氢能及燃料电池技术全景分析-交能网-2019

氢能及燃料电池技术全景分析交能网编Email:Info@jiaonengwang.com2019年02月26日【报告将从各个环节分别介绍氢能及其相关技术、应用及其发展现状，希望读者对氢能产业有个初步的了解。】ConnectingEnergy,ConnectingfutureI关于交能网交能网（www.jiaonengwang.com）是由同济大学毕业生、德国华人新能源协会会员、德国亚琛工业大学能源电力毕业生所组成的能源数据领域专业团队，专注研究中国能源行业，结合国际成熟经验与模式，用实际行动降低行业门槛，为行业客户来电力市场与能源互联网领域的全新工具、信息与服务。作为专业的电力市场信息与数据服务平台，交能网为发电侧、售电侧、用户侧的能源市场参与者提供：基于自然语义分析和聚类推荐算法的电力信息辅助服务、基于信息分析能力衍生的专业能源报告以及战略咨询培训。交能网响应“一带一路”倡议，伴随着中欧合作日益密切的增长，作为中德两国之间能源相关行业对接的一扇窗口，努力打造能源行业人才与企业之间的高质量与高效率的合作支撑平台。同时，交能网作为中国能源市场内信息整合和数据挖掘的专家，团队整合企业，高校和专业组织团体的资源，结合自身跨金融、能源与IT数据分析技术，为市场参与者提供全套的市场调研报告与数据分析 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。此外，交能网旗下公众号，会持续介绍能源电力相关的最新资讯、市场研究和技术分析。更多信息请关注交能网公众号：ConnectingEnergy,ConnectingfutureIII引言：有人将2018年定义为中国氢能发展的元年，在这一年，氢能一天比一天火热，从行业圈内默默的发展，渐渐走近大众的视野，被誉为21世纪最有前景的替代能源，各大企业也都扎堆进入氢能行业，氢能项目也火热得千金难求。氢能迅速的进入大众视野，不是偶然，而是能源转型的必然。新能源发电比例不断在提供，这一发展所带来的潜在的新能源并网问题，导致目前我们在能源系统中迫切的寻找储能和可持续电能发展的可能性。而可持续电力与氢能相结合，为此提供了非常好的切入点。目前氢气主要作为原料应用在工业中，然而氢气的发展却远不止于此，作为公认的清洁能源，氢气可以实现工业、建筑及交通行业的全方面的能源供应。时至今日，氢能作为能源的利用，已初步形成一个全新的氢能产业链。报告将从各个环节分别介绍氢能及其相关技术、应用及其发展现状，希望读者对氢能产业有个初步的了解。声明：本报告旨在为广大读者初步介绍氢能及燃料电池技术产业全景，降低行业门槛，为方便广大读者理解，已避免大量专业术语。本报告仅供学习交流，严禁用于商业用途，如需转载发表请注明来源！ConnectingEnergy,ConnectingfutureIV编写人员策划编辑：陈玉升责任校对：陈玉升版式 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ：陈玉升封面设计：容玮悦本书（报告）内容由以下成员参与撰写：第一章发展氢能意义何在？陈玉升第二章科幻也能成真！细数氢能发展的前世今生陈夏第三章人类历史上第四种稳定的发电技术张启航第四章产氢技术及其成本刘克寒第五章氢气的运输、存储及转换过程张佳琪第六章加氢站的设计和优化有什么意义陈玉升第七章氢能及燃料电池技术在交通行业的应用庄弘第八章氢能及燃料电池技术在工业中的应用刘衍波第九章氢能及燃料电池再建筑领域的应用管文林第十章氢能如何参与能源转型林伟第十一章安全至上—探究氢能的安全性尹华琛第十二章政策为氢能发展护航尹华琛第十三章氢能未来展望陈玉升ConnectingEnergy,ConnectingfutureV目录引言：............................................................................................................................................................III目录................................................................................................................................................................V第一章发展氢能意义何在？...................................................................................................................1引言.............................................................................................................................................................1首先，让我们来看看氢气的特性........................................................................................................2那么为什么要发展氢能呢？.................................................................................................................3氢能利用的前景是什么样的呢？........................................................................................................4氢能发展现状...........................................................................................................................................5小结.............................................................................................................................................................6第二章科幻也能成真！