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氢和燃料电池商业化和技术发展的现状

2019/10/16 14:34:302693

氢和燃料电池为实现国家能源安全和温室气体减排的双重目标提供了一条最有前途的、可持续的、碳友好的途径。在氢和燃料电池技术顾问委员会(HTAC)的这第一份年度报告中，关于氢和燃料电池技术发展和商业化现状， HTAC总结了2008年取得的重要成就。尽管过去的一年一直处于财政危机中，但工业化发展继续去满足近期不断增加的燃料电池需求，并开辟专门的市场，同时，解决运输和固定式燃料电池的应用在技术与制度上的挑战的研究也在进行中。当前已取得的进展让我们确信氢能和燃料电池将会成为“新能源经济”的重要组成部分。 一、2008年的商业化示范项目 工业化进程的发展，继续推动着氢和燃料电池商业化前进的步伐。现将2008年运行的重要商业化示范项目总结如下。 1. 固定式燃料电池固定式燃料电池的大型商业化装置(大于10kW)的数量继续增加。在2008年，燃料电池制造商报道大约50套新的大型固定式燃料电池装置提供分布式电源给用户，包括通信和数据中心，超市，学校，医院，办公大楼和污水处理厂等。世界上最大的燃料电池装置——4.8兆瓦的站内发电量，安装于新的世界贸易中心大楼内，将在2009年初首次交付。固定式燃料电池的可靠性通过提高制造商的保证来得以支撑。固定式磷酸盐燃料电池可提供8万小时的燃料电池堆的保证；熔融碳酸盐燃料电池的制造商报告了在重要升级期间，可提供4万小时典型的运行寿命。固定式燃料电池作为后备电源为燃料电池提供了一个重要的早期市场。燃料电池开始取代常规电池用作电子元件和无线电发射塔以及其他重要通信设施的备用电源。联邦航空管理局和美国国防部宣布将购买45个燃料电池备用电源。

住宅区燃料电池正在成千上万的日本家庭示范推广。作为“住宅区燃料电池广泛性示范工程”的一部分，日本安装了额外的1120台聚合物电解质膜（PEM）燃料电池给家庭提供电力和热水。根据这项计划，自2005年以来，天然气和石油公司共同把超过3300套1千瓦的聚合物电解质膜燃料电池系统投产在日本各地的家庭。这些系统利用丙烷，城市燃气，或煤油作为燃料，据说家庭的主要能源用量可以减少24％，而其二氧化碳的排放量可以减少39％。

丹麦正在示范住宅区热电联供燃料电池。丹麦在2008年推出住宅区示范工程来评估1千瓦的固体氧化物或聚合物电解质膜燃料电池的使用情况，这种燃料电池通过利用天然气或风能产生氢气，以热电联产的方式向家庭用户提供能量。 2. 氢基础设施建设早期氢基础设施项目管理费用的两个主要报告。第一，在其2008年关于氢过渡期的报告里，美国国家科学院估计，建设和运营足够的氢基础设施，以支持2023年540万辆燃料电池车的总的累积成本将达到160亿美元，或者每年少于20亿美元(费用由燃料公司和政府1：1共同承担)。第二，2008年由Oak Ridge国家实验室发表的研究报告，该实验室主要研究早期的燃料电池汽车普及程度和基础设施建设要求，也得出了类似的结论，政府预计累计成本在70亿美元至270亿美元之间，这取决于政策方案对该领域的支持程度。美国运行的加氢站达到58座。在2008年，两个新的加氢站已在美国能源部氢学习示范中心建立，使得美国能源部行业伙伴关系的加氢站总数达到16座。美国加氢站数量最多的州是加利福尼亚州（26座），加州燃料电池合作公司（CaFCP）报告另外10座加氢站也已被委托待建。可再生氢能的开发建立了两个新的加氢站。由石油公司英国BP、福特及美国DOE（能源部）共同合作实施，美国萨克拉门托市政公用区建立了第一座太阳能电池加氢站，通过使用太阳能发电来电解水制氢。加氢站建设也在加利福尼亚州奥兰治县进行，第一次利用城市垃圾和污水处理厂产生的沼气来获得完全可再生的三种产品（热能，动力，氢燃料）。

氢能汽车加氢经验越来越丰富。根据美国主要的工业氢供应商的资料统计，迄今为止总共有8万辆氢能汽车加氢，而且正在16个国家以3万辆/年的速度增长。目前大约75%的加氢发生在美国，氢能汽车用户称氢的加注过程跟汽油的加注过程没有很大的差别。

