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日本剑指氢能与燃料电池十大关键技术

作者:周杰 来源:电力大数据 发布时间:2020-01-20 浏览:
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2019年,我国氢能发展迅猛,国内能源央企纷纷布局氢能产业,氢能在未来我国能源发展战略中的地位正在逐步显现。然而,我国氢能产业政策依然不完善,氢能产业基础相对薄弱,实现我国氢能健康、平稳发展依然面临诸多挑战。

日本作为东亚能源消费大国,深耕氢能产业多年,并且已经具备相对完善的政策、及产业基础,我们可以透过氢燃料电池发展技术,透析日本氢能产业发展脉络。

周杰系国际清洁能源论坛(澳门)秘书长,该论坛是“一带一路”国家战略中,我国能源央企出海重要对外窗口。他长期从事外交领域工作,对国际清洁能源发展,特别是日本能源体系有深入观察和研究,现为武汉新能源研究院研究员。

2019年9月18日,为实现《氢能源基本战略》和《第5次能源基本计划》所提出的国家氢能发展战略目标,日本继今年3月再次修订了《氢能与燃料电池战略路线图》之后,紧锣密鼓又出台了重磅的《氢能与燃料电池技术开发战略》。技术开发战略重点锁定在燃料电池、氢制备与储运及其氢燃料发电相关产业链以及水电解制氢三大领域,共分为十项关键技术。

燃料电池技术领域开发重点

氢燃料电池种类繁多,但日本燃料电池技术开发重点主要集中在聚合物电解质燃料电池(PEFC)和固态氧化物燃料电池(SOFC)两大类,前者适合汽车动力需求,后者则主要用于工商业发电或储能电源。高效、耐用、成本是实现燃料电池商业化的基础,技术开发的重点目标是:尽可能减少铂金催化剂用量,寻找铂金替代催化剂,燃料电池发电效率达到65%以上。

1、动力燃料电池技术(PEFC):到2030年续航里程由目前的700公里增加到800公里;最大功率密度由目前的3.0kW/L增加到6.0kW/L;乘用车和商务车使用年限超过15年;燃料电池系统由2万日元/kW降至0.2-0.4万日元/kW;储氢系统由70万日元降至10-20万日元,储氢量可以达到 5.7wt%(相当于5kg)。具体目标是:降低铂金催化剂用量(0.1g/kW),开发非铂催化剂或减少自由基生成的催化剂;电解质膜实现高质子导电性、薄型化、低气体渗透率以及高耐久性;降低气体扩散层的电阻率,从目前的5-10mΩ•cm降至1.5-2.5mΩ•cm,提高透气性能和疏水性能;电池隔板具耐久性、电阻低、排水好以及冲压成形工艺优良;密封材料须防止气体通过和冷却液泄露,提高气体致密性;开发能维持100-120℃高温工作性能的催化剂、载体材料及电解质膜;开发极端环境下维持正常工作性能及具良好耐久性的相关燃料技术,如最低启动温度由-30℃进一步降至-40℃等。

2、固定式燃料电池技术(SOFC):到2025年,低压燃料电池系统成本为50万日元/kW,发电成本25日元/kWh;高压燃料电池系统成本为30万日元/kW,发电成本17日元/kWh。具体目标是:燃料电池电堆系统发电效率超过65%(LHV);电堆寿命由目前的9万小时增加至13万小时以上(约15年),并大幅缩短启动时间;提高燃料电池系统的燃料利用率;开发适用生物质燃料等多燃料系统的电堆。此外,燃料电池通用技术还包括:开发燃料电池零部件量产化生产工艺技术;开发燃料电池能源管理系统;制定对燃料电池性能和耐久性进行加速劣化测试的标准和试验模型。

3、辅助设备、储氢罐及相关技术:开发减少碳纤维用量的移动式储氢罐以及其它容器的高效生产工艺;优化包括辅助设备在内的燃料电池系统技术,并降低成本;开发燃料电池用于乘用车之外的新用途。

氢制备、储运与发电相关产业链

技术领域开发重点

氢能源相关产业链包括制备、储运与发电三项技术。尽管制氢方式众多,包括化石燃料重整、分解、光解或水电解等。但日本氢制备技术重点主要放在利用澳大利亚褐煤制氢和国内可再生能源水电解制氢技术上;从储运技术来看,有高压储氢、液体储氢、金属氢化物储氢、有机氢化物储氢以及管道运输氢等多种,但日本将液氢储运技术作为发展重点;纯氢燃料发电是日本未来火力发电战略布局最重要的一项技术,重点是要解决稳定燃烧技术。总体来说,提高能效,降低成本是氢能源相关产业链形成最为关键的要素。

4、大规模氢制备技术:开发高效、低成本的褐煤气化炉设备,褐煤气化制氢成本由目前的几百日元下降到12日元/Nm³;与此同时开发高效的大型电解水装置。

5、储运技术:提高氢液化效率,氢液化能耗由13.6kWh/kg下降至6.0kWh/kg;开发适用低温氢气装运的压缩机;开发成本较低的大型输氢臂;开发适用于氢燃料发电的液氢升压泵;开发适用于大规模海上运输或陆上储存的储氢罐绝热材料和冷却系统;开发超低温地区能够使用的金属材料、树脂材料,并建立相关技术评价体系;提高氢气化或脱氢催化剂的性能,减少甲苯用量,由目前的1.4%降至0.7%;利用余热实现脱氢工艺低碳化,并降低成本;开发电解合成等新型催化剂,降低整个系统成本等。

