1、1 氢储能系统关键技术及应用综述 目录 一、氢燃料电池基本原理 . 2 二、氢的制取技术 . 3 2.1 碱性电解法 . 4 2.2 固体高分子电解质电解（SPE） 4 2.3 高温固体氧化物电解（SOEC） . 5 三、氢的存储技术 . 5 3.1 高压存储气态氢 . 6 3.2 低温存储液态氢 . 6 3.3 金属固态储氢 . 7 四、氢的发电技术 . 8 4.1 燃料电池分类 . 8 4.2 固体高分子型质子交换膜燃料电池（PEMFC） . 9 4.3 PEMFC 的心脏膜电极技术 MEA . 10 五、氢能源的应用 . 12 5.1 氢能源在国外的应用 . 12 5.2 氢能源在国内的
2、应用 . 16 5.3 氢能源在电动车上的应用丰田 Mirai 18 5.4 德国 H2YDROSOL 技术简析 . 22 一、 氢燃 把氢 部的 氢燃 锂电 氢燃 作用 燃料 到达 新结 由于 应空 氢燃料电池 燃料电池是使 氢和氧分别供 的负载到达阴 燃料电池早在 电池能量密度 燃料电池车的 用，氢原子中 料电池阴极板 达燃料电池阴 结合为水。 于供应给阴极 空气， 并及时把 池基本原理 使用氢这种化 供给阳极和阴 阴极。 在上世纪 60 年 度出现瓶颈， 的工作原理是 中的一个电子 板（正极）， 阴极板， 从而在 极板的氧， 可以 把水 （蒸汽） 化学元素， 制造 极， 氢通过阳 年代就
3、被应用 氢能源的优势 是：将氢气送到 被分离出来 而电子是不能 在外电路中产 以从空气中获 ） 带走， 就可 2 造成储存能量 阳极向外扩散 用在阿波罗登 势逐渐显现。 到燃料电池的 ，失去电子的 能通过质子交 产生电流。 电 获得， 因此只 可以不断地提供 量的电池。 其基 散和电解质发 登月飞船及潜 。 的阳极板（负 的氢离子（质 交换膜的，这 电子到达阴极 只要不断地给 供电能。 燃料 基本原理是电 发生反应后， 潜艇上，随着 负极），经过 质子）穿过质 这个电子，只 极板后， 与氧 给阳极板供应 料电池发出的 电解水的逆反 放出电子通 着近代能源问 过催化剂（铂 质子交换膜， 只能经外
4、部电 氧原子和氢离 应氢， 给阴极 的电， 经逆变 反应， 通过外 题及 铂）的 到达 电路， 离子重极板供 变器、3 控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上 行驶。 与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达 6080%，为内燃机的 23 倍。燃料电池 的燃料是氢和氧， 生成物是清洁的水， 它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳， 也没有硫和 微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽 车能源。 氢燃料电池车的优势毋庸置疑， 劣势也是显而易见。 随着科技的进步， 曾经困扰氢燃料电池 发展的诸如安全性、 氢燃料的贮存技
5、术等问题已经逐步攻克并不断完善， 然而成本问题依然 是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的 100 倍，这个价 格是市场所难以承受的。 优势：无污染，无噪音，高效率 二、氢的制取技术 氢气的制作目前有很多方法，但比较常用的方法依旧是煤制氢、天然气制氢、电解水、页岩 气制氢。其中美国廉价页岩气制氢成本控制比较好，欧洲挪威、瑞典等国家利用风能、太阳 能制氢，日本蓝色能源公司采用生物制氢。 风能制氢以及太阳能制氢虽然不能普及， 但是由于氢气比电池拥有更长的保存期限， 所以挪 威、瑞典等欧洲国家季节性的制氢储存，比如挑选风较大、阳光充沛的季节制氢，氢气保存 以待不时之需。 当
6、然， 很多国家利用核能制氢， 俄罗斯等资源丰富的国家电力充沛也会电解 水制氢，保存起来出口。 炼油厂钢铁厂也会产生大量氢气，在产能充足的情况下也会外售。 说一个比较典型的例子， 澳大利亚国内盛产褐煤， 这是一种带有水分的煤炭不易出口， 容易4 自燃，而火力发电多以烟煤为主。在此情况下，日本川崎重工在当地开始工厂用褐煤制氢， 然后用液氢的方法运输到日本国内。 澳大利亚对二氧化碳排放要求比较严格， 川崎重工则利 用 CSS(二氧化碳捕获和封存技术)， 把这些二氧化碳贮存在海洋深处开发天然气遗留下的洞 穴内。川崎重工也与俄罗斯展开合作利用俄罗斯的剩余电能进行能量存储进口到日本国内。 日本在氢能源使用
