氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析.doc
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1、氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析摘要:调研了国内外氢燃料电池技术应用现状、存在的主要障碍等,对氢燃料电池技术应用趋势进行了分析,认为目前氢燃料电池技术存在应用成本高、基础设施配套不完善等问题,制约了其技术商业化推广应用。2020年前氢燃料电池技术处于示范应用阶段。随着技术不断进步,造价进一步降低,基础设施逐渐完善,2030年后氢燃料电池技术开始大规模推广应用。初步判断近期我国燃料电池汽车首先在商用车如公交车应用上实现突破,京津冀、长三角、珠三角、武汉等地率先实现规模化推广应用。氢燃料技术快速发展,给能源行业带来新的挑战和机遇。石化企业可在氢气供应、加油/充电/加氢一体化运营以及汽车轻量化材
2、料开发方面适时介入新能源汽车产业链,实现石化产业链的转型与调整。1氢燃料电池基本原理和用途1.1基本原理燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。单体电池由正负两个电极(燃料电极、氧化剂电极)以及电解质组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应,电子通过外电路作功,产生电能。只要有燃料和氧化剂(纯氧或空气)不断输入,燃料电池就能源源不断地产生电能,因此燃料电池兼具电池和热机的特点,具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点。燃料电池根据分类方法的不同分为相应的种类,如按其电解质不同,常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池(PEMF
3、C)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)等。理论上燃料电池的能量转化效率可高达90%,由于在工作时受各种条件限制,目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%60%。当燃料电池以纯氢气为燃料时,其化学反应产物仅为水,从根本上消除了CO、NOx、SOx、粉尘等大气污染物的排放,可实现零排放,同时由于燃料电池生成水的反应是放热反应,在工作中还会产生大量热水、蒸汽,所以不仅可以供电,还可以供暖,同时具有清洁、可靠、能移动、寿命长等优点。此外,只有燃料电池本体还不能工作,燃料电池必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排
4、热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。1.2主要用途早在20世纪60年代燃料电池就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入70年代后,随着技术的不断进步,氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。如今伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡,氢燃料电池主要应用于固定领域、运输领域、便携式领域等三大领域。从市场的观点来看,燃料电池因其稳定性和无污染的特质,既适宜用于集中发电,建造大、中型电站和区域性分散电站,也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源,同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。2氢燃料电池技术应用现状2.1国外技
5、术现状日本和美国是当前燃料电池市场的主要统治者。1)日本自上世纪90年代以来,在政府支持下,由经济产业省推动,日本开展了燃料电池汽车所需的共用新技术、设备的研究。目前日本在燃料电池各主要技术领域处于绝对的领先地位,而且技术最为全面。2014年6月,日本产业经济省发布了到2040年的“氢社会”战略路线图。该路线图指出,日本到2020年主要着力于扩大本国固定式燃料电池和燃料电池汽车的使用量,以占据氢燃料电池世界市场的领先地位。到2030年,进一步扩大氢燃料的需求和应用范围,使氢加入传统的“电、热”能源而构建全新的二次能源结构。到2040年,氢燃料生产采用CO2捕获和封存组合技术,建立起CO2零排放
6、的氢供应系统。2017年12月26日,日本政府发布了“氢能源基本战略”,进一步确定了2050年氢能社会建设的目标以及到2030年的具体行动计划。2)美国美国政府将氢能和燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的、至关重要的、必须发展的技术之一。美国能源部当前的特定目标主要有3个,即从现有的和未来的资源中获取氢能、自由汽车计划、燃料电池研究。美国国防部的研究则主要集中于氢能和燃料电池在军事方面的应用,研究的重点是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。3)德国目前,全球超过70%的氢能和燃料电池示范项目落户欧洲。其中,德国在这项技术的商业化方面处于领先地位。活跃在这一领域的德国公司与科研机构超过35
7、0家。从燃料电池专利申请数量来看,德国排名第三。从技术细节来看,德国重点关注燃料电堆、燃料制备与存储;从技术分类来看,德国和美国一样比较关注固体氧化物燃料电池技术;从技术应用方面来看,德国更为关注燃料电池在车辆上的应用。4)韩国氢能研发是韩国政府“21世纪前沿科学计划”的主攻技术领域之一。韩国政府成立了“氢能研发中心”,该中心针对韩国10年内氢能的发展,将目标分解为3个阶段,每个阶段均涉及氢能生产、氢能贮藏和氢能利用三方面的内容,目前已经进入推广执行阶段。燃料电池研究则在“能源技术研发的10年计划”框架下展开。韩国的专利申请数量排名第四。从专利技术细节来看,韩国关注膜电极组件;从技术分类来看,
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