氢能利用的现状及未来发展趋势

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氢能利用的现状及未来发展趋势

发布时间:2022-06-20T08:56:57.611Z 来源:《福光技术》2022年13期 作者: 贾朋

[导读] 氢能是氢的化学能,是世界新能源和可再生能源领域正在积极开发的二次能源。

中国五冶集团有限公司 四川省成都市 610063

摘要:新能源制氢是氢能全过程清洁发展的关键。目前风电及太阳能发电制氢产业基础较好,技术难度相对较低,在新能源制氢产业能够先行一步,成为目前发展的主流。太阳能光催化制氢以及生物质制氢还有待进一步研究。未来我国应加强氢能顶层规划布局、氢能产

业核心技术攻关、开展高效制氢技术及拓宽氢能应用场景,为未来氢能大规模发展打下坚实基础。

关键词:氢能;现状;发展趋势

引言:氢能是氢的化学能,是世界新能源和可再生能源领域正在积极开发的二次能源。氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢气与氧气发生反应,2个氢原子与1个氧原子相结合生成1个水分子,同时释放出能量。由于在氢氧反应过程中不会产生二氧化碳、二氧化

硫、烟尘等大气污染物,同时与太阳能、风能相比,氢能又具有很强的可储存性,因此氢能被看作是未来最理想的清洁能源。目前制氢基

本全部依靠化石能源,使得氢能未能实现全过程的可再生和清洁化。以风能、太阳能为代表的新能源目前发展迅速,将其与氢能结合起来

可以实现全过程二氧化碳零排放。这是氢能成为名副其实的清洁能源的关键,研究新能源制氢对氢能的发展十分重要。

1我国氢能发展现状

进入21世纪,我国氢能产业逐渐加快发展步伐,已初步形成诸多产业集群。京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区,已成为氢能产业的领跑者。我国众多企业积极参与氢能产业布局,在诸多领域逐渐缩小与国外技术的差距。

1.1制氢产业

2020年我国H2年产量约为2500万t。我国煤炭资源丰富,H2生产主要来源于石化和煤化工企业,化石燃料制氢和工业副产气提纯技术制氢量约占全国制氢总量的99%。中国煤炭工业协会数据显示,2020年我国的煤制氢量占比约62%,天然气制氢量占比约19%,工业副产气提

纯制氢量占比约18%,电解水制氢量占比约1%,生物质制氢技术尚未完全成熟,其制氢占比可忽略不计。

1.2燃料电池产业

燃料电池按电解质的种类可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池等。质子交换膜燃料电池具有能源转化效率高、可靠性高、启动快、结构简单及无污染等特点,被认为是燃料电池汽车和固定发电站的首

选。燃料电池由电堆、空气压缩机、加湿器和H2循环泵等系统部件构成,其中电堆占燃料电池成本约60%。电堆由双极板、催化层、扩散

层和质子交换膜部件等构成,其部件的材料

决定了燃料电池的性能和使用寿命。我国致力于质子交换膜燃料电池技术的研究,开展了双极板、催化剂和质子交换膜等关键材料研究。目前,我国已实现石墨双极板自主化生产、金属双极板小规模生产,部分公司已将燃料电池功率密度提升到2kW/L以上。大连化物所

和贵研铂业在低铂催化剂领域做了大量研究,并在降低铂含量方向取得了突破性进展,国内氢燃料电池催化剂的铂载量约0.3~0.4g/kW。我

国在质子交换膜的制作工艺及新型材料上做了大量的研究,已初步具备了质子交换膜研发和生产的能力。东岳集团已将质子交换膜厚度降

低到15μm,但尚不具备大规模量产的能力。

1.3氢能汽车产业

我国对氢能汽车制造的研究几乎与国外同步。2004年,亿华通公司参与《国家氢燃料电池汽车的相关科研》项目,开展氢能汽车的相关研究。2006年,金龙客车与上海交通大学联合研制出了国内第一台氢燃料电池电动公交车。2008年,金龙客车和清华大学共同参与新型