7、方面，利用率已经达到 95%，浪费很少。 纯度最高的方式为电解水制氢， 是一种完全清洁的制氢方式， 技术工艺过程简单。 根据电解 槽生产技术的不同， 电解水制氢方法可以分为碱性电解、 固体高分子电解质电解和高温固体 氧化物电解 3 种。 2.1 碱性电解法 在碱性电解领域，工业上广泛采用在工作温度（ 7080 ）下具有高传导率的高浓度氢 氧化钾溶液（ 25%30%水溶液）作为电解质。使用铁、镍和镍合金等在电极反应中过电 压小的耐碱性材料作为电极。 在标准状态下， 水的理论分解电压为 1.23V， 相应电耗为 2.95 kWh/m3。但碱性电解中实际电耗达 4.55.5 kWh/m3，电解效率为
8、 53.6%62%，总 制氢系统效率最高仅达 30%。碱性电解虽然对设备投资的要求不高，但是 80%的运行成 本都集中于用电上。 2.2 固体高分子电解质电解（SPE） SPE 中的固体高分子膜承担固体电解质的作用，被用于隔离电极并将质子从阳极运送到阴 极，因此在 SPE 中只需供给纯水即可。对于实际 SPE 电解水制氢系统，工作温度约为 80 ， 电解电压为 1.51.6 V， 相应的电耗为 3.63.8 kWh， 电解效率为 77.6%82%， 总制氢系统效率约为 35%。SPE 所使用的固体高分子膜多为全氟磺酸型膜，被水浸润时酸5 性较强，为兼顾耐酸性和催化活性，电极中通常加入铂系贵金属
9、，而且膜本身价格昂贵，因 此降低 SPE 的成本是当前的重要课题。 SPE 可实现高电流密度电解， 功耗低， 系统小巧， 生成的气体纯度高， 容易实现高压化， 较适于电能来源丰富、 价格低廉， 尤其是水力、 风力、 太阳能等可再生能源丰富的场合。 2.3 高温固体氧化物电解（SOEC） SOEC 采用氧化钇掺杂的氧化锆陶瓷作为固体电解质，高温水蒸气通过阴极板时被离解成 氢气和氧离子， 氧离子穿过阴极板、 电解质后到达阳极， 在阳极上失去电子生成氧气。 SOEC 在 800950 下工作， 能够极大增加反应动力并降低电能消耗， 电解效率高达 90%以上， 总制氢系统效率可达 52%59%。此法具
10、有优良的性能，但由于在高温下（ 1000 ）工 作时材料损耗大，且需要持续供给高质量的水蒸气，在目前技术条件下难以规模化。 目前电解水制氢的主要问题是能耗高、 效率低。 关键技术的突破应集中在减少设备成本、 提 高电解槽的能源效率以及如何搭建集中式大规模生产系统等方面。 三、氢的存储技术 氢气的运输途径一般有四种，高压氢气、液氢、甲基环己烷 MCH、氨。 高压氢气即常用的氢气罐，日本提供 700 个大气压的氢气罐。加氢站如果采用异地运输的 话一般采用高压氢气。 液氢适合长途运输， 比如川崎重工就可以让液氢损失降低到 0.05%， 采用大型轮船运输。 甲基环己烷是日本千代田提出来的技术， 它是通
11、过氢气与有机物产生反 应生成氢化物，可以在 1 个大气压下运输，甚至可以装到矿泉水瓶中，这种情况也适用于 长途运输，在资源丰富国家制氢之后运输。运输到目的地之后用特殊催化剂再度提取。 HyGird 也提出了液体运输氢气的方法，它采用氢气转化成氨的方法运输，然后再提取。 6 与其它燃料相比，氢的质量能量密度大，但体积能量密度低（汽油的 1/3000） ，因此构建 氢储能系统的一大前提条件就是在较高体积能量密度下储运氢气。 尤其当氢气应用到交通领 域时，还要求有较高的质量密度。此外，以氢的燃烧值为基准，将氢的储存运输所消耗的能 量控制在氢燃烧热的 10%内设为理想状态。目前氢气的储存可分为高压气态
12、储氢、低温液 态储氢和金属固态储氢。 3.1 高压存储气态氢 高压存储气态氢是最普通直接的储氢方式， 高压容器内氢以气态储存， 储存量与压力成正比。 目前国内外采用压力为 2535 MPa 的碳纤维复合钢瓶储运。 氢气在 35 MPa 时密度约为 23 kg/m3， 70MPa 时约为 38 kg/m3，储氢瓶的质量储氢密度仅有 5%（35MPa） 。而 且压缩氢气是耗能过程， 若使用更高压力的储罐， 如 70MPa， 则压缩过程需要大量的能量， 增加了整体成本（压缩的能量消耗相当于液化的 1/3） 。未来除了要继续研究如何平衡存储 压力和压缩能耗的关系外，还可进行储罐材料方面的研究以平衡储罐
