⽣化学反应，因此⽔中，泥⼟中，⽯油，动植物质⼦ 体中等都含有⼤量的氢元素，氢是地球上最丰富的元素。 原⼦序数（原⼦核中的质⼦数）：1原⼦符号（在元素周期表上）：H原⼦量（原⼦的平均质量）：1.008常温常压下的状态：⽓体 氢在⾃然界中存在的同位素有：氕（piē）（氢1，H） 氘（dāo）（氢2，重氢，D） 氚（chuān）（氢3，超重氢，T） 氢通常的单质形态是氢⽓，由两个氢原⼦组成，是最轻的⽓体。 - 排斥 吸引 ++ - 两个氢原⼦靠近到⼀定距离时就会成键，由此形成的H2分⼦⽐两个分⽴氢原⼦的能量低，在⾃然界中，系统总是趋向于处于能量最低的状态，平衡距离下，成键最强，能量最低。 氢气 分⼦量 熔点 沸点 临界温度（K） 临界压⼒（MPa） 2.016 -259.34℃ -252.87℃ 32.97~33.1 1.29 ⽐热容（Cp） （kJ/(kg.K)） 粘度（mPa.s） 导热系数 W/(m.K) 汽化热（kJ/kg） 标准状态密度（kg/m3） 14.30 0.010 0.1289 445.6 0.08987 常温常压下的氢⽓⽆⾊，⽆味，⽆毒，在标况下（0℃和⼀个标准⼤⽓压），密度为0.08987kg/m3，是世界上最轻的物质。氢分⼦扩散速度很快，并具有很⾼的导热性，其导热能⼒是空⽓的7倍。⾜够低温可以变为液态，液态氢是⽆⾊透明的液体，固态氢是雪花状固体。氢⽓不易溶于液体，在⾼温⾼压的条件下，对钢材结构有强烈的破坏作⽤，具有强的渗透⼒。 ⾼温下⾮常活跃，可与氧⽓反应形成⽔，与⾮⾦属反应、卤族元素反应形成酸，与活泼⾦属反应⽣成固态离⼦氢化物。具有还原性，可参与很多还原反应。 氢-热：氢气燃烧 •与氧⽓结合 • 2H2+O2 点燃 2H2O 合成化合物 • 合成氨 3H2+N2 催化剂 2NH3 ⾼温⾼压 •合成甲醇 CO+2H2→CH3OH 氢-电:氢氧电化学反应 •2H2+O2 催化剂 2H2O 做还原剂 •还原铁: Fe3O4+4H2 •还原多晶硅 加热 3Fe+4H2O SiHCl3+H2 ⾼温 Si+3HCl SiCl4+H2 加热 Si+4HCl 电-氢：水电解制氢 • 2H2O 催化剂 2H2+O2 H2 氢脆氢蚀 •氢脆: 氢原⼦进⼊钢晶格中 •氢蚀： Fe3C+2H2→3Fe+CH4 标况下各种能源参数对⽐ 性质 氢气（气体）甲烷（气体）甲醇（液体）汽油（液体）锂离子电池 化学式 H2 CH4 CH3OH CxHy(x=4~12) 含锂化合物 分⼦量 2.016 16.043 32.04 ⼤约107.0 − 标况密度(kg/m3） 0.08987 0.668 791 751 − 质量能量密度(kJ/g) 142.351 55.5 22.7 43.07 0.36~1.08 体积能量密度(kJ/L） 12.8 39.79 28,667.7 34,500 720-1,080 燃烧热(kJ/g)(低热值） 119.93 50.02 22.6 44.5 − 最⼩点⽕能量（mJ） 0.019 0.29 − 0.24 − 燃烧速度(m/s) 2.91 0.45 0.52 <5.0 − 氢⽓在常温常压下为⽓态，体积密度⼩，但氢的热值很⾼，热能⾼达142.351kJ/kg,是汽油的3到4倍，这也是⼈们把氢作为未来能源的重要原因之⼀。氢⽓在⾃然界中不是天然存在的物质，需要制取才可以获得，但原料来源⼴泛易得。氢⽓具有⾮常丰富的应⽤场景且⽆污染，它可以作为运输的动⼒源（如燃料电池）使⽤，也可作为热电联供系统的燃料或作为⼯业原料⽣产⼯业产品如氨醇等衍⽣物，在电⼒系统“源-⽹-荷-储”的储能领域中可⽤于长周期、跨季节、⼤规模的储存能源，弥补其他可再⽣能源的不⾜。氢⽓从获取到应⽤，都具备独⼀⽆⼆的优势，因此氢⽓被称为终极能源。 瑞⼠的Paracelsus在研究⾦属和酸相互作⽤时，收集到⼀种可燃⽓体，偶然发现了氢⽓ 1670 HenryCavendish正式报道氢⽓，并证明氢⽓燃烧 产⽣⽔1783 WilliamNicholson和 AnthonyCarlisle ⾸次电解⽔为氢⽓和氧⽓ 1520 RobertBoyle通过⾦属 与酸反应产⽣氢⽓1766 JacquesCharles制作氢 ⽓球，证明氢⽓可以为空中旅⾏提供浮⼒ 1800 1960-1966 多场景应⽤，包括汽车，⽕箭发动机等 燃料电池的⾸次应⽤是在美国国家航空航天局的太空任务当中，为探测器、⼈造卫星和太空舱提供电⼒ 1960 1909 德国化学家Haber发现通过催化过程可以使⽤氮氢元素合成氨 JamesDewar 成功的液化氢⽓ 1898 1852 HenriGiffard制作氢⽓飞⾏器，在⼀战中⼤规模应⽤，⽤于⼈员转移，巡视以及投放炸弹 英国物理学家William·Robert·Grove尝试将氢⽓做动⼒⽅⾯的 应⽤，制作了⾸个 燃料电池 1839 JohnBockris博⼠在美国通⽤汽车公司(GeneralMotors)技术中 ⼼演讲时提出“氢经济”的概念，提出氢⽓取代⽯油成为主要能源 1970 1978 ⼤连化物所设计制造出我国第⼀台碱性燃料电池。 第⼀家制氢⼚诞⽣世界上第⼀家太阳能制氢巴伐利亚太阳能氢能项⽬投⼊运营 1990 2009 全球⾸艘氢动⼒船舶及配套码头加氢站 全球第⼀艘氢动⼒超级游艇诞⽣，完全由液态氢驱动，是世界上最环保的游艇 2020 2024 我国已经将氢能正式纳⼊《中华⼈民共和国能源法（草案）》 Chapter德国莱茵TÜV氢能及燃料电池全产业链⽩⽪书 1 userid:529794,docid:175167,date:2024-09-20,sgpjbg.com 根据国际可再⽣能源机构IRENA的计算，在全球⽓温升⾼控制在1.5°C以内的情境下，到2050年，绿氢及其衍⽣物可能减少12%的碳排放量，并占最终能源消费的14%。 可再⽣能源（电⼒⽣产或直接使⽤） 1.5℃情境 储能或能效提升 最终⽤途领域的直接电⽓化 (包括住宅、商业、⼯业和交通运输等) 绿氢及其衍⽣物 ⼯业中的碳捕集与封存/利⽤ ⽣物能源与碳捕集和封存及其他碳减排措施 预计到2030年，全球氢能及燃料电池产业规模将达到5,000亿美元，2050年达到2.5万亿美元。在