德國氫能及燃料電池技術發展現狀及趨勢

夏豐杰，周 琰

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德國氫能及燃料電池技術發展現狀及趨勢

夏豐杰，周 琰

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064)

本文概述了氫能及燃料電池技術的基本情況，著重介紹了德國氫能及燃料電池技術在氫能綜合示范、汽車、船舶和發電站領域的發展現狀，并對涉及氫能及燃料電池技術如氫氣來源、生產及儲存、加氫站、電催化劑、質子交換膜、雙極板等關鍵問題的發展趨勢進行了分析展望。

氫能 燃料電池 產業鏈

1 氫能及燃料電池技術簡介

氫能是指以氫氣作為能量載體，通過氫氣和氧氣反應所產生的能量，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點，被視為“后石油時代”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電轉化為電能，也可由氫內燃機轉為熱能。而氫氣既可通過化石能源制備，又可由風能、太陽能、生物能、潮汐能等可再生能源或核能轉化而來。

在氫能經濟時代，氫氣制備是氫能應用基礎，氫氣的安全儲存和運輸是氫能應用的關鍵，燃料電池是當前氫能最具潛力的終端應用方式。只有將氫氣的制取、運輸、儲存和燃料電池技術應用三方面有機結合才能使氫能技術迅速走向實用化。

燃料電池是氫理想的轉化裝置，是氫能終端應用的關鍵技術。燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化成電能的發電裝置。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生電能，因此燃料電池兼具電池和熱機的特點。燃料電池具有能量轉化效率高、無環境污染物排放、可低溫快速啟動、振動和噪聲等級低等特點。

德國已實施了多個涉及氫氣制取、運輸、儲存及燃料電池應用的氫能全產業鏈，現已將燃料電池技術應用到汽車、船舶和發電站等多個領域。

2 德國氫能及燃料電池技術發展現狀

2.1 氫能技術發展現狀

德國漢堡市啟動了規模宏大的氫能示范應用項目—“HyCity（氫能城市）”的計劃，被稱之為“通向明天能源世界的窗口”。該計劃涵蓋了氫氣制取、運輸、儲存及燃料電池應用的氫能全產業鏈，主要包括5個子計劃，分別是：氫能基礎設施建設與燃料電池在公交系統的應用、燃料電池在不同交通運輸系統的應用（如電動叉車以及其它車輛）、燃料電池在發電站系統中的應用、燃料電池在航空系統中的應用和燃料電池在船舶運輸系統中的應用。

德國設計了一套1 MW級氫能儲能系統，該系統配備了目前世界上最大的質子交換膜電解池，能夠高效的將當地過剩的風能電力轉化為清潔的氫能，以氫氣作為能量載體，有效地避免可再生能源如風能或太陽能受氣候條件影響，而制得的氫氣可充分利用德國現有的天然氣管網設施進行長期儲存及分配，再根據實時用電需求通過燃料電池等氫能應用終端重新轉化為電能，從而大幅提高電能并網輸出的穩定性和可靠性。

德國還致力于開發集風力發電、電解水制氫、高壓儲氫及燃料電池發電技術于一體的氫能應用技術，并建立多個氫能示范應用中心（如圖1）。該技術首先將風能轉化為電能，再通過電解水和高壓儲氫技術產生和儲存氫氣，將氫氣輸送至燃料電池系統將氫能轉化為電能。風能作為氫氣生成的初始能源，氫氣作為能量儲存與輸送媒介，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電站，這種模式能非常有效地克服風能發電的不穩定性，用戶可根據需要運用燃料電池自行發電，將能實現未來能量供給方式的去中心化。例如，由ENERTRAG能源公司實施建設的氫能示范項目-燃料電池電站，該電站的總額定功率為700 kW，每年可產生16 GWh的電能，可滿足4000個家庭的用電需求。

