干货 | 燃料电池

我国燃料电池基础设施建设进入加速期，为燃料电池汽车商业化做好充分准备。加氢基础设施是燃料电池发展的重要保障，氢气的低成本输运也是需要重点攻克的难题，适合燃料电池汽车的高纯度氢气来源也是重要问题。

本文将主要介绍燃料电池的必要材料氢气的制取过程，并分析对比不同方法之间的优劣性。

思考的问题：

1、工业制氢的方法有哪些，他们的原理分别是什么?

2、每种方法各自的优缺点是什么?最优适应情形是如何的?

重要结论

工业制氢包括很多种方法，但都存在着各自的优势和局限性。综合目前工业制氢方式的优劣势及成本考虑，如果用氢装置附近有丰富的焦炉气资源，焦炉气制氢技术是首选的工艺技术方案。我国目前燃料电池车用氢气的实践，焦炉气制氢技术同样是首选。但焦炉气制氢严重收到焦炉气资源的限制。在未来能源结构调整中，焦炉气产量下降，氢气需求猛增，届时焦炉气制氢将难以继续使用。因此，目前工业制氢尚无最佳方案，仍然有待研发。

1、工业制氢方法众多

氢气不仅是重要的工业原料和还原剂，也是燃料电池的必要燃料。随着燃料电池的推广和普及，燃料电池汽车进入成熟市场，氢的消耗量也会以惊人的速度增加。目前工业制氢主要有几种方法：一是采用化石燃料制取氢气;二是从化工副产物中提取氢气;三是采用采用来自生物的甲醇甲烷制取氢气，四是利用太阳能、风能等自然能量进行水的电解。

1.1 化石燃料制氢

化石燃料制氢是传统的制氢方法，也是制氢的老工艺，但仍然离不开对化石燃料的依赖，并且会排出二氧化碳等温室气体，导致燃料电池环保价值降低。一般用于制氢的化石燃料是天然气。天然气制氢的过程是：在一定的压力和一定的高温及催化剂作用下，天然气中烷烃和水蒸汽发生化学反应。转化气经过沸锅换热、进人变换炉使C0变换成H2和CO2。再经过换热、冷凝、汽水分离,通过程序控制将气体依序通过装有3种特定吸附剂的吸附塔，由变压吸附(PSA)升压吸附N2、CO、CH4、CO2，提取产品氢气。

1.2 工业副产物制氢

焦炉气制氢技术是采用变压吸附的工艺，从炼焦行业副产的焦炉气中提取纯氢。其基本原理是利用固体吸附剂对气体的吸附具有选择性，以及气体在吸附剂上的吸附量随其分压的降低而减少的特性，实现气体混合物的分离和吸附剂的再生，达到提纯制氢的目的。

1.3 生物原料制氢

甲醇裂解制氢的工艺过程是甲醇和除盐水按一定的配比混合,加热至270℃左右的混合物蒸汽，在催化剂(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,发生催化裂解和转化反应。

1.4 电解水制氢

氢气还能够通过传统的电解水法获得，但这种方法由于能耗过高，除已建成装置外，已少有新建装置。

2. 各方法优缺点各异，满足不同需求

有上述各方法可知，在工业上目前已经有多种制氢的途径。但是，目前看来，这些方法都存在着各自的优势和局限性。

天然气制氢和焦炉气制氢均适用于大规模制氢，但也均受限于原料的供应，并且具有污染性。在环保方面，焦炉气制氢利用的虽然是炼焦的副产物，但无法去除其中的污染物，而天然气制氢依然需要化石燃料作为原料。相比之下，甲醇裂解制氢具有投资低、建成快、无污染等特点，并且甲醇作为原料可以更为灵活，但甲醇裂解制氢难以进行大规模的制氢。

考虑到燃料电池一旦成为未来能源的主力，对氢产能的要求会与日俱增。因此，天然气和焦炉气制氢难以摆脱对化石原料的依赖，而甲醇制氢的规模很可能难以应付增长的需求。

从经济性上看，制氢的成本很大程度上取决于原料的成本，随原料价格的波动非常明显。就目前的原料价格水平看，焦炉气制氢和天然气制氢成本更低。非民用天然气价格目前正在逐步市场化，2015年11月18日，国家发改委宣布降低非居民用天然气门站价格，每立方米下调0.7元。目前非民用天然气价格大约在2.7至3.0元/m3，制氢成本大约在1.5-1.7元/km3。而焦炉气是焦化企业炼焦过程中产生的副产品，原先都是在作为燃料燃烧后高空排放，现在用于化工原料时价格一般均低于0.4元/m3，因此焦炉气制氢成本可以低于1.39元/km3，较天然气制氢成本更低。2016年6月，甲醇的平均价格为1860元/t，因此制氢成本将超过1.37元/km3。由于甲醇价格波动高，其经济性较天然气制氢没有绝对优势。就目前各种原料的价格来看，焦炉气制氢的经济性较为显著。

