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一文看懂中国与国外氢燃料电池产业的差距

2019-06-02 02:15
来源: i能源

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。氢燃料电池是将氢气作为燃料气在催化剂作用下与氧气发生反应产生电流和热量的一种装置。

燃料电池由于其燃料气来源丰富、效率高、无噪声、无污染的优点,从节约能源和保护生态环境的角度来看是最有发展前途的发电技术。下图为氢燃料电池工作原理。

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图1 氢燃料电池发电原理

在燃料电池发电应用方面,由一组电极和电解质板构成的单体燃料电池工作时的输出电压较低,电流密度较小,为获得高的电压和功率,通常将多个单电池串联,组成燃料电池电堆。

具体说,就是由双极板与膜电极交替叠合形成单体电池,在单体电池之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成电堆。

因此燃料电池电堆从组成上分为单电池和端板,单电池由双极板、垫圈/密封圈和膜电极组成(MEA),膜电极又由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成,其中膜电极(MEA)是燃料电池中最为核心的环节。

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图2 燃料电池电堆构成

氢燃料电池产业链中,上游主要为氢的制取;中游主要为氢的储运、加氢站以及燃料电池电堆,电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其他组件构成燃料电池动力系统;下游则是氢燃料电池在交通领域和备用电源领域的应用,主要包括客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。

当前,氢燃料电池产业在我国发展极为迅速,各地都在大力推进,呈遍地开花之势。但是我国多地布局氢燃料电池产业主要以整车组装(目前主要以商用车为主)、示范运营为主,产业中非常重要的储氢及燃料电池等核心技术,我国企业布局较少。

清华大学核能与新能源技术研究院教授王诚曾在一次访谈中谈到:“我们国内有的做电堆的企业号称很大,但所有的原材料都依赖进口,国内公司主要在做组装,买来膜和催化剂,再组装。关键技术和原材料都被国外垄断。”

我国与国外在氢燃料电池产业方面总体来说还是有很大的差距,下表为国内外氢燃料电池产业核心指标的对比,并在后半部分对各个指标进行了简要说明。

表1 国内外氢燃料电池产业核心指标对比

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氢气的制取

目前我国制氢方式主要有化石燃料制氢、工业副产氢和水电解制氢,国外制氢方式和我国制氢种类差别不大。国内大部分的氢气产能来源于化石燃料制氢(煤制氢)和化工副产氢(石油炼化、氯碱副产、乙烷裂解和丙烷脱氢等),国外氢气产能主要是天然气重整制氢和电解水制氢。国内制氢企业主要有国家能源集团、中国石化、中国石油等,国外具有代表性的公司有美国空气产品公司、德国鲁奇、法液空、林德气体等。

从氢燃料电池产业应用方面考虑,氢气的品质至关重要,氢气纯度越高,其燃料电池的效率越高。目前,各种制氢方式中电解水制氢产生的氢气纯度最高,可以达到99.99%。

在电解水制氢方面,我国拥有世界上最大的风能和光伏装机,发电量稳居全球第一,但同时我国每年弃风、弃光较为严重,仅弃风电制氢就可以供100万辆车使用,弃光电制氢可供140万辆车使用。因此我国未来利用可再生能源制氢的空间巨大。

氢气储运

氢气储存方式主要有高压储氢、液体储氢、金属氢化物储氢、有机氢化物储氢等。氢气输送方式主要有气氢拖车、液氢槽罐车以及管道运输氢气。

目前我国储氢主要依靠压缩机将氢气压缩到储氢瓶中,然后利用集装格和长管拖车等工具进行运输,长管拖车运输设备产业较为成熟,储氢瓶压力多为30MPa;国内目前在液氢储氢方面非常薄弱,少量液氢仅用于航天及军事领域,更缺乏液氢槽罐车等运输工具,整体上我国在液氢技术、液氢工厂、相关产业化上几乎都是空白。金属氢化物储氢和有机氢化物储氢均处于实验室阶段;管道运输氢气目前在国内不成熟,中石化曾在2016年在河南省济源市工业园区-洛阳市吉利区建成了氢气管道。

国外主流的储氢方式主要是高压气氢和低温液氢,与我国不同的是,国外的高压气氢压力达到了70MPa,液氢储运也较为成熟,日、美、德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一。

表2 国内外相关公司储氢瓶指标对比

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