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氢能与燃料电池国际发展态势分析

作者:岳芳 郭楷模 陈伟 来源:智强战略咨询 发布时间:2021-12-28 浏览:

中国储能网讯:氢是清洁、高效、零碳的能源载体,已被公认为是未来技术、产业竞争新的制高点之一。氢作为能源转化交联的媒介,有助于实现一次能源侧的多能互补以及二次能源侧的多能源高效转化和供需互动,尤其能够通过可再生能源电力制氢实现波动性可再生能源的时空转移,促进可再生能源的大规模并网。燃料电池作为其最成熟的应用方式,能够促进交通、工业、建筑等领域的电气化,其与氢气的结合能够提升能源系统灵活性,加快实现能源体系中多能源融合互补的新形态,在构建现代能源体系中发挥关键作用。全球主要国家都极为重视氢能与燃料电池的发展,将发展氢能和燃料电池提升到国家能源战略层面,相继制定发展规划、路线图以及相关扶持政策,并开展技术研发和试点项目,探索加快产业化发展途径。

1、主要国家战略布局

美国早在1970年代就提出氢经济概念并推进研发工作,2000年代初期出台了一系列规划文件,从战略到战术层面提出了到2040年实现氢经济、形成以氢能为基础的能源体系的目标。美国能源部(DOE)于2016年提出“H2@Scale”重大研发计划,持续资助氢能研发项目以解决氢能规模化应用面临的技术问题。2020年11月,DOE发布《氢能计划发展规划》,明确了氢能关键技术的近、中、长期技术开发选项(图5-1)。2021年,DOE推出了氢能攻关计划,提出到2030年清洁氢成本降低80%的目标。

图5-1  DOE“氢能计划”发展规划中明确的氢能技术开发选项

欧盟将氢能和燃料电池作为优先发展的战略高新技术,2004年就成立欧洲氢能和燃料电池技术平台以规划未来发展重点,2008年起启动“燃料电池与氢能联合行动计划”(FCH-JU)及其二期计划持续支持相关技术开发。2019年,欧盟提出了面向2050年氢能路线图和面向2030年研发实施规划(图5-2),2020年提出氢能战略推进到2050年实现可再生能源制氢技术的大规模部署。

图5-2  欧盟氢能路线图及研发实施规划要点

日本大力构建氢能社会以促进能源结构转型,提升能源自给率。2017年,日本发布《氢能基本战略》提出到2050年实现氢能社会。2019年,日本更新氢能路线图提出到2030年的技术和经济指标,同年发布《氢能与燃料电池技术开发战略》确定了优先研发事项(图5-3)。2021年6月,日本在《2050碳中和绿色增长战略》中提出了氢能产业到2030和2050年的关键发展目标和重点任务。

图5-3 日本氢能路线图和技术开发战略要点

2、关键前沿技术及发展趋势

氢能与燃料电池领域主要涉及制氢、储氢及燃料电池技术。目前大规模应用的制氢技术以化石燃料制氢为主,存在碳排放问题;储氢方式主要是高压储氢和低温液态储氢,储氢效率不够高;燃料电池以熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池为主,存在成本过高、稳定性不足和寿命问题。绿色制氢技术、新型高效固态储氢技术及先进燃料电池技术将是未来的研究热点。

绿色制氢技术主要有可再生能源电解水制氢、生物质制氢和光催化制氢等。其中,电解水制氢技术相对成熟,是当前研究界和产业界关注的重点技术。碱性电解制氢发展最为成熟,但其启动速度较慢且功率调节范围较窄,难以适应太阳能和风能等可再生能源电力的波动性。质子交换膜电解制氢已经进入商业化导入阶段,采用贵金属催化剂阻碍了其大规模使用,主要研究重点在于开发活性高、耐久性好的低贵金属载量或替代催化剂。固体氧化物电解制氢效率高,无需采用贵金属,但过高的运行温度对材料耐用度和运行持续时间造成了挑战,研发重点集中在降低材料运行温度、提升材料耐用性等方面。生物质制氢方面,尽管已有一些生物质气化示范工厂,但总体仍处于研发阶段,受到工艺复杂以及缺乏大量低成本生物质原料的限制。光催化制氢技术主要有光电化学池、光助络合催化和半导体光催化等,研发关键在于开发高效、稳定、宽光谱响应的光催化剂,解决光生电子-空穴对快速结合、可见光吸收能力差、光催化活性低等问题。

储氢技术可分为气态储氢、液态储氢和固体储氢三大类。金属有机框架材料(MOFs)储氢、金属氢化物储氢和有机液体储氢等方式具有储氢密度大、安全环保等优点,是有应用前景的高效储氢技术。MOFs具有产率高、结构可调、功能多变等特点,研究热点集中在孔隙率高、孔结构可控、比表面积大、化学性质稳定的储氢MOFs材料。金属氢化物储氢已开发出多种体系,研究关键在于通过球磨、纳米结构、薄膜、掺杂金属、使用催化剂和添加剂以及改变热力学参数等手段,提高金属氢化物的氢化和脱氢反应速率。有机液体储氢可用于大规模、远距离储存和运输,研究聚焦于提高脱氢效率、降低脱氢温度、优化催化剂活性及降低成本等方面。

先进燃料电池技术如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等,是目前最具商业前景的燃料电池类型。PEMFC研发重点聚焦于开发高温非水运行条件PEMFC以及开发非贵金属催化剂,例如阴离子交换膜是应用非贵金属催化剂、降低燃料电池成本的可行方向。SOFC研究仍需进一步降低工作温度,同时提高电池的电化学性能,质子陶瓷电解质、钙钛矿纳米复合电极材料等是有前景的方向。

3、我国发展现状及对策建议

我国对氢能的研发起步较晚,2016年发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》提出了氢能与燃料电池技术领域的近、中、长期发展目标和路线图。科技部先后启动“新能源汽车”试点专项、“可再生能源与氢能技术”重点专项、“氢能技术”重点专项等重大研发项目,支持氢能关键技术研发和试点示范。然而,我国缺乏专门针对氢能的顶层规划,在氢能关键技术、工艺和材料上均存在短板,氢能使用成本仍然过高,限制了其规模化发展。具体建议包括:

(1)出台氢能与燃料电池发展顶层设计规划,为氢能发展构建宏观路线图,并完善相应的政策环境。

(2)加大对氢能相关技术的研发投入,建设国家级科研平台,推进开展规模试验、数据收集、技术改进、工程示范,积累基础研究和示范经验。

(3)在考虑能源系统整体规划和区域布局的前提下,有序推进储运氢、加氢站等基础设施建设。

(4)在边远地区、弃风弃光严重地区、氢能资源丰富地区等建立清洁氢能源系统试点,为未来能源转型提供先进经验。

本文摘选自《国际科学技术前沿报告2020》“第5章 氢能与燃料电池国际发展态势分析”。

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