细数氢能发展的前世今生............................................................................8起源.............................................................................................................................................................8氢能的前世今生–发展时间轴...........................................................................................................9氢能驱动汽车–清洁而经济的新燃料的坎坷史.........................................................................16关于氢能思考的新阶段.......................................................................................................................17第三章人类历史上的第四种稳定发电技术......................................................................................19从实验室走向应用................................................................................................................................19燃料电池基本原理................................................................................................................................20燃料电池的分类....................................................................................................................................23燃料电池未来展望及小结...................................................................................................................29第四章：产氢技术及其成本...................................................................................................................31蒸汽甲烷重整制氢（SMR）..............................................................................................................31电解制氢.................................................................................................................................................32第五章氢能运输、存储及转换过程...................................................................................................34氢能的储存.............................................................................................................................................34氢气的运输.............................................................................................................................................35氢能的转化.............................................................................................................................................37第六章加氢站的设计和优化有什么意义？......................................................................................39为什么建设加氢站................................................................................................................................39加氢站发展历史及现状.......................................................................................................................39加氢站设计.............................................................................................................................................41ConnectingEnergy,ConnectingfutureVI加氢站成本及优化潜力.......................................................................................................................46第七章氢能及燃料电池技术在交通行业的应用.............................................................................49引言..........................................................................................................................................