德國(guó)氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

夏豐杰，周 琰

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德國(guó)氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

夏豐杰，周 琰

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064)

本文概述了氫能及燃料電池技術(shù)的基本情況，著重介紹了德國(guó)氫能及燃料電池技術(shù)在氫能綜合示范、汽車、船舶和發(fā)電站領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)涉及氫能及燃料電池技術(shù)如氫氣來源、生產(chǎn)及儲(chǔ)存、加氫站、電催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板等關(guān)鍵問題的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析展望。

氫能 燃料電池 產(chǎn)業(yè)鏈

1 氫能及燃料電池技術(shù)簡(jiǎn)介

氫能是指以氫氣作為能量載體，通過氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，是一種綠色二次能源。氫能具有以其熱值高、無污染和來源豐富等優(yōu)點(diǎn)，被視為“后石油時(shí)代”的能源解決方案之一。氫能利用形式多樣，既可通過燃料電池發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能，也可由氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)為熱能。而氫氣既可通過化石能源制備，又可由風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能、潮汐能等可再生能源或核能轉(zhuǎn)化而來。

在氫能經(jīng)濟(jì)時(shí)代，氫氣制備是氫能應(yīng)用基礎(chǔ)，氫氣的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵，燃料電池是當(dāng)前氫能最具潛力的終端應(yīng)用方式。只有將氫氣的制取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和燃料電池技術(shù)應(yīng)用三方面有機(jī)結(jié)合才能使氫能技術(shù)迅速走向?qū)嵱没?/p>

燃料電池是氫理想的轉(zhuǎn)化裝置，是氫能終端應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。只要有燃料和氧化劑（純氧或空氣）不斷輸入，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能，因此燃料電池兼具電池和熱機(jī)的特點(diǎn)。燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染物排放、可低溫快速啟動(dòng)、振動(dòng)和噪聲等級(jí)低等特點(diǎn)。

德國(guó)已實(shí)施了多個(gè)涉及氫氣制取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及燃料電池應(yīng)用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，現(xiàn)已將燃料電池技術(shù)應(yīng)用到汽車、船舶和發(fā)電站等多個(gè)領(lǐng)域。

2 德國(guó)氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)漢堡市啟動(dòng)了規(guī)模宏大的氫能示范應(yīng)用項(xiàng)目—“HyCity（氫能城市）”的計(jì)劃，被稱之為“通向明天能源世界的窗口”。該計(jì)劃涵蓋了氫氣制取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及燃料電池應(yīng)用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，主要包括5個(gè)子計(jì)劃，分別是：氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與燃料電池在公交系統(tǒng)的應(yīng)用、燃料電池在不同交通運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用（如電動(dòng)叉車以及其它車輛）、燃料電池在發(fā)電站系統(tǒng)中的應(yīng)用、燃料電池在航空系統(tǒng)中的應(yīng)用和燃料電池在船舶運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。

德國(guó)設(shè)計(jì)了一套1 MW級(jí)氫能儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了目前世界上最大的質(zhì)子交換膜電解池，能夠高效的將當(dāng)?shù)剡^剩的風(fēng)能電力轉(zhuǎn)化為清潔的氫能，以氫氣作為能量載體，有效地避免可再生能源如風(fēng)能或太陽(yáng)能受氣候條件影響，而制得的氫氣可充分利用德國(guó)現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存及分配，再根據(jù)實(shí)時(shí)用電需求通過燃料電池等氫能應(yīng)用終端重新轉(zhuǎn)化為電能，從而大幅提高電能并網(wǎng)輸出的穩(wěn)定性和可靠性。

德國(guó)還致力于開發(fā)集風(fēng)力發(fā)電、電解水制氫、高壓儲(chǔ)氫及燃料電池發(fā)電技術(shù)于一體的氫能應(yīng)用技術(shù)，并建立多個(gè)氫能示范應(yīng)用中心（如圖1）。該技術(shù)首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電解水和高壓儲(chǔ)氫技術(shù)產(chǎn)生和儲(chǔ)存氫氣，將氫氣輸送至燃料電池系統(tǒng)將氫能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能作為氫氣生成的初始能源，氫氣作為能量?jī)?chǔ)存與輸送媒介，不僅可為燃料電池汽車和船舶提供清潔燃料電池，而且燃料電池也作為發(fā)電站，這種模式能非常有效地克服風(fēng)能發(fā)電的不穩(wěn)定性，用戶可根據(jù)需要運(yùn)用燃料電池自行發(fā)電，將能實(shí)現(xiàn)未來能量供給方式的去中心化。例如，由ENERTRAG能源公司實(shí)施建設(shè)的氫能示范項(xiàng)目-燃料電池電站，該電站的總額定功率為700 kW，每年可產(chǎn)生16 GWh的電能，可滿足4000個(gè)家庭的用電需求。