综合目前工业制氢方式的优劣势及成本考虑，如果用氢装置附近有丰富的焦炉气资源，焦炉气制氢技术是首选的工艺技术方案。考虑到制氢规模的要求，天然气制氢技术在能够取得天然气资源的情况下也是优选的方案。甲醇裂解制氢的成本波动性大，制氢规模小，但装置成本低，因此适用于间断性、补充性的氢气制造。

从我国目前燃料电池车用氢气的实践看，焦炉气制氢同样是首选。同济大学等承担的“863”电动汽车重大专项燃料电池轿车项目中采用的燃料氢气全部由焦炉气纯化而成。

但焦炉气制氢严重收到焦炉气资源的限制。在未来能源结构调整中，焦炉气产量下降，氢气需求猛增，届时焦炉气制氢将难以继续使用。因此，目前工业制氢尚无最佳方案，仍然有待研发。

3、总结

综合目前情况来看，制氢方式中成本较低，相对成熟的技术是煤焦炉制氢。但是随着技术推进，新能源发电的进一步推广，电解水制氢将是未来成本更低的技术。

我国燃料电池基础设施建设进入加速期，为燃料电池汽车商业化做好充分准备。加氢基础设施是燃料电池发展的重要保障，氢气的低成本输运也是需要重点攻克的难题，适合燃料电池汽车的高纯度氢气来源也是重要问题。

此前的系列科普中，已经介绍了氢气的制取。在本文中，将会为大家介绍氢气制成后的储运问题，其中包括管道运输与专用车辆运输两个部分，并介绍我国加氢站的发展状况。

思考的问题:

重要结论

氢气储运的关键问题在于安全性及成本问题。目前来看，管道运输与特殊车辆运输是性价比较高的两种储运方式。从实际应用上看，长距离运输更适宜使用管道运输，而特殊车辆运输，如鱼雷车等，更加适合于短距离氢气的运输。但不论哪种运输方式，其成本与发展都与加氢站的建设有很大的关系，我国正努力加快加氢站的建设。

1、氢气的主要储存及运输方式

氢气运输一直是阻挡氢燃料运用的一个重大障碍。由于氢气极小的密度以及易燃易爆的特性，现场生产就地使用是最佳的方式。但由于低成本、小规模、灵活分部的制氢方式尚未实现，作为汽车燃料的氢气需要进行贮运。氢的贮运方式主要有气态贮运、液态贮运和金属氢化物贮运。其中前三者是传统的储氢方法，各具有其优缺点。目前加氢站普遍采用的是利用长管拖车贮运高压气态氢气。

不同的储运方式，运输成本与成本又有所不同。如气氢拖车是未来一段时间内的主要运输方式。以200Km运输距离和每天10吨的运输规模来看，成本可达到2.02元/Kg;管道运输运营成本低，运输规模庞大，但投资成本高，且只能点对点，难以成为主流;液氢罐车是未来的重要方向，运输能力是气氢拖车的10倍以上，成本随规模上升而下降。

2、氢气储运-管道运输

2.1 管道运输概况分析

虽然管道运输只能做到点对点，但对于大量、长距离的氢气输送来说，管道运输仍然是最有效的方法。氢气的长距离管道输送已有60余年的历史。目前，全球用于输送工业氢气的管道总长已超过1000公里，直径0.25-0.3m，操作压力一般位1-3MPa，输气量310-8900Kg/h,其中德国拥有208公里，法国空气液化公司在比利时、法国、新西兰拥有880公里，美国也已达到720公里。

国内首条氢气专用运输管道，如石化洛阳炼化济源至洛阳氢气输送管道工程，于2015年10月竣工完成。线路水平长度为25公里，年输气量10.04万吨。管道沿线地形以丘陵为主，地势起伏较大，管道沿线顶箱涵穿越铁路2处，顶管穿越省级高速公路1处、等级公路5处，定向钻穿越冲沟2次、穿越河流1次。

实际上，目前的天然气管道就可用于输送氢气和天然气的混合气体，也可经过改造输送纯氢气，这主要取决于钢管财智中的含碳量，尽量使用含碳量低的材料制成的管道来运输氢气，减少因氢脆现象而导致的氢气逃逸。