................49氢燃料电池混动汽车FCEV...............................................................................................................50FCEV发展阻碍......................................................................................................................................51FCEV发展优势......................................................................................................................................51FCEV示范案例......................................................................................................................................53第八章氢能及燃料电池技术在工业的应用......................................................................................56引言..........................................................................................................................................................56氢气在石油化工领域应用...................................................................................................................56氢气在钢铁工业领域的应用..............................................................................................................57第九章氢能及燃料电池技术在建筑中的应用..................................................................................60引言..........................................................................................................................................................60燃料电池热电联产优势.......................................................................................................................60ENE-FARM家用燃料电池案例分析.................................................................................................61小结..........................................................................................................................................................65第十章氢能如何参与能源转型？........................................................................................................66引言..........................................................................................................................................................66概述..........................................................................................................................................................66氢储能系统好在哪里？又有哪些不足？........................................................................................67那么，上述两种技术区别在哪？.....................................................................................................69两种技术的发展状况...........................................................................................................................70要点总结.................................................................................................................................................71第十一章安全至上——探究氢能的安全性......................................................................................73引言..........................................................................................................................................................73氢能特性.................................................................................................................................................73安全防范.................................................................................................................................................75第十二章政策为氢能发展保驾护航...................................................................................................76引言..........................................................................................................................................................76欧洲..........................................................................................................................................................76美国..........................................................................................................................................................76日本..........................................................................................................................................................77我国..........................................................................................................................................................78第十三章氢能未来展望.........................................................................................................................79ConnectingEnergy,ConnectingfutureVII参考资料......................................................................................................................................................81ConnectingEnergy,Connectingfuture⒈第一章发展氢能意义何在？作者：陈玉升摘要：本文将简单介绍发展氢能的必要性，为大家展示一个简化版的氢产业链模型，分析其未来可能的发展方向及发展瓶颈，希望读者对氢能有个初步的了解。引言随着全球化石燃料消耗量日益增加，人类对环境造成的污染日益严重，能源的清洁化也成了能源供给行业的一个必然趋势，为减少温室气体的排放，一场遍布全球低碳能源革命也正在轰轰烈烈的进行。而这一革命的基石毫无疑问是发展新能源技术，寻找一种作为化石能源替代品的清洁能源。自然界中的清洁能源的资源无处不在，想要将各类能源有效利用起来，却是一个不小的问题。虽然在各地风力发电、光伏早就已经不再是什么新鲜的事物，但是风能、光能作为大自然中无限的资源，却不是能够轻易控制的，由此获得的电能也毕竟是一种看不见摸不着的能量媒质，电能的存储、运输相比实实在在的化学燃料都要困难很多。一个值得努力的方向是，将这些不可控制的能量，转化为一种像化石燃料一样易于存储运输的化学能量载体。于是，人们发现了一种可以将电能，转化为气体的技术：Power-to-X,其中最直接的便是通过水解技术直接获得氢气，由此也拓展了一个全新的行业：氢能产业。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒉氢能应用全景（图片来源：德国于利希研究中心，环境能源研究所）首先，让我们来看看氢气的特性想必学过 高中化学 高中化学教材全套pdf高中化学基础知识填空高中化学选修1全套ppt高中化学学法指导高中化学选修四电化学 的理科生们都知道，氢气是由两个宇宙中最轻的原子组成的气体，无色无味、无毒、易燃，遇到火源，可引起爆炸，燃烧后除了水，什么也不会留下。听到爆炸，可能很多人都会不安，但是实际上我们平时使用地汽油和天然气也易爆炸。相比之下，氢气反而由于轻便，扩散得更快，更不易形成可爆炸的气雾。就算万一不幸泄露了，一般来说，氢气爆炸要达到两个条件，除了要满足氢气的爆炸极限（在空气中体积浓度在4%-75.6%），还要施加静电、明火或混合空气温度达到527℃及以上，才会爆炸，而且氢气的泄露能量和爆炸当量也只有天然气的40%，汽油气的1/22。当然，涉及到作为燃料，热值是也是很重要的一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。氢气的单位质量热值是33.33KWh/kg,是柴油的3倍多。但是由于氢气密度小，在压缩到700bar的时候，单位体积热值是1.3KWh/l;液化的时候，也才2.4KWh,相比柴油的10KWh/l,还是相对较小。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒊那么为什么要发展氢能呢？当前的我国的能源改革主要思想是，大力发展以风光为主的新能源，提高新能源发电比例。然而，新能源发电的波动性会对电网造成一定的影响，造成电网频率的波动，仅靠电池储能的很难实现大量的新能源的消纳。特别是在我国，三北地区的新能源装机容量巨大，但由于当地消纳能力有限，且无足够多的电力外送通道，因此在过去几年装机量快速增长的同时，弃光限电的情况也逐年恶化。除了建设大型的储能电站以外，一个很好的解决方案是：在风光过剩的地区，建设产氢设备，将多余的电力通过电解装置转化为氢气存储。产生的氢气，脱离电能时间上和空间上的限制，相比之下更加便于运输和存储，同时也避免了电网管网的不稳定和扩建，而其本身也够成了一个完整的氢能产业链。