圖1 氫能示范應(yīng)用中心

2.2 燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)奔馳公司推出了B級(jí)燃料電池車（B-Class F-cell）。B級(jí)燃料電池車（如圖2所示）采用100 kW級(jí)質(zhì)子交換膜燃料電池。該車從0～100 km/h 加速時(shí)間為114 s，最高車速為170 km/h，耗燃料率為0.97 kg/km，一次補(bǔ)充燃料行駛里程為385 km。據(jù)悉，奔馳公司已于2011年打造了3輛B級(jí)燃料電池原型車，用125天的時(shí)間穿過全球4大洲、14個(gè)國(guó)的壯舉，充分展示了燃料電池科技的實(shí)用性和穩(wěn)定性，并計(jì)劃于2015商業(yè)化生產(chǎn)它的第三代燃料電池車，將進(jìn)一步更新現(xiàn)已在全球范圍內(nèi)示范運(yùn)行的B級(jí)燃料電池車。美國(guó)通用、福特、日本豐田和本田等汽車公司也紛紛推出了自己的燃料電池車并制定了相應(yīng)的商用化時(shí)間表。我國(guó)自主研制的燃料電池車于2008 年北京奧運(yùn)會(huì)和2010 年上海世博會(huì)期間進(jìn)行了示范運(yùn)行。

圖2 奔馳B級(jí)燃料電池車

德國(guó)Smith公司推出燃料電池混合動(dòng)力卡車（如圖3），采用80 kWh鋰離子電池和7 kW燃料電池提供動(dòng)力，自2012年7月已經(jīng)行駛了3000公里，非常適宜在啟停頻繁、平均速度低和多種工作模式的城區(qū)內(nèi)運(yùn)輸，可根據(jù)客戶的需求調(diào)整卡車的功率等級(jí)。其中燃料電池模塊由德國(guó)Proton Motor公司提供，作為卡車動(dòng)力增程器。

圖3 燃料電池卡車

德國(guó)與歐盟于2006年共同實(shí)施了EU-Life項(xiàng)目，并建造了世界上第一艘燃料電池游船-“Alsterwasser”號(hào)（如圖5），該游船于2008年8月在德國(guó)漢堡的Alster湖上進(jìn)行了首航，載客量超過100人，一直載客運(yùn)行至今，截至2010年運(yùn)送了14000多名乘客。游船推進(jìn)動(dòng)力功率為100 kW級(jí)，由德國(guó)Proton Motor公司提供的2臺(tái)48 kW質(zhì)子交換膜燃料電池模塊組成，采用35 MPa高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，一次可攜帶氫燃料50 kg，游船可連續(xù)運(yùn)行2~3天。燃料電池游船無尾氣排放，能源利用效率高達(dá)50%以上。目前，該船動(dòng)力系統(tǒng)已得到德國(guó)勞氏船級(jí)社認(rèn)證。據(jù)悉，德國(guó)于2009年還實(shí)施為期八年名為“燈塔（lighthouse）”e4ships的燃料電池船舶項(xiàng)目，利用燃料電池系統(tǒng)為郵輪、貨船和大型游船等提供輔助動(dòng)力，總投資高達(dá)5130萬歐元，涉及全德國(guó)21家公司及科研機(jī)構(gòu)。另外，韓國(guó)于2013年啟動(dòng) “平昌2018號(hào)”燃料電池客船項(xiàng)目，未來3年間，韓國(guó)政府計(jì)劃投入160億韓元。

圖5燃料電池游船

3 氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

3.1氫能技術(shù)