3. 氢能的储存研究表明氢能的储存在高峰电力上具有竞争优势。国家可再生能源实验室（NREL）进行了初步的经济性研究表明，公用事业规模的氢能存储系统对一些发电调峰资源可提供具有竞争力的替代储能方式（如果美国能源部的技术达到目标）。示范项目探讨了氢具有能使来自风能和太阳能的间歇性能源连续使用的潜力。可再生能源实验室和Xcel能源的合资企业研究的Wind2H2项目进入第二年的运作。该项目正在探索可再生能源和氢共同生产的系统集成问题，其目标是提高系统的可靠性，调度能力和在发电高峰期将可再生能源用氢来储存的经济性。然后氢可以在需要时被转换为电力，或作为汽车燃料使用。 4. 燃料电池汽车（小轿车和公共汽车）本田和通用的燃料电池汽车交付给消费者。2008年，最新一代的本田和通用氢燃料电池汽车（HFCVs）作为有限的商业化示范工程的一部分，冲击着商业化之路： ——通用汽车公司的项目放在100辆雪佛兰春分氢燃料电池汽车上，主流客户位于纽约，加利福尼亚州和华盛顿特区。到2008年年底，雪佛兰的氢燃料电池车队已通过了行驶50万英里的一个里程碑。类似的项目于11月在欧洲启动。 ——本田在日本和加利福尼亚州推出了它的Clarity HFCV，并选择客户，以推动这些车辆的日常使用。目前总共有6辆Clarity燃料电池汽车在加利福尼亚州的道路上行驶，计划到2011年夏总数将达到200辆。Clarity燃料电池汽车的氢燃料效率相当于每加仑汽油(gge)行驶72英里。 ——客户都看好这两种产品，并要求参与这项计划，需求量远远超出了燃料汽车的供应量。日本政府开始租赁氢燃料电池汽车。2008年9月，丰田公司宣布，它已开始以每月7700美元的价格租赁最新的氢燃料电池汽车给日本政府，租赁期超过30个月。这一计划虽然代表不了HFCV更高产量时的成本，但却表明了日本政府购买氢燃料电池汽车初期费用的意愿。现有的混合动力汽车继续发展。2008年，由30辆受人瞩目的氢燃料电池汽车组成的福特车队累积运行里程超过100万英里。至2008年底，美国能源部学习示范项目的第一代氢燃料电池汽车运行记录也超过150万英里。燃料电池公共汽车提供了一条公共交通低排放的途径。奥克兰和加州的交流转变氢燃料电池公共汽车的成功示范，表明巴士车队经营者的早期开发可以产生气候效益，并且能够提高以柴油为动力的公共汽车66%的效率。三辆燃料电池公共汽车在2008年北京奥运会上运送中国和国际运动员。 5. 其他移动应用燃料电池在要求集中的货物处理时替代传统的电池非常有吸引力。美国国防后勤局开始努力配置四个大型配送中心的约100辆燃料电池叉车。由于考虑到生命周期成本和运行效益，需要大批量运行的私营公司，包括杂货店，轮胎制造商和物流公司，也宣称要配置新的燃料电池叉车。

德国财团推出世界上第一艘氢燃料电池驱动的客船。第一艘“Zemship”（零排放船舶），将在德国汉堡的阿尔斯特湖投入固定的航线服务。“Zemship”使用两个48kW的海上燃料电池和一个铅凝胶电池的混合动力系统来驱动船只。每次可以搭载100多名乘客，而且效率几乎是柴油的两倍。燃料电池辅助动力装置为拖拉机挂车提供低排放的“旅馆式动力”。德尔福公司和Peterbilt汽车公司展示了德尔福固体氧化物燃料电池（SOFC）辅助动力装置（APU），该装置用来给Peterbilt卡车的电池充电，同时供应平均800瓦的电力给驾驶室和卧铺的空调，通信，以及10小时的照明（当柴油发动机关闭时）。 6. 2008氢能巡展美国氢燃料电池车大规模巡展。9家汽车公司在两个星期内展览了他们的氢燃料电池汽车，一共经过了美国18个州的31个城市。

——这次氢巡展由运输部（DOT），加利福尼亚燃料电池合作公司，能源部，以及国家氢能协会组织，同时与汽车和氢供应商参加者和主办机构合作举办。 ——这次活动电视观众超过860万人，并且超过1600名公民参与试驾，包括40个地方，州和联邦官员以及国会议员。 二、2008年氢与燃料电池技术进展 在工业界、政府和公众/私人合作伙伴的共同倡议下，2008年报告了重要的氢和燃料电池技术进展。这里总结了一些最令人鼓舞的技术进展。 1. 氢的生产与分配分布式制氢为供氢在成本竞争上提供了一种近期的选择。甲烷水蒸汽重整制氢分布式系统，过去几年发展到在加氢站生产小规模的氢（<500千克/天），现在已经开始商业化。这些系统向规模扩大至1500千克/天的的发展迈出了重要的一步，这将使氢气能以低于相当于每加仑汽油3美元的价格生产。如果氢气用于燃料电池汽车，行驶一英里的动力费用要低于相当于每加仑汽油1.5美元，因为氢燃料电池汽车的效率大约是传统内燃机车辆的2倍。