13、的重量和价格。 3.2 低温存储液态氢 液态氢的体积可减少到气态氢的 1/800 左右，大大提高体积能量密度。但氢气沸点是 -253 ， 氢气液化需要消耗相当于氢气燃烧热 1/3 的能量， 每千克氢需要 120 MJ。 而 且储存温度和室温相差达 200 ，氢气的蒸发潜热低，液氢会汽化散逸，损失率可达每天 1%2%。所以液氢储存不太适用于间歇使用的场合，如汽车。但适用于大规模高密度的氢 储存，如可再生能源氢储能系统，越大的储存罐，使用极好的绝热装置隔热，气体蒸发比例 越小，但未来需要进一步降低液化过程中的能耗，提高液化效率。 3.3 氢还 生成 适当 氢化 固态 氢环 物理 在材 中。 汽车
14、出了 氢方 的体 和压 金属固态储 还可以和许多 成固态金属氢 当升高温度或 化物固态储氢 态储氢具有安 环境要求， 是 理吸附储氢。 材料中。 而物车行驶 400 了三种方式储 方式中最高， 体积大小和重 压强的要求相 储氢 多金属或合金 氢化物，如 L 或减小压力即 氢技术。 安全、能量密度 是一种良好的储 化学吸附储氢 物理吸附储氢 公里一般需要 储存 4 千克氢 在汽车空间设 重量的要求。 对 相对宽松， 同 金化合形成金属 LaNi5H6、 可释放氢气 度和体积密度 储氢方式。 根 氢材料中，氢 ， 则是通过范 要消耗 12 千 氢的体积比较 设计和行驶成 对比气态储氢 时固态储氢具
15、 7 属氢化物。 在 MgH2 和 。其中德国 度大、运输方 根据氢和材料 氢与材料发生 范德华力， 以 千克的汽油 较示意图，显 成本上， 固态 氢的高压， 液 具有安全、 体 在一定温度下 NaAlH4。且 H2YDROSO 方便、种类多 料的作用原理 生了化学反应 以氢分子的形 ，折合成氢能 显而易见，固 态储氢材料更 液态储氢的超 体积和质量密 下加压， 金属 且该反应具有 OL公司选 用 多的特点，可 理， 可以分为 应，以原子、 形式吸附在材 能是 4 千克 固态储氢的体 更能满足车载 超低温条件， 密度高的优点 属可以大量吸 有很好的可逆 用的就是这种 可以满足多样 为化学吸附储
16、 离子的形式 材料的表面和克的氢气。下 体积密度在三 载电源对电池 固态储氢对 点， 是一种良 吸收氢 逆性， 金属 样的储 储氢和 式储存 骨架 下图列 三种储 池材料 对温度 良好的 储氢金属 度约 的 4 属氢 汽车 四、 与传 学能 化， 4.1 燃料 氢方式。 属固态储氢花 约比压缩和液 4 倍左右，使 氢化物容易发 车上的案例。 氢的发电技 传统化石燃料 能直接转化为 可以避免中 燃料电池分 料电池按其工 花费的能量约 液化储存高 3 使其在运输方 发生材料中毒技术 料一样，氢气也 为电能， 没有像 中间转换的损 分类 工作温度不同 约是压缩方式 3 倍。但质 量 方面受限，镧 毒
17、导致储氢能力 也可以用于氢 像普通火力发 损失，达到很高 ，把碱性燃料 8 式（70MPa） 量能量密度较 镧和锂等材料 力下降， 目前 氢内燃机（ 发电机那样通 高的发电效率 料电池（AF 的一半，液 较低，金属氢 料可改善重量 前还没有出现 ICE）发电。 通过锅炉、 汽 率，而且更高 C， 100 液化方式的 1 氢化物储存罐 量问题，但价 现将金属固态 但由于燃料 汽轮机、 发电 高效环保，所 ） 、固体高分1/5，体积能 罐的重量是汽 价格昂贵。而 态储氢技术应 料电池能将氢 电机的能量形 所以更具实用 分子型质子交 能量密 汽油罐 而且金 应用到 氢的化 形态变 用性。 交换膜 燃
18、料 池； 称为 在可 电池 4.2 质子 化剂 料电池（PEM 把熔融碳酸盐 为高温燃料电 可再生能源的 池（PEMFC） 固体高分子 子交换膜燃料 剂，氢或净化 MFC， 100 盐型燃料电池 电池。 的氢储能应用 ） 。它具有高功 型质子交换膜 料电池一般以 化重整气为燃 以内）和磷 池 （MCFC， 中， 重点关注 功率密度、高 膜燃料电池 以全氟磺酸型 燃料，纯氧或空 9 磷酸型燃料电 650） 和固 注使用纯氢作 高能量转换效 （PEMFC） 固体聚合物膜 空气为氧化剂 电池（PAFC 固体氧化型燃 作为燃料的固 效率、低温启膜为电解质 剂。下图为 ， 200） 燃料电池 （SO 固
