关于氢燃料电池的产业思考

时间:2018-08-27      浏览量:2065

    从事氢燃料电池行业这么多年,有很多人常常会问个问题:什么燃料电池?为什么要发展燃料电池燃料电池全球发展的特点如何?
    随着产业不断深入,对这些问题的理解也不断有了更深入的了解下面一一展开来析。
    燃料电池不是电池,这一点要讲清楚,是有一点困难的。既然燃料电池不是电池,为什么叫它电池呢?这个渊源在于日文的翻译:“Cell”这个词,不同的场合下,有不同的翻译法锂电池行业,叫做,把一个个的电芯组起来,叫做Pack“;在太阳能领域里面,Cell叫做,把一个个的片组起来,叫做Module“燃料电池里面,Cell单元,把一个个的电极组起来,叫做Stack”。而Fuel Cell连起来,被直接翻译成了燃料电池比较准确的翻译法可以是燃料单元发电机这里重点是发电机,而发电机的输入燃料,燃料可以是、甲烷(天然气)、丙烷(LPG、液化石油气)、甲醇、乙醇等,燃料通过一个个的发电单元,变成电力输出,这个过程是一个电化学的过程。所以燃料电池可以通俗地被理解为燃料通过电化学反应发电的装置
    既然化学燃料电池的核心,就导致了燃料电池的公认的分类法按照电化学特征来进行的:碱性AFC燃料电池,磷酸型PAFC燃料电池,质子交换膜型PEM燃料电池,固体氧化SOFC燃料电池,直接甲醇燃料电池DMFC等类型是常见的几种燃料电池分类。这些分类依据主要是导电体也就是电解质的不同作为电化学中的导电离子,可以是质子H+氢氧根OH-,碳酸根CO32-,氧离子O2-等,与不同的电解质结合,形成一个选择性通过的通道,从而实现离子的单向流通,电子的反向流通,从而形成直流电。
    这样化学发电机,人们青睐它们的原因何在?是因何而起的呢?最早燃料电池的发展要追溯到太空里的发电应用。在太空里,用电设备需要获得电力,从重量上来讲,氢是能量密度最高的物质,所以很自然地科学家们选择了对氢气发电的研究,纯氢和纯氧在航天器内通过燃料电池发电应运而生,这体现了燃料电池的第一个特征:能量密度高。后来得到比较广泛研究的技术是质子交换膜技术和固体氧化物等技术,前者的发展非常快,尤其是汽车公司介入以后,比较深入地进行了研究,也就成了目前主流的,广为人知的技术。比较有名的是丰田公司的Mirai(未来)汽车,韩国的现代公司的Nexo汽车。此外,数目最多的商品化的产品是家用CHP热电联供系统,在日本已经有超过30万套的基于天然气重整制氢,再去除CO以后,将氢气导入PEM电堆发电的系统,一般功率500-1000W之间。的趋势是加强固体氧化物SOFC技术研究因为该技术的发电效率更高。突出了燃料电池技术发电效率高的第二个优秀特征。燃料电池的第三大优势在于排放少,无论使用纯氢的系统,还是使用重整”Reforming的技术来将燃料中的碳氢键打开,排放均远远优于内燃机此外由于避免了卡诺效应,避免了汽缸的往复运动,减轻了发电系统的噪音,避免了PM2.5排放,能源的使用更加环保!
    燃料电池全球范围的发展很具有地域特征在北美,天然气资源丰富,管道铺设范围广,近年来页岩气的开发也非常迅速,所以基于对天然气的清洁高效利用是该区域在燃料电池方面的研究重点在此背景下,基于天然气重整磷酸型PAFC,熔岩型MCFC,固体氧化物SOFC燃料电池的研究企业较多,在100kW-2MW级别的分布式电站方面,美国处于全球领先地位。北美汽车厂商通用,福特在早期通过和奔驰的联合开发,较早介入燃料电池行业,但在产业化上,并没有很大的投入。在美国,加利福利亚州的氢气加注站发展较快,处于和德国,日本一个水平上,也是世界上氢燃料电池汽车保有量最大的区域
    在日本,由于该国能源主要依赖进口,迫于关闭核电站的压力,需要在能源结构做更新的设计,从进口煤炭,天然气逐步转向多样化能源。目前在进行的一个示范项目是在澳大利亚通过煤制氢,将氢气液化,运到日本,相比之下,效率更高且对环境的影响会更小。作为对天然气进口的补充,氢气进口,有助于日本进行能源结构调整。随着太阳能风能的发展,电解水制氢的成本不断降低,未来社会的可再生能源化会更有利于日本的发展。
    而在德国,其天然气严重依赖进口本土能源有限,早在2003年就开始大力发展太阳能风能等可再生能源,在2011年甚至宣布提前弃核,转而以可再生tt能源替代。在风电资源丰富的北部,大力开展Power to Gas的研究,在天然气管道中加入氢气,这样既可以利用现有的硬件设施,又可以发展技术,逐步实现能源可再生化,实现能源自己。
    中国的能源结构是多煤少油贫气石油的进口依赖度高达65%,随着经济的发展机动车的数量还在不断增加,对石油的需求还会进一步增加。从国家能源安全角度考虑,能源结构多元化是必由之路。汽车能源化,尤其是汽车电动化,是中国在探索能源转型过程中很重要的一步,也成功地对汽车行业的发展起到了影响和引导的作用。中国电力60%虽然还来自煤的燃烧,但是电动车的使用,减少了石油的消耗推动了锂电池的产业的发展,而锂电池行业的发展,又进一步推动了储能行业的发展,使得可再生能源行业发展过程中的短板可以找到相应的解决之道。氢能源的发展,会使得储能多一种可能性,尤其是在中长期的储能方面,体现出相应的优势。于此同时,在中国大力发展并领先全球的是煤的应用技术,经过多年的实践摸索,对于煤的高效利用,已经在超临界电厂,煤化工,煤制油等领域领先世界。作为清洁能源之一的甲醇,在中国获得了长足的发展,应用领域广泛,可以作为化工原料,可以用于火锅燃耗,锅炉取暖燃料市场,也可以汽油柴油混合或单独用于内燃机,更清洁的应用还包括甲醇重整燃料电池等,效率更高,更加环保可以将甲醇看作一种氢的储存介质来看待,并将其视为氢燃料电池产业中的重要一
    解释清楚这三个问题,说明了各种不同的技术,在不同的地域,不同的时期的历史使命和发展空间。燃料电池技术的多元化,一定会在数百年多样化发展,并将各种技术的优势结合应用场景发挥淋漓尽致

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