2.2 管道运输成本分析

分别对加氢站数量为1个、4个、8个、16个共四种情况计算氢气运输成本。假设加氢站距离氢源点的距离一定，经过试验模拟可知，氢气的运输成本随着每个加氢站规模的增加而迅速减少，但三条曲线基本重叠，说明加氢站数量的增加并不减少氢气运输成本，其原因是增加加氢站需要另外铺设氢气管道，其昂贵的投资使氢气运输成本基本维持不变。根据结果可知，当加氢站规模达到1500Kg/d时，氢气的运输成本大约为6元/Kg。

3、氢气储运-鱼雷车

在所有元素中，氢的重量最轻，标准状态下，它的密度为0.0899g/L，气态压缩高压储氢是最普通最直接的储氢方式，通过减压阀即可将氢气排除和调节排气量的大小。

气氢鱼雷拖车是未来一段时间内的主要运输方式。以200Km运输距离和每天10吨的运输规模来看，成本可达到2.02元/Kg;大部分成本来自于压缩/液化设备、存储设备的投资，对于氢气的短途运输，是一个非常不错的选择。

按照同样的成本分析方法，经过分析，当加氢站数量少时，运输成本可高达4.7元/Kg。随着加氢站数量的增加和加氢站规模的增大，成本逐渐降低，但是在加氢站数量较少时，成本在下降过程中出现波动。这与长管拖车利用效率有关。

4、氢气储运基础设施-加氢站的建设

加氢站的建设不仅与氢气储运紧密相关，而且与燃料电池车的使用也有着密不可分的联系。目前，我国现有加氢站数量稀少，且没有长期规划。据介绍，国内加氢站仅有4个，分别是2006年建成的北京加氢站，2008年建成的上海安亭加氢站，2011年建设了简易的加氢站，2015年最新建成的郑州宇通加氢站。上海安亭加氢站始建于2007年11月，该站主要采用外供氢气，加注压力为35MPa，存储压力为43.8MPa，存储容量为800公斤。截至2015年6月，安亭加氢站累计加注6013次，加注总量为10216公斤。

虽然我国目前尚未制定加氢站建设规划，随着世界各国都启动了加氢站建设，可以预测我国在补贴燃料电池汽车的同时也将进行积极的加氢站布局。

在燃料电池汽车远远未普及的当下，国务院已经为加氢站的设计建造和氢气的运输存储都制订了严格的标准，为未来燃料电池汽车基础设施的建设打好基础。

总结

目前的氢气输运方法中，公路运输的改造成本最小，也是日本正在采用的方法，具有较强的借鉴意义。管道伴输如果成功，将可以极大降低氢气的运输成本，但是目前看距离实际应用仍有一定距离。

我国燃料电池基础设施建设进入加速期，为燃料电池汽车商业化做好充分准备。加氢基础设施是燃料电池发展的重要保障，氢气的低成本输运也是需要重点攻克的难题，适合燃料电池汽车的高纯度氢气来源也是重要问题。

此前的系列科普中，已经介绍了氢气的制取、储运问题。在本文中，将会为大家介绍燃料电池系统的问题，包括其组成、发展状况以及目前主流的燃料电池系统的简介。

思考的问题：

燃料电池系统是由哪些部分组成的?关键部件与技术是什么?

目前国内主流的燃料电池系统供应商情况如何?

重要结论

燃料电池系统的关键部件包括电堆、氢气循环系统、加湿器以及空气压缩机，关键技术包括水热管理技术、低温冷起动、系统的控制技术等。目前在国际上，包括日本、美国、德国，燃料电池的技术已经成熟，下一个阶段，燃料电池的技术主要是集中在降低成本产业化的阶段。国内企业主要依赖国外公司的现有技术并进行深入研究，主要公司有大连新源动力和大洋电机两家公司。

1、 燃料电池系统简介

燃料电池系统是燃料电池汽车最基本的、最核心的部分。燃料电池汽车与动力电池汽车最大的不同是利用了氢氧反应生电。燃料电池系统是主要由电堆、燃料处理器、功率调节器、空气压缩机组成。每一个系统组成部件都有其特有的关键技术，其中电堆技术最为关键。

燃料电池堆。为了满足一定的输出功率和输出电压的需求，通常将燃料电池(FC)单体按照一定的方式组合在一起构成燃料电池堆，并配置相应的辅助设备(BOP，Balance Of Plant)，同时在燃料电池控制单元的控制下，实现燃料电池的正常运行，共同构成了燃料电池系统。用作车辆动力源的燃料电池系统，称为燃料电池发动机。燃料电池堆是燃料电池发动机的核心，BOP维持电堆持续稳定安全地运行。燃料电池发动机辅助系统主要包括空气压缩机、燃料电池用加湿器、氢气循环泵、压力调节器和系统控制单元。以氢为燃料的燃料电池发动机的典型结构如图所示。