19、体高分子型 启动、环保等 ，碳负载 Pt PEMFC 的工称为低温燃 OFC， 100 0 型质子交换膜 等优点。 或其合金为 工作原理图。 燃料电 0） 膜燃料 电催 1）氢 2）在 为： 3） 在 氧分 O2+气， 4.3 MEA 进行 构成 在 M 氢气通过管道 在阳极催化剂 H22H+ 在电池的另一 分子和氢离子 +2H+2e 总的化学反 电子在外电 就可以向外 PEMFC 的心 A 作为 PEM 行电化学反应 成的，以 Naf MEA 工作时 道或导气板到 剂的作用下 +2e。 一端， 氧气 （ 子与通过外 H2O 反应为：H2+ 电路形成直流 外电路的负载 心脏膜电 MFC 的心脏
20、 应的场所。M fion 115 质子 电极内同时进 到达阳极 。 ，1 个氢分子 或空气） 通过 外电路到达阴 +1/2O2H2 流电。 因此， 只 载连续地输出 电极技术 M ，是决定整个 EA 是由质子 子交换膜为例 进行着质子、 10 子解离为 2 个 过管道或导气 阴极的电子 2O 只要源源不断 电能。 EA 个 FEMFG 系 子交换膜、催 例，NIEA 的 、电子、气体 个氢质子，并 气板到达阴极 子发生反应生 断地向燃料电 系统性能的关 催化层(Cata 的结构如下图 体和水的传递 并释放出 2 个 极， 在阴极催 生成水，阴极 电池阳极和阴 关键因素之一 lyst Layer
21、, C 图所示。 递过程，如下 个电子，阳极 催化剂的作用 极反应为： 阴极供给氢气 一。它是 PEM CL)和气体扩 下图 极反应 下， 1/2 气和氧 MFG 扩散层 质子 子在 气体 随着 通过 其电 张力 到电 扩展 的利 影响 交换 膜电 键因 子(H+)在电催 在电催化层中 体由多孔性的 着气体的流动 过多年的研究 电解质为固态 力， 使电解质 电催化剂的表 展三维的反应 利用率， 又减少 响质子交换膜 换膜技术被国 电极上铂载量 因素，对其制 催化层中的传 中的传递主要 的扩散层到达 动，而憎水剂 究， 对于 MEA 态的离子聚合 质渗入多孔电极 表面， 应尽可能 应区间， 形成
22、质 少各种传递过 膜燃料电池性 国外厂家垄断 量明显减少； 制备工艺和结 传递主要依靠 要依靠导电性 达电催化层， 剂如PTFE的 使 的结构特点 合物（ionom 极的内部， 形 能地扩大催化 质子、 电子和 过程的阻力。 性能的三大关键 断，价格昂贵 膜电极是影 结构优化的研究 11 靠质子导体(N 性的P t / C电 并在电催化 使用也有助于 点已有所共识 mer） ，而非电 形成三维反应 化层中的离子 和反应气体的 MEA 的工作 键是质子交换 ；电催化剂一 影响 PEMFC 究最为关键。Nafion)，并在 电催化剂，并通 化层中的孔隙 于水的及时排 ， 它与一般电 电解质溶液，
23、应区。 为了使 子聚合物与电 的连续通道， 作性能是决定 换膜、 电催化 一般采用铂， 性能、能量 。 在膜中由阳极 通过气体扩散 中得以扩散; 排出。 电他中的气体 因此不能借 使反应气体通 电催化剂颗粒 这样才能既 定 PEMFC 性 化剂和膜电极 ，价格高昂， 量密度分布及 极传递到阴极 散层到达外电 ;水的传递一 体扩散电极不 借助于溶液的 通过离子聚合 粒的接触面积 既充分提高催 性能高低的关 极。 高性能的 近年的研究 及其工作寿命 极;电 电路; 一般伴 不同， 表面 合物达 积，即 催化剂 关键。 的质子 究已使 命的关12 燃料电池需组成电堆才可大规模发电， 因此要发展高均一
24、性的电堆技术， 组成大容量联合循 环发电系统。 同时， 燃料电池发电系统通常还需配置一个辅助储能环节， 弥补燃料电池动态 响应上的不足。 燃料电池产生的直流经换流器转为交流及电池与系统连接运行时， 需对交流 波形、高次谐波、故障分析和保护等问题进一步研究，采取专门的措施稳定并网。 五、氢能源的应用 在氢储能领域，欧、美、日等国起步较早，走在世界前列，根据既定的氢能发展战略有序推 进，已经取得了较大成果。 5.1 氢能源在国外的应用 德国在普伦茨劳市推进 PTG（ power to gas）项目，采用电解水制氢方式，将富裕的风 电转化为氢气存储。 下图是位于该市的风电-氢气混合发电站， 这是世界