除了氫能應(yīng)用技術(shù)之外，氫能技術(shù)的關(guān)鍵在于氫燃料技術(shù)，包括氫燃料的制取、運(yùn)輸及儲(chǔ)存。氫燃料技術(shù)未來發(fā)展將重點(diǎn)針對(duì)以下3個(gè)方面：氫氣的制取、加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布和氫氣儲(chǔ)存。

氫氣制備是氫能大規(guī)模商用化的基礎(chǔ)。目前，水電解、甲醇裂解、水煤氣、氨分解和氯堿工業(yè)尾氣處理等各種制氫技術(shù)已大規(guī)模使用，燃料電池使用的高純氫成本為3~6元/m3，即發(fā)電耗氫成本約1.7~3.4元/kWh，與柴油發(fā)電耗油成本2.3~2.8元/kWh相近。德國(guó)正在大力推廣的風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電制氫技術(shù)，還對(duì)風(fēng)能和氫能系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行研究，利用盈余的風(fēng)能制氫可滿足德國(guó)燃料電池汽車對(duì)供氫需求，該技術(shù)路線具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布是氫能技術(shù)大規(guī)模商用化的基本保障。目前，德國(guó)建立了50余座加氫站，能確保2015年5000輛氫燃料電池汽車在全德國(guó)范圍提供加氫服務(wù)，已初步形成了全國(guó)網(wǎng)絡(luò)化覆蓋。伴隨著燃料電池技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2020年，德國(guó)將具有1000座加氫站和50萬輛燃料電池汽車的規(guī)模，加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布在將來還會(huì)進(jìn)一步完善和擴(kuò)展。

一直以來，氫燃料安全和高效存儲(chǔ)是氫能大規(guī)模商用化的瓶頸。如何降低儲(chǔ)氫材料費(fèi)用和提高儲(chǔ)氫性能是未來氫氣儲(chǔ)存的發(fā)展關(guān)鍵。目前，在儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域，新的儲(chǔ)氫材料不斷被開發(fā)出來，如鈦鐵系合金、釩基固溶體合金、金屬絡(luò)合氫化物和MOFs，這些材料都具有優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能和獨(dú)特的安全以及易操作的優(yōu)點(diǎn)，改善并革新了氫存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和存儲(chǔ)容量。例如，70 MPa碳纖維纏繞高壓儲(chǔ)氫瓶?jī)?chǔ)氫量可達(dá)1.5 kg，重量?jī)?chǔ)氫密度可達(dá)4.7 wt%，隨著該技術(shù)日益成熟，并在車船等交通運(yùn)輸工具得到廣泛應(yīng)用。

3.2燃料電池技術(shù)

燃料電池作為氫能的轉(zhuǎn)化裝置，是氫能終端應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。燃料電池的高昂成本和壽命制約著氫能技術(shù)的商業(yè)化。因此，降低電池成本和提高電池壽命是燃料電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，研究的重點(diǎn)是降低電極、質(zhì)子交換膜和雙極板等3個(gè)關(guān)鍵組件的成本和性能。

燃料電池大都采用鉑催化劑作為電極，鉑用量大且利用率低。因此，降低電極上鉑催化劑用量、尋求高效廉價(jià)催化劑和優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)是電極研究的主要目標(biāo)。近十幾年來，隨著新型三維有序化電極結(jié)構(gòu)的深入研究，使電極上, 鉑催化劑用量降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅降低整個(gè)燃料電池成本。此外，一種新型鉑釕催化劑可承受氫氣中的CO，可保證燃料電池性能穩(wěn)定且工作壽命可超過5000 h。

燃料電池中大都采用由杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜。該膜是一種全氟磺酸膜，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，目前市場(chǎng)價(jià)格較為昂貴。降低質(zhì)子交換膜生產(chǎn)成本、提高質(zhì)子交換膜化學(xué)穩(wěn)定性及機(jī)械穩(wěn)定性是質(zhì)子交換膜的重要發(fā)展方向。近年來，隨著Nafion膜的不斷改進(jìn)和新型膜的開發(fā)，巴拉德公司已開發(fā)出一種部分氟化磺酸膜，性能與Nafion膜相當(dāng)。這種部分氟磺酸膜的生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單、加工成本低，如果市場(chǎng)需求量大，通過規(guī)模生產(chǎn)，這種膜的成本可大幅降低。