首先，产生的氢气一方面可以像天然气一样，长期存储在地下气穴中，或大型的储氢站中，等到需要使用的时候，可以通过管道，或经过压缩，或经过液化由卡车运输至需求点，用于各种用途。氢能产业链（图片来源：笔者自绘，德国于利希研究中心，环境能源研究所）ConnectingEnergy,Connectingfuture⒋氢能利用的前景是什么样的呢？提到氢气的利用，人们最熟悉的便是将氢气作为传统化工生产领域的生产原料。事实上，氢气是一种十分灵活的能源载体，是除了电力以外少有的零排放能量载体之一，燃烧后的产物只有水。氢气作为一种能源载体，在交通、工业和建筑等各个领域的能源供应中都有重要的应用（如上图），结合燃料电池技术，能够大大提高未来低碳能源系统的操作灵活性，足够当之无愧地被称为21世纪的终极能源。然而，大多数氢和燃料电池技术仍处于商业化的早期阶段，并且由于其目前的成本太高，目前正在与包括其他可能替代技术有着强烈的竞争。其中最受瞩目的便是在新能源汽车行业的锂电和燃料电池路线之争。而恰好就在上周，特斯拉迎来特大喜报：盈利3.12亿美元！似乎这场锂电和燃料电池的纷争之中，锂电率先拿下了第一场胜利。但是，需要了解的事实是，虽然锂电技术和燃料电池技术早已有大量研究，但是锂电汽车产业的发展比氢燃料电池汽车产业的商业化发展早了十几年，在过去的几年，提到新能源汽车人们所想到的是锂电池汽车，而氢能源汽车，仅仅是近几年静悄悄的走进了大众的视野。在过去的十几年，汽车锂电池的成本不断下降，而燃料电池汽车的商业化阶段才刚刚开始，短短几年就成为了继锂电之后的第二大新宠。相比于锂电池汽车，氢燃料电池汽车有加氢快、续航持久等优点，比如：氢燃料电池汽车加氢时间一般在3-5分钟，而相比之下，纯电动汽车处于对电池的保护，充电时间少则半小时，多则达数个小时；此外燃料电池汽车的续航能力，也远超纯电动汽车。需要注意的是氢燃料电池汽车，本质上也是电动汽车，只不过是将动力储存在了化学燃料之中，经燃料电池转化为电，其舒适度，不会低于电动汽车。除了在汽车行业的应用，燃料电池也可以应用在工业和建筑行业的能源供应中，横跨电力、供热和燃料三个领域应用。作为一种灵活的二次能源，氢能能够十分有效地将电网、ConnectingEnergy,Connectingfuture⒌热力管网和各类的终端燃料的利用结合起来（见下图），促使能源供应端融合，实现多能互补，提升能源使用效率。比如：•通过大型的燃料电池，可以将氢气再次转化为电能，实现电网的调峰调频；•另一方面也可以以一定比例混入燃气管网，实现与热力管网的耦合；•同时也可作为家庭和汽车用户的终端燃料使用。据了解，目前基于燃料电池技术的家用热点联产设备效率可以达到97%，其效率远高于普通的燃气机组热电联产。氢能耦合各大功能领域（图片来源：氢能及燃料电池利用路线图）氢能发展现状目前，氢能源产业正处于将氢气从工业原料向能源利用初期阶段，其在未来发展目前依旧处在初期的探索阶段，氢气的制造设备、运输设备以及加氢站等基础设施的建设，是发展氢能的第一步，这也是氢能发展即将面临的最大挑战。氢气的基础设施成本在其产业链上的每一的环节都不容小觑。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒍•从生产环节上看，目前的氢气大多数依然来自化石能源制氢，占世界产氢量的96%，而用化石燃料制氢来供给交通、工业、建筑的能源，背起节能减排的初衷，其效率、经济、环保性问题依然突出。而太阳能或风能等可再生能源制氢成本依旧高昂，但目前来看，不断有下降的趋势。•从存储环节上看，虽然加压压缩储氢技术、液化储氢技术、金属氢化物储氢技术和有机化合物储氢技术均取得了较大进步，但储氢密度、储氢安全性和储氢成本之间的平衡关系尚未解决，离大规模商业化应用还有一定差距。从笔者的模型计算来看，这部分的成本在未来有着最大的降低空间。•从运输环节来看，如果想要通过管道运输氢气，目前只能以最多10%的比例与天然气混合输入管网，而单独建造氢气运输管网，从目前的需求量来看，平均成本过高；如果以物流车形式运输，其成本相对较低，但仍然有待进一步降低。•从利用环节上看，加氢站的建设，直接关系到了氢气的普及范围。一方面，氢气用能需求不足，导致加氢站投入平均成本过高、难以大规模铺设；另一方面，加氢站的布局不足，又使得氢能发展严重的受阻，如此形成恶性循环。因此，氢能的利用依旧是面临着诸多障碍，笔者认为，目前的重点更应该是大量投入科研精力，力求实现重大技术突破、降低成本；政府提供政策扶持，度过前期的瓶颈期；同时也要针对现状，提前布局好氢能产业的发展，尤其是大规模制氢设备的选址、储氢洞穴探查、加氢站的布局，同时厘清发展思路和定位，保证氢能的稳定发展。小结作为一种被公认的清洁能源，氢能可以被称为21世纪最具发展前景的二次能源，能够有效解决可再生能源的消纳问题，以解决全球化石能源危机、全球变暖以及环境污染等ConnectingEnergy,Connectingfuture⒎问题。毋庸置疑，氢能发展的一个重要方向，会是在未来的交通、建筑和工业的能源供应方面。为实现我国氢能产业的良好发展，应在不断突破技术、成本壁垒的同时，参考国外成熟经验案例，准备布局氢能产业；同时，以市场为主导，制定合理政策，规划化各环节基础设的建设，保障氢能产业有条不紊的发展。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒏第二章科幻也能成真！细数氢能发展的前世今生作者：陈夏起源1874年，儒勒·凡尔纳(JulesVerne)在他的小说“神秘岛”中将氢称为未来的能量载体。凡尔纳写道，电解可以用来将水分解成氢气和氧气，氢气可以将煤炭-当时最重要的燃料-推出市场。现在，一个半世纪之后，氢作为一种能量载体在某种程度上已经成为现实。目前，氢能可以在工业中大规模使用，但其主要仍然用于石油化学工业原料，玻璃，金属，油脂，微处理器和计算机芯片生产。氢能的开发构思最初来源于一本科幻小说ConnectingEnergy,Connectingfuture⒐目前，全世界每年生产出约6000万吨氢气，其主要来自于天然气分离。这些氢气的能量含量几乎是荷兰总能耗的3倍。大约90％用于生产氨（主要用于生产肥料），甲醇和石油精炼。在欧洲，荷兰是仅次于德国的第二大氢气生产国，估计每年的产量约为100亿立方米。氢能的前世今生–发展时间轴776年氢气首先被英国科学家亨利·卡文迪什（HenryCavendish）认定为一种独特的元素，因为锌金属与盐酸反应后产生氢气。在对伦敦皇家学会的一次示威中，卡文迪什对氢气产生了火花，产生了水。这一发现导致他后来发现水（H2O）由氢和氧组成。1788年法国化学家AntoineLavoisier以卡文迪什的发现为基础，赋予氢气名称，该名称来源于希腊语-“水”和“基因”，意思是“水”和“天生”。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒑1800年英国科学家WilliamNicholson和AnthonyCarlisle先生发现，向水中施加电流会产生氢气和氧气。该过程后来被称为“电解”。