6、氢燃料发电技术:关键是实现纯氢燃烧发电,重点是开发防止逆火和燃烧振动的技术。具体来说,开发低氮、高效、与氢燃料发电特性相匹配的燃烧器;利用发电余热高效实现甲基环已烷(MCH)和氨等氢载体的脱氢反应,并降低成本。

7、氢加注技术:设定2025年加氢站建设和运维成本控制目标,建设费由3.1亿日元降至2.0亿日元,每年运维费由0.32亿日元降至0.15亿日元。具体目标是:对通过远程控制实现无人值守加注站以及相关设备配置进行风险评估;获取普通金属材料与氢反应特性的数据;延长氢蓄压器寿命,开发新的检测方法,成本由0.7亿日元降至0.1亿日元;进一步提高加注软管及密封材料的耐久性;开发新的温升控制加注协议;根据运营数据分析实现加注站设备规格统一和操作流程标准化;降低氢压缩机成本,由0.6亿日元降至0.5亿日元,与此同时开发电化学或热化学压缩机;开发液氢泵;开发燃料电池卡车等新应用场景下的加注和计量技术;开发容量大、重量轻的储氢容器,陆地储氢罐容量由2500m³增加到50000m³,海上运输储氢罐容量由目前的1250m³增加到40000m³;开发容量大,耐久性强的储氢材料。

水电解制氢技术领域开发重点

水电解制氢主要有碱形电解水技术(ALK)、质子交换膜电解水技术(PEM)、碱性阴离子交换膜电解水技术(AEM)和高温固体氧化物电解水技术(SOEC)等。技术开发总体目标是要求探明电解质材料衰减机理,在降低成本的基础上提高电解水设备的效率和耐久性,并能满足高负荷运转、负荷波动快以及快速启停的需求。

8、水电解制氢技术:(1)在ALK和PEM电解水装置方面,设定了2030年技术开发目标。开发扩大控制电流密度幅度的技术,电流密度由目前的1.0-2.0A/cm²增加至2.5A/cm²;能耗由目前的5.0kWh/Nm³降低为4.5kWh/Nm³;通过减少电解金属用量降低设备成本,其中碱性电解水设备由目前的12万日元/kw降至5.2万日元/kw,PEM电解水设备由目前的25万日元/kw降至6.5万日元/kw;降低运维成本,每年由目前的2.4万日元/Nm³/h降至0.45万日元/Nm³/h;衰减率降低到0.12%/1000小时;降低触媒金属用量,铂金由目前的0.2-0.5mg/w降至0.1mg/w,其它贵金属由目前的0.5-1.5mg/w降至0.4mg/w,电解槽须提高电极等相关材料部件应对负荷变动的耐用性。(2)在AEM电解水装置方面,探明电解质材料、催化剂材料衰减机理,进一步提高其耐用性;开发高效、耐用、低成本的电堆。(3)在SOEC电解水装置方面,提高电堆的耐用性;开发低成本电堆制造技术。(4)在电解水基础技术方面,开发电解水反应解析及其性能评价等基础技术;开发包括辅助设备在内的⼀体化系统优化算法;开发高效、耐用、成本低廉的甲烷气化装置等。

9、工业领域应用技术:重点目标是推广利用绿氢。具体内容包括:评估绿氢燃料替代的经济效益和二氧化碳减排效果;研究氢还原炼铁技术等氢能在钢铁冶炼行业的利用潜力;对氢能产业链进行全生命周期评价;研究利用现有天然气管道输氢的潜力;研究石化企业聚集区的绿氢利用和互相融通技术;开发电能替代困难的高温加热领域实行氢替代的技术;扩大氢燃料的应用领域等。

10、创新技术方向:确定了以2050年为目标的中长期技术开发方向。具体目标是:研究高效电解水、⼈工光合成、膜分离法制备纯氢等新技术;开发创新型高效氢液化设备;开发长寿命液化氢储存材料;开发低成本、高效、创新型的能源载体及其生产技术;开发高效、稳定、体积小、成本低的燃料电池创新技术;开发利用绿氢和二氧化碳合成化学品的技术等。

《巴黎协定》之后,从低碳化社会迈向脱碳化社会的发展目标已成为世界潮流。氢能作为清洁能源不仅广泛应用于交通、建筑、电力、储能等各行各业,而且还为钢铁、石油、化工等生产制造以及高温燃烧等难以脱碳的行业提供了脱碳的有效途径,成为全面实现脱碳化社会目标的重要抓手。对于日本来说,氢能不仅在促进能源多元化和能源安全保障方面多了一种选项,更重要的是成为推动能源结构转型,实现脱碳化社会目标的重要战略资源。因此,日本举全国之力发展氢能产业。2019年度的氢能燃料电池技术研发预算达到5.9亿美元,超过了2018年度的4.2亿美元,远高于欧美国家。此次《氢能燃料电池技术开发战略》的重磅推出,不仅为日本建设氢能社会圈定了破解关键技术瓶颈的重点,还将引领全球氢能与燃料电池技术开发的新方向。

作者丨周杰

编辑丨郭志宏

关键字:氢能

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