目前，燃料電池主要采用石墨雙極板，雖其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但機(jī)械強(qiáng)度差和加工成本高使其在工業(yè)上難以大規(guī)模應(yīng)用。尋求一種價(jià)格低廉、導(dǎo)電性好和易于加工的雙極板材料是雙極板研究的優(yōu)先課題。金屬雙極板具有導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高、易于批量生產(chǎn)和能大幅提高燃料電池的體積功率密度等優(yōu)點(diǎn)，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的極板材料。

3.3應(yīng)用發(fā)展

隨著燃料電池技術(shù)在車用領(lǐng)域商用化步伐加快，重點(diǎn)圍繞氫氣制取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及燃料電池技術(shù)應(yīng)用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，世界各地都如火如荼地開展著氫能綜合示范。

美國(guó)能源部啟動(dòng)了國(guó)家氫能發(fā)展前景和指南項(xiàng)目，按照美國(guó)氫能技術(shù)路線圖，到2040年美國(guó)將走進(jìn)“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。美國(guó)能源部在紐約長(zhǎng)島啟動(dòng)了基于風(fēng)電制氫的氫能應(yīng)用示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)為長(zhǎng)島的水電解制氫氣轉(zhuǎn)化過程提供電能，所制得的氫氣儲(chǔ)存在長(zhǎng)島的加氫站中，供長(zhǎng)島上的燃料電池汽車使用。另外，美國(guó)能源部還開展了世界上最大規(guī)模的燃料電池車示范，其中有183輛燃料電池車，25座加氫站，共行駛360萬英里。

英國(guó)ITM能源公司在英國(guó)羅瑟勒姆地區(qū)實(shí)施氫能示范項(xiàng)目，為附近建筑提供部分電力支持和氫能燃料。該系統(tǒng)包括一個(gè)225 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、一個(gè)先進(jìn)的電解槽、一個(gè)可儲(chǔ)存200 kg氫氣的儲(chǔ)氫系統(tǒng)和功率為30 kW的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。該氫能綜合示范系統(tǒng)集合了ITM能源公司最先進(jìn)的氫能商業(yè)化模塊，是英國(guó)氫能基礎(chǔ)設(shè)施非常重要組成部分。

瑞典Vatten Fall公司建立了歐洲第一座氫氣-風(fēng)能可再生能源動(dòng)力工廠，該公司利用風(fēng)能來制氫和儲(chǔ)氫，氫氣除了被用來產(chǎn)生電能、熱能，還用作燃料電池汽車的燃料。

氫能綜合示范的實(shí)施將有助于消除公眾對(duì)氫氣安全顧慮，提升對(duì)公眾氫能應(yīng)用的認(rèn)知接受度，加速氫能示范產(chǎn)品向更多消費(fèi)者的推廣，帶動(dòng)整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。

4 結(jié)論

氫能被視為21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。燃料電池技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染物排放、噪聲振動(dòng)等級(jí)低等優(yōu)點(diǎn)，因此備受各國(guó)政府與企業(yè)的青睞，并被認(rèn)為是 21 世紀(jì)首選的潔凈和高效的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)。

通過近半個(gè)世紀(jì)的持續(xù)發(fā)展，德國(guó)已逐步突破氫能和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)，在氫能及燃料電池技術(shù)研發(fā)、示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面取得了諸多成果，并在汽車、船舶和發(fā)電站等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，已經(jīng)形成了相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，美國(guó)、日本等國(guó)家氫能和燃料電池技術(shù)發(fā)展也卓有成效。

我國(guó)氫能和燃料電池技術(shù)的發(fā)展在確保能源安全、減少碳排放環(huán)境保護(hù)等方面具有重要意義。但是我國(guó)相關(guān)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距。因此，我國(guó)有必要借鑒德國(guó)的燃料電池和氫能技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，建立健全配套機(jī)制，制定氫能和燃料電池技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，大力開展氫能技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究和示范應(yīng)用項(xiàng)目，推動(dòng)氫能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，確保我國(guó)在新能源經(jīng)濟(jì)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

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Current Status and Perspective of Hydrogen Energy and Fuel Cell Technologies in Germany

Xia Fengjie, Zhou Yan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2015）02-0049-04

2014-08-11

夏豐杰(1984-)，男，工程師。研究方向：燃料電池。