氢能客车的研制,并且成功运行。2014年,东岳集团与加拿大AFCC公司签订了《联合开发车用燃料电池膜电极协议》,打破了国外车用膜

电极技术垄断的局面。2018年,中国一汽首台自主研发氢能汽车成功点火,标志着我国在氢燃料电池汽车领域取得重大突破。随着氢能产

业规模不断扩大,2018年之后国内众多车企开展了氢能汽车核心技术研究,在多个地区建立氢能汽车示范基地。上汽集团与上海市签订合

作协议,结合上海市氢能产业发展规划,积极开展氢能汽车示范项目。东风公司与云浮市、佛山市签署合作协议,旨在研制具有高效率、

高安全性以及全功率的氢能汽车。飞驰汽车在佛山市和云浮市投资建设氢能汽车

制造基地,旨在研制高性能的氢能客车,加快我国氢能汽车商业化运营的步伐。

1.4加氢站产业 加氢站将H2压缩并储存在高压储气罐中,通过加氢机完成加注服务。2020年底我国已建设120余座加氢站,加氢站数量仅次于日本。目前,国内35MPa型加氢站技术较为成熟,仅能满足少部分氢能汽车的加注需求。70MPa型加氢站的储气瓶的材料尚未完全实现自主化生

产,压缩机、加氢机及部分关键零部件依赖于进口,其建站投资成本超千万元。我国仅有如皋神华加氢站、上海驿蓝金山加氢站以及山东

潍柴加氢站等部分加氢站具备35MPa和70MPa两种加注能力。将氢能与石油行业结合,可充分发挥石油行业现有的资源和技术优势,可通

过对现有的油气管网和加油站等基础设施改造升级加快氢能产业布局。中国石油化工集团已建成14座油/氢混合加注站,打通了制氢、储运

和加注等氢能产业。目前,我国在加氢站领域从事核心设备研发的企业较少,导致关键核心技术缺失。加氢站的压缩机、加氢机、储氢罐

等关键设备主要依赖进口,分别占建设成本约32%、14%、11%,设备成本约占建站成本的一半。我国加氢站在运营管理规范方面尚处于初

级发展阶段,一方面加氢站的安全要求、操作流程等缺少统一的标准规范;另一方面加氢站的资质许可条件、关键设备的运行监测等方面需

进一步完善。

2中国未来氢能发展建议

纵观全球氢能发展情况,各国已经将能源转型的首要战略策略制定为新能源开发和利用。我国氢能发展历程较世界发达国家起步晚,一些核心技术依赖进口,整体产业水平较低,技术标准和体系滞后,审批手续和法规不完善,这些都制约了氢能产业的整体发展。根据我

国目前氢能产业发展,情况笔者提出如下建议:1)统筹规划氢能产业布局、加强产业顶层设计要根据最新的国际局势,在各国新能源总体战

略为参考下,梳理出我国氢能产业所面临的的困境和未来需要解决的问题。要重视我国目前产业整体水平与发达国家之间的差距。政府牵

头,明确将氢能产业发展纳入到国家总体战略,带动地方企业和科研院所,研究未来氢能发展规划的总体蓝图,制定产业政策,完善监管

部门职责,建立长期产业激励政策,与研发能力强、有技术资源优势的企业合作推进氢能产业发展。2)攻克核心技术瓶颈、加快实现国产

化。目前中国氢能产业发展的最大瓶颈是核心技术、零部件和设备长期依赖进口。要解决这一问题,中国必须发展技术创新,集中上下游

优势,在氢能储运装备、燃料电池等关键部件上提高国产化水平。持续投资核心技术研发,组织专家学者加强与国际科技合作力度,全面

提升整体产业创新能力,并以龙头企业带动产业技术进步。3)重视氢能产业基础设施建设和下游多元化应用氢能产业发展的关键环节是基

础设施建设。国家可将现有油气基础设施充分利用,搭建氢气长输管道,大力建设加氢站,推进氢能基础设施,并注重氢气储运环节中安

全性和经济性的提高。另外,低碳经济的兴起,氢气未来应用的四种场景,即:长期储能、从蓝氢到绿氢、大规模应用、燃料电池交通工

具。我国可以根据未来长远目标制定战略布局,积极开发氢能下游产业应用新领域。

结束语:

目前新能源制氢在小规模用氢市场有一定潜力和竞争力,这方面市场更关注投资省、供应方便,与外购氢储存和电解水制氢相比,新能源制氢增加了投资、占地和管理的复杂性,成本优势也并不十分明显,因此还需要优化发展,减少成本,重点是降低风电和光伏发电成

本,以利于提高新能源制氢的竞争力。

参考文献:

[1]刘贵洲,窦立荣,黄永章,邹才能,许昕.氢能利用的瓶颈分析与前景展望[J].天然气与石油,2021,39(03):1-9.

[2]张景新,孟嘉乐,吕坤键,王兴艳.我国氢应用发展现状及趋势展望[J].新材料产业,2021(01):36-39.