25、上第一座此类电站， 于 2011 年 11 月投入运行。 该电厂利用风能、氢能和生物质能（沼气）混合发电，发电量 6 MW。 ENERTRAG 综合 发电厂的工作原理是： 3 台 2 MW 风机正常发电，所产生的大部分电力直接并入电网， 一部分电力用于电解水制氢， 所产生的氢气就地加压储存。 同时利用附近啤酒厂的生产肥料 制造沼气（生物质能） ，将沼气与氢气作为燃料混合发电，热电联产，产生的电力配合风力 发电平稳的输入电网， 产生的热能给电厂附近区域供暖。 电解水制氢储存起来的氢气在富余 时还可以输送到当地的加氢站，用来给燃料电池汽车加氢。下一阶段将会继续建设 3 座电 站，投入更多的示范设备
26、并将制备的氢气并网到天然气输送管道中去。 法国 伏电 备， 储存 PEM 废热 实际 氢燃 Filli 欧洲 国在科西嘉岛 电站的电力输 将超出预测 存在储气罐中 MFC（固体高 热用作温水回 际出力和电站 燃料电池最大 ng Stations 洲 岛启动完成了 输出平均化， 更 测出力的电力 中。MYRTE 高分子型）燃 回收，储藏在 站实际出力对 大最基本的难 s WorldwidMYRTE 项 更易于并入电 （图右中区 与 15 kV 燃料电池利用 在温水罐中。综 对比图，实际并 难题就是加氢 e （世界比较 13 项目（下图左 电网。 MYR 区）用 50 k 的电网联动 用氢氧发电（
27、 综合效率达到 并网供电量如 氢站，首先我 较权威的加氢 左） ，将光伏发 RTE 项目建设 kW 的电解水 动，在光伏出 图右中区 到 70%8 0 如图中的红线 我们来看下世 氢站统计网站 发电与氢储能 设了 560 kW 水装置生产氢 出力不足时， ） 。电解和燃 0%。图右为 线所示。 世界加氢站的 站） ： 能结合起来， W 的光伏发 氢气和氧气， 由 100 kW 燃料电池发电 为相邻两天的 的分布 Hydro使光 发电设 分别 W 的 电时的 的光伏ogen 北美 亚洲 美 洲 14 以上 已经 可以 100 截至 划,2 料电氢动 田， 先巴 比巴 以， 上图中绿色旗 经废弃或
28、者取 以看出， 欧洲 0 座加氢站,加 至 2015 年建 20152020 电池汽车推广 动能发展比较 第二梯队包 巴拉德一代， 巴拉德的石墨 丰田的体积 旗帜表示已经 取消的项目。 洲日本是有巨大 加利福尼亚州 建成加氢站 5 年间,全球有 广及加氢站基 较好的国家还 包括加拿大公 巴拉德的技 墨板更轻、更 积能量密度、 经设立的氢气站大投入资金在 州截至 2015 年 50座 ; 日 本 加 有望建成数百 基础设施建设 还是日本，然 公司巴拉德（ 技术还是上世纪 薄、寿命更久 质量能量密度 15 站， 黄色为将 在燃料电池这 年建成 68 座 加氢站建成 百座加氢站。 的发展战略。 然后
29、是美国、 Ballard） ，大 纪 80-90 年 久。膜电极丰 度都要比巴拉 将要设立或者 这块的， 到 2 座加氢站;英国 100 座,各国 此外,日本、 。 德国，韩国 大洋电机持股 年代的技术。 丰田是喷涂法 拉德强。 者已经在做规 2020 年美国 国计划建设 6 国都在出台相 美国和欧洲 国。技术水平 股 9.9%。丰 比如，丰田 法，比巴拉德 规划的， 灰色 国东北各州将 67 座加氢站; 相应加氢站建 洲等已经制定 平最高的公司 丰田的技术水 田是金属双极 德层压法更好色表示 将建设 德国 建设计 定了燃 是丰 水平领 极版， 好。所16 5.2 氢能源在国内的应用 与国外大
30、规模建站不同,目前中国现有加氢站数量稀少,且没有长期规划。 据介绍,国内加氢站 仅有 4 个,分别位于北京、上海、郑州、深圳。北京加氢站自 2006 年 11 月启用至 2010 年 8 月,累计加注燃料 2023 次,共加注氢气 19100 公斤， 采用电解水方式制氢,由于其他原因于 2011 年被拆除。 上海安亭加氢站还在运营,该站始建于 2007 年 11 月,主要采用外供氢气,加注压力为 35MPa, 存储压力为 43.8MPa,存储容量为 800 公斤。截至 2015 年 6 月,安亭加氢站累计加注 6013 次,加注总量为 10216 公斤。 上海为服务世博会曾特意建设了一个世博加
