燃料電池是氫能源的重要應(yīng)用

 1、氫能源的重要應(yīng)用-燃料電池

氫能源為電力能源的重要載體。電能替代是社會能源消費(fèi)的長期趨勢 ，氫能源最終通過 電力能源實(shí)現(xiàn)。合理利用氫能，一方面能提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)，另一方面可以控 制環(huán)境污染，降低大氣污染和溫室氣體排放。從中長期來看，加大氫能的發(fā)展利用將進(jìn)一步保 障我國能源安全。氫能源的單位熱值遠(yuǎn)高于汽油、柴油、焦炭等，將滿足電力能源的供給需求錯配。

氫能 源的熱值較高，通過大型移動的運(yùn)輸設(shè)備，未來將會使能源消耗錯配做到極致。氫能既可作為 化學(xué)能源形式的長周期儲備，又可于交通領(lǐng)域應(yīng)用在長途運(yùn)輸、大卡車、海洋運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，還 可以應(yīng)用在高溫加熱的工藝產(chǎn)業(yè)上。清華大學(xué)教授毛宗強(qiáng)在氫能行業(yè)會議上表示，氫能的應(yīng)用 是多方面的，也是未來有望代替石油和天然氣的清潔能源。

燃料電池汽車是氫能源利用極具成長性的下游行業(yè)。雖然氫燃料電池汽車（ FCEVs ）在 我國目前處于起步階段，但燃料電池汽車性能的優(yōu)秀不可否認(rèn)，目前國外大規(guī)模銷售的 FCEVs 各方面性能與內(nèi)燃機(jī)汽車不相上下，有些遠(yuǎn)優(yōu)于電動汽車（BEVs）。燃料電池具有環(huán)境友好、 發(fā)電效率高、噪音低、可用燃料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前我國燃料電池產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展瓶頸在于生 產(chǎn)成本高（鉑催化劑價格高昂）、技術(shù)水平較國際落后以及氫產(chǎn)業(yè)鏈配套設(shè)施不夠成熟，遠(yuǎn)期 的發(fā)展空間巨大。

燃料電池汽車具有能源補(bǔ)給的時間優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)性劣勢，運(yùn)營市場將會是起步階段重點(diǎn)發(fā) 展領(lǐng)域。燃料電池汽車的續(xù)航里程普遍在 500 公里以上，和目前中高端純電動汽車續(xù)航相當(dāng)， 而從能源補(bǔ)給時間角度，燃料電池汽車加氫僅需不到 3 分鐘，遠(yuǎn)低于插電混動或純電動汽車。由于目前燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處于初期階段，加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施投入以及整車制造成本都 較高，短期來看燃料電池汽車比較適合的應(yīng)用場景預(yù)計會是運(yùn)營市場。

質(zhì)子交換膜燃料電池對我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展更具有現(xiàn)實(shí)意義。氫燃料電池按不同電解質(zhì)可 分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜 燃料電池(PEMFC)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度最低，還具有響應(yīng)速度快和體積小 等特點(diǎn)，目前最契合新能源汽車的使用，被認(rèn)為是未來燃料電池汽車最重要的發(fā)展方向之一。

鋰電池在乘用車領(lǐng)域更具優(yōu)勢。鋰電池產(chǎn)品較燃料電池有更簡單的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，更清晰的 發(fā)展路徑和更成熟的產(chǎn)業(yè)化分工，當(dāng)前產(chǎn)品系列性能也區(qū)域豐富。鋰電池性能的不斷提升，正 逐漸蠶食眾多原本燃料電池具有領(lǐng)先優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域。在 2019 年燃料電池行業(yè)會議中，上海 捷氫科技有限公司系統(tǒng)開發(fā)部總監(jiān)表示，他們對比了純電動車型和氫燃料電池汽車型在未來的 競爭優(yōu)勢，從成本上來說，乘用車?yán)m(xù)航里程 400 公里以下，燃料電池相對純電動是沒有優(yōu)勢的。

燃料電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，尚處于中長期能源戰(zhàn)略布局的地位。

? 商用車領(lǐng)域燃料電池驅(qū)動定位為輔助能源：濰柴動力董事長譚旭光表示：發(fā)展新能 源車并不是要完全取代柴油車，而是應(yīng)用在適合采用新能源車輛的工況中。比如城 市公交、港口牽引車等，推廣新能源車輛，使其與柴油車搭配工作，能夠兼顧經(jīng)濟(jì) 效益與社會環(huán)保。他甚至預(yù)言，未來 20-30 年，氫將成為能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分， 但市占率不會超過 10%。