小规模电解槽为电力制氢提供了一种近期选择。分布式电解水制氢也正在进行商业化推广。高产量（1500千克/天）的分布式制氢成本是4.8美元/gge，或者是每行驶一英里2.9美元/gge。长远来说，电解水制氢应该和间歇性的可再生能源结合起来，例如风能和太阳能，用于燃料电池汽车和用作能量储存介质去缓冲间歇性能源。

新的低成本管道材料的开发能够实现低成本长距离输送大量氢气。现在广泛用于石油和天然气输送的纤维增强聚合物管道（FRPP），有可能显著降低氢的管道输送成本，它与标准钢管的成本相比是60万美元/英里比上100万美元/英里。Oak Ridge和萨凡纳河国家实验室的测试显示FRPP的泄漏和渗透率都相当于或优于钢管。核能制氢取得了进展。美国能源部下属的爱达荷州国家实验室(Idaho National Laboratory)初步试验后，通过高温电解(HTE)以5立方米/小时的速度制氢。萨凡纳河和桑迪亚国家实验室团队也报告称，利用太阳能或高温核反应堆制氢取得了初步的成功。 2. 氢的储存带有储存罐的氢能汽车在行驶范围上与目前的汽车相比具有竞争优势。主要汽车制造商宣称他们计划使用碳高压储存罐去储存氢气，压强为5000-10000磅每平方英寸(psi)。丰田公司声称，在SUV样车里使用10000psi的储存罐，不损害其运货能力，行驶472英里的里程是完全可以实现的（根据日本JC08里程测试周期估算）。本田报告称他们的轿车样车使用5000psi的储存罐，行驶280英里的里程是可以实现的（根据官方环保署估算的里程），同时还保持13.1立方英尺的货舱空间和100立方英尺的乘客空间。重量，成本和加注时间仍然是用储存罐存储氢气技术的挑战。新型的高能量密度储存材料正在研发。美国能源部正在支持大规模的基础和应用研究，通过国家氢能储存项目，寻求新型的低体积/低质量系统的储氢材料。卓越团队中心已经生产出大量高储存容量、优越的能量利用率和适用于车辆应用的材料。尽管仍然没有任何一种材料达到美国能源部的技术目标，但是也已经开发了令人鼓舞的材料，包括高容量的金属硼氢化物，金属氢化物纳米管，alane，胺硼烷的复合物，“复合型”金属和硼掺杂吸附剂，高比表面积金属有机骨架材料（MOFs），和新的室温吸附剂，如金属催化碳和MOFs。 3. 燃料电池最近分析出车用燃料电池系统成本为73美元/kW。技术的发展使80千瓦的车用聚合物电解质膜燃料电池系统成本估算下降。利用2008年的成本估算模型，预计每年50万台的生产量，从2007年的94美元每千瓦下降到2008年的73美元每千瓦。2015年的目标是30美元每千瓦。研发出了一些有前途的减少或消除铂含量的技术。主要的研发人员继续研究降低铂含量来降低燃料电池成本的技术，为了大幅度降低铂的总含量，甚至消除铂含量，出现了一些创新的方法。虽然仍处于初期阶段，但这些新的发展预示着大幅削减成本的可能性。车用燃料电池寿命提高，走近商业化目标。许多燃料电池制造商宣称在燃料电池寿命提高上取得了重要的进展（主要是膜的使用寿命问题）。大多数汽车燃料电池制造商公开声称电堆能运行2000小时，一些制造商私下表示能运行5000小时，相当于供汽车行驶15万英里的使用寿命。2008年，3M公司日前宣布，他们的膜电极装配，与电堆耐久性有关的核心组件，负载循环运行超过7300小时。Plug Power宣称，他们为叉车工作周期设计的燃料电池电堆运行达到10000小时。这些都是车用燃料电池走向商业化的重要一步。燃料电池汽车冷启动技术取得了很大进步。几乎每一个主要的燃料电池制造商都已表示，防冻和冷启动问题已得到圆满解决。例如，2008年Nuvera在-20℃（-4OF）的状态下只用了30秒汽车就启动至50%。高温膜的研发提供了简单且低成本的系统路径。高温膜的研发已经取得了突破，使聚合物电解质膜燃料电池能在120℃工作，远高于常规膜80℃的限制。高温膜能在干燥的状况下运行，减少了加湿成本，同时方便了散热，可以减少对冷却系统的需求。 4. 安全/规划和标准氢作为燃料使用继续被证明是安全的。日本的研究表明，在加氢系统中氢气的缓慢泄露对氢气着火只构成很小的危险。纽约加氢站怀特普莱恩斯的一场压缩机组火灾，展示了为快速控制火灾设计的安全系统，结果没有人身伤亡，财产损失也降到了最低。先遣急救员培训项目已涉及氢和燃料电池汽车事件的发展。在美国，通过氢行业、州和联邦政府资助的培训项目，7000多名先遣急救员进行了氢安全程序培训。在美国和国际上，氢的规范和标准取得了重大进展。例如，美国交通部的管道和危险材料安全部门（PHMSA）发布了最后的规则，允许交通运输的燃料电池和广泛的燃料作为随身携带的行李带上美国客机。这条新规则还规定了燃料电池和燃料电池盒由公路和铁路，以及国际海洋散装运输提供日常货物运输。 三、氢和燃料电池的财政大气候