31、氢站,是当时世界上 规模最大的加氢站之一,氢气供给方式为外供氢,主要用托车运输。该加氢站的加注压力为 35MPa 和 43MPa,储存压力 4345MPa,最大存储容量达 1000 公斤。由于规划原因,世博 加氢站已于 2011 年被拆除。” 为服务大型国际展会或赛事建造加氢站的城市还有深圳。2011 年 8 月,深圳为迎接第 26 届 大学生运动会也建设了一个简易加氢站,作为示范运行使用。该站运营期间共加注 537 次, 加氢总量为 460 公斤。该站曾停运两年后,于 2014 年恢复运营至今。建设广州加氢站是为 供给亚运会观光车的氢能。 共加注 1700 次、 总量为 5900 公斤的氢气
32、,目前该设施也已被拆 除。 目前国内加氢气站稀缺的主要原因是装备大多依靠进口,这直接导致建站成本居高不下,因此, 加氢站设备的自主研发必不可少。目前国家科技部正在支持建设一个 70MPa 的加氢站，该 加氢站选址在大连,是国内第一个完全采用自主研发装备的加氢站,该加氢站会接入风电和光 伏发电并结合电解水提供氢源,建成制氢加氢站,存储容量为 200 公斤,加注时间为 35 分钟。 众所周知,加氢站的运营成本居高不下是阻碍大规模发展的主要原因。 主要包括建设高成本、 运营维护成本高、成本回收期较长三部分。但中国建加氢站具有一定成本优势,日本建设一17 个储存量为 150 公斤的加氢站大约需要 30
33、0 万欧元;美国则需要 250300 万美金; 欧盟国 家为 100150 万欧元;中国建设一个 200 公斤以上存储量的加氢站,成本仅为 600800 万 人民币(不包括土地成本),由于加氢站设备的运行维护成本很高,即使按照净现值分析法,目前 一个 200 公斤存储量的加氢站,氢气成本达到 70 元/kg,经济性非常差。 即使达到国际上平均 水平 55 元/kg,按照国内目前氢气加注量和氢燃料电池汽车的保有量,十年内也很难盈利。 此外,加氢站成本回收周期较长,加氢站的基础设施需要依靠车辆充电、加氢规模效应平衡收 支来盈利。据公开数据显示,2015 年,国内氢燃料电池乘用车仅 10 辆、公交、
34、大巴为 3 辆。 到 2020 年,国内氢燃料电池乘用车有望达到 3000 辆,公交车大约为 8000 辆,保有量依旧远 远低于日本、美国、欧盟等地区。现阶段产业链需完善，国内燃料电池车保有量不足以直接 掣肘加氢站数量,加氢站建设缺乏有效推动。 从另一个层面来看,车辆稀少也直接体现出产业链发展不充分。国内燃料电池汽车技术主要 科研机构只有新源动力、中科院大连化学物理研究所、武汉理工大学、上海交大、东岳等几 家单位。 在燃料电池系统、 动力系统和整车应用层面,上汽集团走在前列;在应用层面,仅一汽、 东风、奇瑞、长安、宇通等企业生产相关车辆,产业链发展略显薄弱。 中国工程院院士衣宝廉对未来国内氢燃
35、料电池汽车产业发展提出了几条建议。第一,要加大 氢燃料电池关键材料,例如膜、炭纸、催化剂、MEA、双极板等批量生产线的资助力度与研 发投入,实现关键材料国产化;第二,重点要提高电堆可靠性与耐久性;第三,促进燃料电池过程 研究结果与发动机生产单位融合,把抑制衰减措施落到实处,进一步深入研究阳极水管理过程、 低温启动、 系统模块化,提高燃料电池系统的可靠性与寿命;第四,发展燃料电池发动机快速评 价方法,推进加氢站建设和燃料电池汽车的示范运行,以示范带动技术链与产业链的发展;第 五,全力攻克 70MPa 氢瓶、空压机、加氢站建设的难题。最后,衣宝廉表示,超低铂、非铂催 化剂的电极开发与实用也是一项艰
36、巨而长期的任务。 18 氢燃料技术门槛还是比较高的， 国内主要来源两拨技术人员。 一部分是高校， 另一部分是国 外类似公司干过几年回来的。 目前国内最大的氢动力汽车公司是大连新源动力， 公司最大股 东是上汽集团。 另外巴拉德在佛山落了一条产线， 有当地几千台大巴的订单， 但核心技术依然从巴拉德采购。 氢燃料电池核心技术有三点，膜电极、金属双极板和集成封装。佛山生产线只是解决了集 成封装国产化问题，其他两个核心技术没有解决。 汽车厂商一般着重研究成本问题。 目前而言， 无论加氢站还是氢能源汽车不能普及， 普及需 要 2030 年左右，前期需要政府补贴，毕竟氢社会到来对国家百利无一害。 英国对加氢