圖1 氫能示范應用中心

2.2 燃料電池技術發展現狀

德國奔馳公司推出了B級燃料電池車（B-Class F-cell）。B級燃料電池車（如圖2所示）采用100 kW級質子交換膜燃料電池。該車從0～100 km/h 加速時間為114 s，最高車速為170 km/h，耗燃料率為0.97 kg/km，一次補充燃料行駛里程為385 km。據悉，奔馳公司已于2011年打造了3輛B級燃料電池原型車，用125天的時間穿過全球4大洲、14個國的壯舉，充分展示了燃料電池科技的實用性和穩定性，并計劃于2015商業化生產它的第三代燃料電池車，將進一步更新現已在全球范圍內示范運行的B級燃料電池車。美國通用、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的商用化時間表。我國自主研制的燃料電池車于2008 年北京奧運會和2010 年上海世博會期間進行了示范運行。

圖2 奔馳B級燃料電池車

德國Smith公司推出燃料電池混合動力卡車（如圖3），采用80 kWh鋰離子電池和7 kW燃料電池提供動力，自2012年7月已經行駛了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內運輸，可根據客戶的需求調整卡車的功率等級。其中燃料電池模塊由德國Proton Motor公司提供，作為卡車動力增程器。

圖3 燃料電池卡車

德國與歐盟于2006年共同實施了EU-Life項目，并建造了世界上第一艘燃料電池游船-“Alsterwasser”號（如圖5），該游船于2008年8月在德國漢堡的Alster湖上進行了首航，載客量超過100人，一直載客運行至今，截至2010年運送了14000多名乘客。游船推進動力功率為100 kW級，由德國Proton Motor公司提供的2臺48 kW質子交換膜燃料電池模塊組成，采用35 MPa高壓儲氫技術，一次可攜帶氫燃料50 kg，游船可連續運行2~3天。燃料電池游船無尾氣排放，能源利用效率高達50%以上。目前，該船動力系統已得到德國勞氏船級社認證。據悉，德國于2009年還實施為期八年名為“燈塔（lighthouse）”e4ships的燃料電池船舶項目，利用燃料電池系統為郵輪、貨船和大型游船等提供輔助動力，總投資高達5130萬歐元，涉及全德國21家公司及科研機構。另外，韓國于2013年啟動 “平昌2018號”燃料電池客船項目，未來3年間，韓國政府計劃投入160億韓元。

圖5燃料電池游船

3 氫能及燃料電池技術發展趨勢分析

3.1氫能技術

除了氫能應用技術之外，氫能技術的關鍵在于氫燃料技術，包括氫燃料的制取、運輸及儲存。氫燃料技術未來發展將重點針對以下3個方面：氫氣的制取、加氫站網絡化分布和氫氣儲存。

氫氣制備是氫能大規模商用化的基礎。目前，水電解、甲醇裂解、水煤氣、氨分解和氯堿工業尾氣處理等各種制氫技術已大規模使用，燃料電池使用的高純氫成本為3~6元/m3，即發電耗氫成本約1.7~3.4元/kWh，與柴油發電耗油成本2.3~2.8元/kWh相近。德國正在大力推廣的風能、太陽能等可再生能源發電制氫技術，還對風能和氫能系統結合進行研究，利用盈余的風能制氫可滿足德國燃料電池汽車對供氫需求，該技術路線具有很好的經濟性。

加氫站網絡化分布是氫能技術大規模商用化的基本保障。目前，德國建立了50余座加氫站，能確保2015年5000輛氫燃料電池汽車在全德國范圍提供加氫服務，已初步形成了全國網絡化覆蓋。伴隨著燃料電池技術在各個領域的應用，預計到2020年，德國將具有1000座加氫站和50萬輛燃料電池汽車的規模，加氫站網絡化分布在將來還會進一步完善和擴展。

一直以來，氫燃料安全和高效存儲是氫能大規模商用化的瓶頸。如何降低儲氫材料費用和提高儲氫性能是未來氫氣儲存的發展關鍵。目前，在儲氫材料領域，新的儲氫材料不斷被開發出來，如鈦鐵系合金、釩基固溶體合金、金屬絡合氫化物和MOFs，這些材料都具有優良的儲氫性能和獨特的安全以及易操作的優點，改善并革新了氫存儲系統的運行性能和存儲容量。例如，70 MPa碳纖維纏繞高壓儲氫瓶儲氫量可達1.5 kg，重量儲氫密度可達4.7 wt%，隨著該技術日益成熟，并在車船等交通運輸工具得到廣泛應用。