? 當(dāng)前船舶動力 95%是柴油體系，尚未實(shí)現(xiàn)天然氣化，燃料電池中長期或存增長空間。受成本、安全、壽命等多種因素影響，燃料電池在民用船舶領(lǐng)域目前尚不具備大規(guī) 模商業(yè)化應(yīng)用的條件，但是隨著國際公約法規(guī)對船舶排放要求的日益嚴(yán)格，燃料電 池系統(tǒng)卓越的排放性能有可能將其推向船舶動力市場的新風(fēng)口，尤其是豪華游輪在 船舶行業(yè)逐漸崛起的今天，燃料電池系統(tǒng)噪音低的優(yōu)勢完美滿足了豪華游輪對舒適 度的要求。

2、氫能源利用涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

氫能源制取-混合氣體的變壓吸附技術(shù)（PSA）。

? 基本原理：變壓吸附的基本原理是：利用吸附劑對氣體的吸附有選擇性，即不同的 氣體（吸附質(zhì)）在吸附劑上的吸附量有差異和一種特定的氣體在吸附劑上的吸附量 隨壓力變化而變化的特性，實(shí)現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生。

? 當(dāng)前應(yīng)用：變壓吸附技術(shù)在石油化工、醫(yī)藥、食品飲料等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用，四川 天一科技、上?；ぱ芯克捅贝笙蠕h公司是國內(nèi)領(lǐng)先的變壓吸附系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)機(jī) 構(gòu)。在石化領(lǐng)域，PSA 法得到的氫氣純度可達(dá)到 99.9%以上水平（燃料電池需求純度 為 99.99%）。上市公司：天科股份（西化院下屬）。

氫能源運(yùn)輸-從拖車輸送到管道輸送。目前鋼企副產(chǎn)氫氣是加氫站氫氣的主要來源，其被 使用高壓氫氣瓶集束拖車運(yùn)輸。舉例來說，若 1 輛拖車裝有 18 個高壓氫氣瓶，每次可以以 20MPa 的壓力運(yùn)送 4000Nm3的氫氣。平時站區(qū)里停泊 2 輛拖車，另有 1輛拖車往返加氫站和氫源之間， 運(yùn)送氫氣，并替換站內(nèi)空車。基于 200km 左右運(yùn)輸距離和每天 10 噸的運(yùn)輸規(guī)模來測算，氣氫 拖車的成本可以達(dá)到 2.02 元/kg。

氫能源運(yùn)輸-從高壓氣罐到管道輸送。

? 高壓氣罐：依托 LNG 產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，一般長管儲氫壓為 15～20MPa，一般單管儲氫量為 17～20k，將 CNG 儲氣管進(jìn)行產(chǎn)品升級可實(shí)現(xiàn)。

? 液氫儲罐：依托航天工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，單次送氫量為氣罐 10 倍以上。額外增加氫氣液 化和液氫罐成本，目前測算單日加氫量達(dá)到 1000kg 以上具有比較經(jīng)濟(jì)性。

? 管道運(yùn)輸：依托天然氣產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，瓶頸在成本。在美國，現(xiàn)有的氫氣管道系統(tǒng)約為 2400 公里，而在歐洲已有近 1600 公里，中國的管道運(yùn)氫量在 400 公里。中石油管道 局 2014年完成國內(nèi)最大氫氣管道建設(shè)施工：投資1.54億，長度25km，設(shè)計壓力 4Mpa， 年輸氫量 10.04 萬噸。單位投資為天然氣管道 2 倍左右。

氫能源儲存加注：加氫站內(nèi)的儲氫罐通常采用低壓(20～30MPa)、中壓(30～40MPa)、高 壓(40～75MPa)三級壓力進(jìn)行儲存。有時氫氣長管拖車也作為一級儲氣(10～20MPa)設(shè)施，構(gòu)成 4 級儲氣的方式。國外市場大多采用的 70MPa 氫氣，國內(nèi)大部分采用了 35MPa 氫氣壓力標(biāo)準(zhǔn)。目前中國的加氫站加氫能力最高的為 1000-2000kg/d，最低的為 100kg/d。

? 站內(nèi)制氫：原材料為天然氣，重整制氫氣。單個站投資規(guī)模會在 300~500 萬美元的 水平。

? 外供加氫：中國主要的加氫站方式。單個站投資規(guī)模在

根據(jù)中國電池聯(lián)盟網(wǎng)報道，加氫量在 500kg/天時，高壓儲氫加氫站比液氫儲氫加氫站設(shè) 備投資方面更有優(yōu)勢；加氫量規(guī)模超 1000kg/天時，液氫儲氫加氫站比高壓儲氫加氫站設(shè)備投 資要低 20%左右。

氫能源儲存加注-高壓儲氫罐：國內(nèi)高壓儲氫最大壓力為 75MPa，海外部分加氫站可達(dá)到 100MPa 以上。全球高壓儲氫罐主要生產(chǎn)企業(yè)有美國 AP 公司、CPI 公司，國內(nèi) 75Mpa 加氫站依 賴進(jìn)口。國內(nèi)企業(yè)包括巨化裝備（45MPa 和 98MPa 產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用）、安瑞科（中集集團(tuán)下屬， 45MPa 已開始應(yīng)用，85MPa 產(chǎn)品剛剛通過技術(shù)認(rèn)證）等。