37、站建设成本补贴一半， 对加氢站运营成本也补贴一半， 欧洲对氢能源补贴幅度较 大。氢燃料电池汽车普及程度需要依靠加氢站，德国打算建造 1000 座加氢站、日本也同样 1000 座加氢站，美国加州打算 2015 年 1 万辆氢能源汽车。氢社会的到来与否主要依靠氢 燃料电池汽车的普及程度。 氢燃料电池汽车目前主要是成本控制， 为降低成本丰田一些核心部件均是自己制造， 同时在 反应催化剂上不断寻找替代品或者减少金属铂的用量。 氢燃料电池和纯电动一定是会处在共存的状态， 必须要分析国家的环境加以区别， 比如日本 国内用电紧张，就不适合使用纯电动，而美国多以插电式混合动力为主。 5.3 氢能源在电动车上的
38、应用丰田 Mirai 氢能源在电动车上应用的集大成之作丰田 Mirai。 丰田 Mirai 使用 70MPa 高压储氢罐（储氢重量约 5KG） ，配备 PEMFC 质子交换膜低温燃 料电池，新款 Mirai 续航 650 公里，加氢时间 3-5 分钟，和加油体验差不多。 5.3.1 丰田 Mirai 燃料电池结构图及主要参数 5.3. 3D 立 5.3. 传统 子液 有实 可以 2 阴极的创新 立体精细流道 3 电解质薄膜 统的燃料电池 液体的膜被研 实际应用的。 得 以做的更薄。 新。 道很好地解决 膜做得更薄 池用的是 Naf 研发出来，各有 得益于杜邦 N决了燃料电池 ， 气体扩散性 f
39、ion 膜，通过 有优缺点，这 Nafion 膜的 19 池中水管理和 性能提升。 电解 过水来导质子 这方面的文章 的生产工艺提 和气流冲突的 解质薄膜可以 子。后来也有 章汗牛充栋， 提高或换成更 的问题。 以说是燃料电 有很多运用磷 ，但成品都集 结实的膜材料 电池的核心部 磷酸，硫酸或 集中在实验室 料了 （PBI 一部件， 或者离 室，没 一类） 5.3.4 限制 性能 的效 5.3. 通过 5.3. 2 个 才行 想挤 实验 留下 氢气 周围 4 催化剂处于 制燃料电池应 能差太多。 所 效果。这次通 5 氢气储存罐 过对罐体受力 6 氢气储存罐 个 70Mpa 的气 行， 这种压
40、力 挤破这种罐体 验中5mm口 下凹痕； 另外 气瞬间就逃逸 围更容易爆炸 于超激活状态 应用的最大问 以常用的方法 通过铂钴合金 罐 力区域的模拟 罐的安全性 气罐能承受内 不仅在现实公 体只有那种万 口径的子弹射 外氢气比想象 逸光了， 相比液 炸燃烧。 态。 问题就是催化剂 法是把催化剂 金和纳米颗粒 拟，用最少的纤 内部 70Mpa 公路上无法找 万吨水压机才能 射击氢气罐，根 的安全， 因为 液化天然气 20 化剂。Pt 催化 剂材料做成纳 的方法，降低 纤维做出最大 a 超高压力， 找到， 即便是 能做到； 在生 根本无法击穿 为氢气的逃逸 LNG 和高压 化剂太贵，容 纳米级的颗
41、粒 低了90% 的 大的安全性。 外部想挤破它 是重型卡车夹 生活中唯一能 穿，子弹不仅 逸速度实在是 压天然气 CNG 容易中毒，可 粒， 用最少的 铂需求。 。 它至少要 14 夹饼干的撞击 能弄破这种罐 仅被弹开，甚 是太高了， 最 G， 因为比较 可是其他的催 的催化剂做出 40Mpa 超高 击也无法做到 罐体的方法是 甚至没有在氢 最恶劣的泄露 较重泄露后存 催化剂 最大高压力 到，要 是刺穿， 氢气罐 露情况 存续在21 5.3.7 丰田 Mirai 的使用成本 售价上：丰田 Mirai 在日本售价折合成人民币 30 多万，补贴后价格 20 多万。除了日本， Mirai 也在欧美上
42、市了。 用电成本： 对比特斯拉 ModelS60 池容量 60kWh， 续航里程 390km， 每公里耗电 0.154kWh。 假设使用上海电力 第三档 谷时段充电，那么跑 1 公里的费用 0.154*0.487 = 0.075 元。 丰田 Mirai 加一次氢约 5000 日元， 能跑 500km， 那么跑 1 公里的费用为 10 日元， 以 100 日元换 6 人民币的汇率计算，为 0.6 元。 维护成本： 特斯拉的电池是有使用寿命的， 作为每公里使用成本如果不加上电池的重置成本 是根本反映不出电动汽车目前极其高昂的使用成本， 即看着省油但不省钱； 丰田 Mirai 的核 心燃料电池几乎没