2008年，氢和燃料电池技术和产品的创新投资环境变得更具挑战性。2008年的前9个月，汽油（实际上是所有石油产品）价格的飞速上涨，为融资选择替代燃料比如氢创造了有利条件。然而，第四季度的全球经济危机导致了油价大幅度减少，这反而使大家的关注远离了能源问题，至少在短期内是这样的。关于氢和燃料电池行业财政状况的表现有以下这些：

1. 消极的迹象 ——2008年没有首次公开募股的氢和燃料电池领域的公司（IPO’s），许多关于氢和燃料电池领域的小型上市公司正面临着严重的财政压力。私人股本/在该领域的风险投资市场几乎关闭。 ——由于受到世界金融危机的重创，汽车公司宏伟的HFCV计划前途未卜。 2. 积极的迹象 ——发起了一个新的欧洲燃料电池和氢联合技术倡议（JTI），这可以部分抵消来自金融界的可怕消息。JTI标志着一个强有力的承诺，即通过欧洲共同体把氢和燃料电池技术推向市场。JTI筹集的资金超过十亿欧元（12.7亿美元）。另外500万欧元（637万美元）的资金通过德国NOW计划获得。 ——在美国，联邦为燃料电池装置投资税收抵免延长至2016年，并增加至3000美元/kW（或成本的30%，以较少者为准），作为2008年经济稳定紧急法案的一部分。 四、氢和燃料电池倡议的主要报告 2008年，在氢和燃料电池领域开展了许多重要的研究，导致关于氢和燃料电池进展和潜力的具有里程碑意义的报告发表，特别是在轻型汽车的应用方面。其中： “Transitions to Alternative Transportation Technologies – a Focus on Hydrogen”，由美国国家研究理事会发表，以回应国会在2005年能源政策法案中的要求。国家科学院两个氢系列报告中的第二个，即2008年的报告充分支持氢能汽车是实现轻型汽车二氧化碳大幅减排和汽油用量降低的根本要素。这项研究还强调了“实质性和持久”的重要性，鼓励并确保政策的目标是政策要随着时间的推移而变化，以满足现实的需要。 “The Future of Hydrogen: An Alternative Transportation Analysis for the 21st Century”，一个由全国氢能协会主持的补充报告，得出的结论和国家科学院的研究很相似。 “Effects of a Transition to a Hydrogen Economy on Employment in the United States”，一个由美国能源部向国会做的关于在该领域创造就业机会潜力的报告，臆测如果氢和燃料电池系统发展迅猛，那么到2050年可能创造多达67.5万个新职位。

“Hydrogen Fueling Infrastructure Assessment”，在2007年年底，通用汽车和壳牌公司就国家氢能基础设施分阶段建设需求，共同发表的精辟分析报告。该报告在2008年得到广泛的讨论，明确“氢能基础设施问题”并不像许多人想象的那么艰巨。

“Vision for Roll-Out of Fuel Cell Vehicles and Hydrogen Fuel Stations”，这份来自加利福尼亚燃料电池合作伙伴的前瞻性文件，为加州氢能基础运输系统的铺设提供了明确的路线图。

“HyWays – the European Hydrogen Roadmap”，这份有影响力的报告，由欧盟委员会于2008年2月发表，指出到2050年，氢能的使用可以减少欧盟道路交通运输石油消费量40%。这份报告引出了上述的欧盟联合技术计划（JTI）。

“Analysis of the Transition to Hydrogen Fuel Cell Vehicles and the Potential Hydrogen Energy Infrastructure Requirements”，这份研究报告由Oak Ridge国家实验室发表，涉及氢燃料汽车和氢的生产和部署，以及供应基础设施需要来支持那些氢能汽车。

在氢和燃料电池技术顾问委员会看来，氢气和燃料电池领域在2008年取得的成就是非常值得关注的。由许多著名的组织所进行的独立分析指出了氢和燃料电池在“新能源经济”中的重要性，明确了工作重心是把2008年的良好势头持续到2009年甚至以后。