3.2燃料電池技術

燃料電池作為氫能的轉化裝置，是氫能終端應用的關鍵技術。燃料電池的高昂成本和壽命制約著氫能技術的商業化。因此，降低電池成本和提高電池壽命是燃料電池技術發展趨勢，研究的重點是降低電極、質子交換膜和雙極板等3個關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、尋求高效廉價催化劑和優化電極結構是電極研究的主要目標。近十幾年來，隨著新型三維有序化電極結構的深入研究，使電極上, 鉑催化劑用量降低了3個數量級，大幅降低整個燃料電池成本。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的Nafion膜。該膜是一種全氟磺酸膜，生產工藝較為復雜，目前市場價格較為昂貴。降低質子交換膜生產成本、提高質子交換膜化學穩定性及機械穩定性是質子交換膜的重要發展方向。近年來，隨著Nafion膜的不斷改進和新型膜的開發，巴拉德公司已開發出一種部分氟化磺酸膜，性能與Nafion膜相當。這種部分氟磺酸膜的生產工藝較為簡單、加工成本低，如果市場需求量大，通過規模生產，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，雖其技術已經相當成熟，但機械強度差和加工成本高使其在工業上難以大規模應用。尋求一種價格低廉、導電性好和易于加工的雙極板材料是雙極板研究的優先課題。金屬雙極板具有導電性好、機械強度高、易于批量生產和能大幅提高燃料電池的體積功率密度等優點，是最具競爭力的極板材料。

3.3應用發展

隨著燃料電池技術在車用領域商用化步伐加快，重點圍繞氫氣制取、運輸、儲存及燃料電池技術應用的氫能全產業鏈，世界各地都如火如荼地開展著氫能綜合示范。

美國能源部啟動了國家氫能發展前景和指南項目，按照美國氫能技術路線圖，到2040年美國將走進“氫能經濟”時代。美國能源部在紐約長島啟動了基于風電制氫的氫能應用示范項目，該項目利用風力發電機為長島的水電解制氫氣轉化過程提供電能，所制得的氫氣儲存在長島的加氫站中，供長島上的燃料電池汽車使用。另外，美國能源部還開展了世界上最大規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ITM能源公司在英國羅瑟勒姆地區實施氫能示范項目，為附近建筑提供部分電力支持和氫能燃料。該系統包括一個225 kW的風力發電機、一個先進的電解槽、一個可儲存200 kg氫氣的儲氫系統和功率為30 kW的燃料電池動力系統。該氫能綜合示范系統集合了ITM能源公司最先進的氫能商業化模塊，是英國氫能基礎設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-風能可再生能源動力工廠，該公司利用風能來制氫和儲氫，氫氣除了被用來產生電能、熱能，還用作燃料電池汽車的燃料。

氫能綜合示范的實施將有助于消除公眾對氫氣安全顧慮，提升對公眾氫能應用的認知接受度，加速氫能示范產品向更多消費者的推廣，帶動整個氫能產業鏈的快速發展。

4 結論

氫能被視為21 世紀最具發展潛力的清潔能源。燃料電池技術具有能量轉化效率高、無環境污染物排放、噪聲振動等級低等優點，因此備受各國政府與企業的青睞，并被認為是 21 世紀首選的潔凈和高效的能量轉化技術。

通過近半個世紀的持續發展，德國已逐步突破氫能和燃料電池的關鍵技術，在氫能及燃料電池技術研發、示范應用和產業化方面取得了諸多成果，并在汽車、船舶和發電站等多個領域得到應用，已經形成了相對完整的產業鏈，美國、日本等國家氫能和燃料電池技術發展也卓有成效。

我國氫能和燃料電池技術的發展在確保能源安全、減少碳排放環境保護等方面具有重要意義。但是我國相關技術與發達國家還有較大差距。因此，我國有必要借鑒德國的燃料電池和氫能技術發展經驗，建立健全配套機制，制定氫能和燃料電池技術的國家標準，大力開展氫能技術應用基礎研究和示范應用項目，推動氫能技術產業化進程，確保我國在新能源經濟的國際競爭力。

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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。