43、有维护成本， 催化剂使用铂金本身也不消耗， 没有电池的重置成本， 其实 每公里 0.6 元的成本并不是很高， 随着氢气制取成本的逐渐降低， 丰田 Mirai 的优势会逐渐 凸显。 另外从质量能量密度上来看，锂电池的理论上限是 300Wh/Kg。但是氢燃料已经做到全系 统 600Wh/Kg， 理论上限是 1-2 万 Wh/Kg， 还有很大提升空间。 另外锂电池对电网的冲击 太大是永远解决不了的， 一辆跑 400 公里的特斯拉， 即便用最快的充电方式也要 75 分钟才 能充满， 这种极快的充电方式不仅对电池极其有害会缩短寿命， 需要的电流更高达 192A （前 40 分钟用 192A 充满 80%
44、， 后 35 分钟需要低电流涵养电池） ， 这种极为夸张的充电电流是 不可能大规模普及的，一台特斯拉极速充电模式的 192A 相当于家用 40 台壁挂式空调，如 果电动汽车大规模普及， 不仅现有发电规模翻几十倍都跟随不上， 更让现有的电网规模瞬间 崩溃。 5.3.8 丰田 Mirai 的不足 不考虑氢气制备运输之类的问题， 其他最重要的几个： 燃料电池永远是需要预热的。 对于习 惯了 杂的 度， 5.4 德国 体的 以金 标准 5.4. H2Y 接电 解决 了扭药匙就开 的装置， 远比 排水，气流 德国 H2YD 国氢能源 H2Y 的系统， 利用 金属固态储氢 准模块，再通 1 氢气的制备 Y
45、DROSOL 公 电解水来获取 决我国“三北 开车的我们来 比锂电池和内燃 流等等。这么 DROSOL 技术 YDROSOL 公 和收集欧洲丰 氢的方式常温 通过固体高分 备 公司利用风力 取高纯度氢气 北”地区不稳 来说，是否可以 燃机复杂， 这 么复杂的一个装 术简析 公司描绘的是 丰富的风能和 温状态下存储 分子型质子交换 力发电机和太 气， 此技术已经 稳定的风电、光 22 以适应 5-10 这个电池本身 装置在恶劣工 是一个集氢制 和太阳能并转 ，并可以做成 换膜燃料电池 太阳能光伏板 经十分成熟 光电再利用。 0 分钟的启动 身需要考虑和 工况使用稳定 制取、氢储存 转化成电能来
46、成比如 2L 大 池（PEMFC 板将风能、太 ， 不具有先进 。 （我国风电 动时间；燃料 和控制的因素 定性依然是需 存、氢发电（ 来电解水制备 大小或者其他 ）将氢气转化 太阳能转化为 进性。 但此技 电、光电以大 料电池是个极 素太多了， 包 需要改善的问燃料电池） 备氢气， 再将 他规格的存储 化成电能。 为电能，再用 技术可以借鉴 大规模集中开 极其复 包括温 问题。 于一 将氢气 储单元 电直 鉴用于 开发为23 主要形态，主要集中在 “三北”地区， 占全国总容量的 83.4%，但风电、光电的波动性、 间歇性和不可准确预测性也给电力系统稳定运行带来了巨大挑战。 远距离输送电时为了
47、调控 和抑制这种大幅波动， 还需建造大型常规能源电站， 投入快速调节电源以平衡风电出力不稳 定的问题， 经济成本极高。 受调峰能力和网架约束的影响， “三北” 地区开始出现弃风现象。 ） 5.4.2 氢气的储存 H2YDROSOL 公司选用金属固态储氢技术，在一定温度下加压，金属大量吸收氢生成固态 金属氢化物，如 LaNi5H6、 MgH2 和 NaAlH4。在需要使用时适当升高温度或减小压力 即可释放氢气。 德国 McPhy Energy， 国内的深圳睿麟科技和北京浩运金能已经将此技术商 用化，但行业内还没有能应用到汽车上的案例。 5.4.3 氢的发电 H2YDROSOL 公司选用国际主流的固体高分子型质子交换膜燃料电池（PEMFC）将氢气转 化成电能， 其先进性无法确定， 目前该技术的商业应用最好的是丰田， 三大核心技术： MEA、 金属双极板和集成封装全部被杜邦、陶氏、巴拉德及丰田等掌握。推测 H2YDROSOL 公司 只是做氢存储与氢燃料电池之间模块化联系和系统集成， 核心的金属固态储氢和质子交换膜 燃料电池技术也是依靠进口。 H2YDROSOL 公司利用金属固态储氢技术将氢气存储在规定大小的标准存储单元内，模块 化方式来实现便利的运输和应用到各种交通工具上这个方式很好， 但是这涉及到汽车产业整 个标准的颠覆重新制定，仅靠一两个公司是无法实现的。 24