? 氫脆：長期在高壓和常溫氫氣環(huán)境中工作，儲氫容器材料可能會產(chǎn)生高壓氫環(huán)境氫 脆，導(dǎo)致塑性損減、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快和耐久性下降。

? 金屬低周期疲勞：由于儲氫管壓力波動較大（設(shè)計壓力的 20%~80%），容易使得儲氫 罐使用壽命縮短。

? 儲氫特殊材料：目前加氫站儲氫罐用的主要材料有為 Cr-Mo 鋼、6061 鋁合金、316L 等。對于 Cr-Mo 鋼，我國常用材料為 ASTM A519 4130X（相當(dāng)于我國材料 30CrMo)、 日本為 SCM435 和 SNCM439、美國為 SA372Gr.J。

氫能源儲存加注-隔膜壓縮機(jī)：隔膜壓縮機(jī)是氣體壓縮領(lǐng)域最高級別壓縮方式，海外生產(chǎn) 隔膜壓縮機(jī)企業(yè)包括美國 PDC，PPI 等。PPI 隔膜式壓縮機(jī)是兩個系統(tǒng)的結(jié)合——液壓油系統(tǒng) 和氣體壓縮系統(tǒng)，通過金屬膜片將兩個體系的完全隔離開。北京天高自主生產(chǎn)隔膜壓縮機(jī)已應(yīng) 用于國內(nèi)近 10 個加氫站項目，最近產(chǎn)品已達(dá)到 100MPa 水平。國內(nèi)與海外設(shè)備性能差別主要包 括隔膜（金屬膜）使用壽命，以及設(shè)備故障率等，但國產(chǎn)設(shè)備具有良好的性價比和售后服務(wù)能 力，國產(chǎn)化替代可將壓縮機(jī)設(shè)備成本降低超過 50%。

氫能源儲存加注-加注設(shè)備：氫氣加注機(jī)加注原理與天然氣加注類似，只是加注壓力有所 區(qū)別：天然氣加注壓力 25MPa，國內(nèi)加注壓力 35MPa，海外 70MPa。所以對密封性、安全性等 有更高要求。為了降低壓縮機(jī)功耗，加氫站一般通過分級加氫方式，從低壓罐加氫到高壓罐加 氫，最后到壓縮機(jī)加氫，所以加氫機(jī)可看作是對各級加氫設(shè)備的加氫功率分配。加氫機(jī)上裝有 壓力傳感器、溫度傳感器、計量裝置、取氣優(yōu)先控制裝置、安全裝置等。全球氫氣加注機(jī)生產(chǎn) 企業(yè)有德國林德(Linde)、美國 AP 等。國內(nèi)企業(yè)中，富瑞氫能可實(shí)現(xiàn) 45MPa 環(huán)境下的的加氫功 能，設(shè)備已應(yīng)用于數(shù)個加氫站；上海舜華新能源 75MPa 加氫機(jī)應(yīng)用于大連加氫站；其他還有厚 普股份等公司。

氫能的使用-催化劑。燃料電池催化劑價格較高是影響電堆成本的一個重要因素，但鉑的 單位用量將持續(xù)降低。目前電堆成本 120 美金/kw，美國能源局預(yù)測，當(dāng)達(dá)到 50 萬臺規(guī)模時 將降至 19 美金/kw 的水平。從鉑的需求來看，短期資源不稀缺，鉑合金在尾氣處理裝置中扮 演氣體反應(yīng)催化劑角色，每年汽車用量鉑量約 110 噸。燃料電池汽車用鉑量將逐步降至 0.2g/kW， 10 年下降 75%-80%，單車用量未來將降至 20g 左右，和燃油車相當(dāng)。

氫能的使用-車載儲氫。由于“氫氣很輕”，其質(zhì)量能量密度很大,但反過來說，如果從單 位體積燃?xì)忉尫诺哪芰縼砜?，氫氣的熱值是常見燃料里最低的，僅為 12.74MJ/Nm^3，是甲烷 的 1/3，汽油的 1/10。這就意味著，如果要釋放同樣的能量，汽車需要消耗巨量體積的氫氣， 因而氫燃料電池車上都有高壓儲氫罐來壓縮儲存氫氣。車載高壓儲氫罐一般可以儲存 6kg 左右 高壓氫氣，總體積在 150L-200L 上下，有些大的儲氫罐甚至?xí)D壓車內(nèi)空間。目前對于 70Mpa 的車載儲氫罐,只有豐田和挪威 Hexagon 具備商業(yè)化生產(chǎn)能力。