燃料电池堆是燃料电池系统的主要元件，包括电极、质子交换膜(PEM)、双极板、气体扩散层(GDL)、端板等部件。其中，电极、PEM和GDL集成在一起成为膜电极(MEA)，它是堆的主要部件。电极是PEM和GDL之间具有电传导性的一层加压薄层，也是电化学反应发生的地方。PEM是阴极催化层和阳极催化层之间的一层薄膜，是氢质子传导的介质，PEM的性能直接影响整个电堆的性能。双极板用于支撑膜电极，并收集单电池电流。所有的单电池通过双极板串联在一起，提供满足车用动力需求的电功率。

燃料电池系统控制技术。燃料电池的耐久性是燃料电池汽车问题的关键所在，而耐久性，很大一部分在于控制系统的问题。经过大量的研究表明，影响燃料电池寿命的关键因素有：动态工况、起动、连续怠速等，这些因素都是通过由系统控制所最终决定的。因此，燃料电池系统控制技术成为燃料电池最为关键的技术之一。

图中燃料电池控制单元包括空压机控制模块、燃料电池系统控制模块以及电池电压监控模块。其中空压机控制箱接收燃料电池控制模块发送的控制信号，同时把反馈信号(如空压机的转速等)发给燃料电池系统控制模块。燃料电池系统控制模块主要根据接受的各种信号，来确定合适的控制参数，并通过CAN总线与车辆管理系统通讯。电池电压监控模块用于监控单池电压，当电压过低时向燃料电池控制模块发送警告信号。通过辅助系统和控制系统的综合作用实现燃料电池系统高效运行，实现能量的最有利用。

2、 国内燃料电池堆：金属极板与单堆高功率

与电机电控相同的地方是，目前国际上主流的燃料电池系统也是分为整车厂自主研发及配套采购两种模式。乘用车方面，已经量产的燃料电池汽车丰田Mirai和本田Clarity都搭载自主研制的燃料电池系统，其他主流车企也在加快研发进程;商用车方面，主要采用配套采购方式，巴拉德是国际燃料电池系统龙头，同时也为国内的燃料电池公共汽车提供动力系统。

大连新源动力(南都电源参股)：

新源动力作为国内燃料电池技术研究程度最深的公司之一，在燃料电池系统的小型化、集成化等方面深入耕耘，与多家国内主流车企形成了稳定的供应关系。待加氢基础设施建设相对完善、规模化效应提升使成本逐渐降低后，国内燃料电池汽车极可能出现类似日本今年一季度的爆发行情。

公司认为燃料电池系统的核心竞争力来源于设计，不论是极板材料的选择、流道的设计，还是层级结构的搭建、算法的建立等。目前公司的燃料电池系统产品覆盖固定式、分布式、通信备用电源等各个领域，功率从5KW-120KW，产品类型齐全。

大洋电机：

大洋电机的燃料电池技术来源于加拿大巴拉德动力系统公司，巴拉德动力系统公司成立于1979年，从1983年开始研发燃料电池，其核心技术在于质子交换膜。1997年公司与戴姆斯-克莱斯勒组建合资企业，共同开发燃料电池汽车市场。2007年至2009年，开始转型发展清洁能源燃料电池产品，并广泛应用于智慧能源解决方案。目前公司的主要产品有：1)质子交换膜燃料电池堆的原始设备和系统集成;2)动力模块，为叉车、公共汽车和轻轨提供灵活的解决方案;3)固定系统，提供一个全面的氢燃料组合电力系统，来支持一系列应用程序。

巴拉德在燃料电池领域具有明显的竞争优势，过去的30年中巴拉德的技术工程投资超过10亿美元，生产了超过200兆瓦的燃料电池堆、240万个膜电极组件和3000个固定式燃料电池系统。现在，搭载巴拉德燃料电池系统的公交车行驶里程超过百万千米，并且为包括丰田、大众、奥迪等在内的全球前八大车企提供了超过500个燃料电池产品和超过1000小时的咨询服务。

签订燃料电池模块组装框架协议，加快公司燃料电池产业化进程。大洋电机利用巴拉德成熟的燃料电池系统技术及自身在电机及混合动力系统的技术优势，与车企进行了燃料电池汽车的紧密合作，尤其在燃料电池客车领域已经获得了较大进展。目前，大洋电机正在建设燃料电池模组组装生产线，巴拉德提供技术支持，该业务短期内面向商用车和物流车，合作的车厂包括佛山飞驰、东风特汽等。

3、 总结

本篇科普，我们详细介绍了燃料电池堆的结构，及国内外燃料电池堆的发展现状。但是，由于燃料电池堆响应速度较慢，因此通常都需要搭配一套电驱动系统形成混合动力系统。

来源： 兴业电新研究，版权属于原作者。