1838年瑞士化学家ChristianFriedrichSchoenbein发现燃料电池效应，结合氢气和氧气产生水和电流。1845年英国科学家兼评委威廉格罗夫爵士通过制造“燃气电池”，在实践中证明了舍恩宾的发现。他因其成就获得了“燃料电池之父”的称号。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒒1874年英国作家儒勒·凡尔纳（JulesVerne）在他的小说“神秘岛”（TheMysteriousIsland）中预言性地研究了氢作为燃料的潜在用途。1889年LudwigMond和CharlesLanger试图建造第一个使用空气和工业煤气的燃料电池装置。他们将该设备命名为燃料电池。20世纪20年代德国工程师鲁道夫·埃伦（RudolfErren）将卡车，公共汽车和潜艇的内燃机改装成使用氢气或氢气混合物。英国科学家和马克思主义作家JBSHaldane在他的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 “科学与未来”中提出了可再生氢的概念，他提出“在大风天气中会有电站将剩余电能用于将水电解分解成氧气和氢气。“ConnectingEnergy,Connectingfuture⒓1937年从德国飞往美国的十次大西洋飞行成功后，兴登堡（一种充满氢气的飞船）在新泽西州莱克伍德降落时坠毁。坠机的谜团在1997年得到了解决。一项研究得出的结论是，爆炸不是由于氢气，而是与天气有关的静电放电，它点燃了飞艇的银色帆布外壳，经过处理后成为了固体火箭燃料的关键成分。航空界最惨重的灾难之一：兴登堡号飞艇该系列是世界上体积最大的飞艇，于1937年在新泽西州爆炸，34秒内被烧毁1958年美国成立了美国国家航空航天局（NASA）。美国宇航局的太空计划目前使用全球最具液态的氢气，主要用于火箭推进和燃料电池燃料。1959年英国剑桥大学的FrancisT.Bacon建造了第一个实用的氢-空气燃料电池。5千瓦（kW）系统为焊接机提供动力。他将他的燃料电池设计命名为“培根细胞”。当年晚些时候，Allis-Chalmers制造公司的工程师HarryKarlIhrig展示了第一辆燃料电池汽车：一台20马力的拖拉机。基于FrancisT.Bacon设计的氢燃料电池已被用于为着名的阿波罗号航天器和随后的所有航天飞机任务中的宇航员产生船上电力，热量和水。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒔1970年电化学家JohnO'M.Bockris在密歇根州沃伦的通用汽车（GM）技术中心的讨论中创造了“氢经济”一词。1973年石油输出国组织的石油禁运和由此产生的供应冲击表明廉价石油时代已经结束，世界需要替代燃料。开始用于传统商业应用的氢燃料电池的开发。1974年国际能源署（IEA）成立，以应对全球石油市场的中断。IEA的活动包括氢能技术的研究和开发。1988年苏联图波列夫设计局成功转换了一架载有164架TU-154的商用喷气式飞机，用于操作喷气式三缸液体氢气发动机之一。首航持续了21分钟。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒕1990年世界上第一座位于德国南部研发和测试设施Solar-Wasserstoff-Bayern的太阳能制氢工厂投入运营。1994年戴姆勒奔驰在德国乌尔姆举行的新闻发布会上展示了其首款NECARI（新电动车）燃料电池汽车。1997年退休的美国宇航局工程师艾迪生贝恩挑战了氢气导致兴登堡事故的信念。贝恩证明，氢不会引起灾难性的火灾，而是造成飞艇皮肤上的静电和高度易燃物质的结ConnectingEnergy,Connectingfuture⒖合。德国汽车制造商戴姆勒-奔驰（Daimler-Benz）和巴拉德动力系统公司（BallardPowerSystems）宣布就运输用氢燃料电池进行3亿美元的研究合作。1998年冰岛公布了一项计划，计划到2030年与戴姆勒-奔驰和巴拉德动力系统共同建立第一个氢经济项目。1999年皇家荷兰/壳牌公司通过形成氢分部致力于氢的未来。欧洲第一个加氢站在德国汉堡和慕尼黑开设。2000年BallardPowerSystems在底特律车展上展示了世界上第一个用于汽车应用的生产就绪型PEM燃料电池。2003年美国总统乔治·W·布什在他的2003年国情咨文中宣布了一项耗资12亿美元的氢燃料计划，旨在开发商业上可行的氢动力燃料电池技术，以便“今天出生的第一辆汽车可以拥有燃料电池。”2004年美国能源部长宣布投入3.5亿美元用于氢研究和车辆示范项目。这笔拨款几乎占布什总统12亿美元用于研究氢和燃料电池技术的承诺的三分之一。资金包括30多个领导组织和通过竞争性审查程序选出的100多个合作伙伴。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒗2004年世界上第一艘燃料电池动力潜艇进行深水试验（德国海军）。氢能驱动汽车–清洁而经济的新燃料的坎坷史作为一种替代燃料，氢能已经不是第一次被视为未来潜在的能源载体。自20世纪70年代初的石油危机以来，该项目一直是荷兰和其他地方研究的主要课题。在21世纪的初期，氢能曾短暂的风靡能源圈。当时，氢能的发展重点是将其作为燃料电池汽车的燃料。这种当时萌生的新概念进一步催生了清洁而经济的电动汽车。然而，由于当时电池技术还未充分发展，人们又将注意力转移到燃料电池上，燃料电池在当时被认为具有更大的发展潜力。然而，受限于当时的技术条件，燃料电池的突破还为时尚早，其部分原因是内燃机技术仍然有待改进。在21世纪初的燃料电池和氢气的关注浪潮中，荷兰一度是欧洲的领跑者之一：荷兰是第一个由燃料电池驱动的电动公交车的城市（阿姆斯特丹的CUTE项目）；荷兰拥有第一辆使用氢气的轻型卡车（HyTruck）；而第一艘完全以氢能为基础的运河游船（FuelCellBoat），也是在荷兰开发和建造；在阿默兰岛（islandofAmeland），荷兰也进行了第ConnectingEnergy,Connectingfuture⒘一个氢能示范项目，高达20％的氢与家用天然气网络混合，对区域进行供能。在全球范围内，对于氢能的发展重点主要集中在汽车燃料应用上，而由于荷兰缺乏本土的汽车制造商，氢和燃料电池领域的荷兰公司没有足够的能力来推动国家层面对其的重视而产生突破，因此这些项目都停滞在了发展的平台期。此外，氢能和天然气当时更多的被当作一种过渡燃料。所以在21世纪初，发展和应用氢能的肥沃土壤尚未显现。关于氢能思考的新阶段时至今日，氢能又一次迅速的进入大众视野。只是这一次，氢能的发展重点不仅限于汽车电池和运输应用，而是广泛的针对能源和工业生产的全方面供应。除此之外，由于各国不断地为降低温室气体排放而制定政策目标，这一行为也导致越来越多的人认识到，在可持续性方面，不仅仅是电力系统，燃料领域也面临着巨大挑战。所以，这一系列的综合因素导致了人们将目光逐渐转向氢能。同时，风能和太阳能的发展将会导致大规模的竞争性发电，这一发展所带来的潜在的新能源并网问题，导致目前我们在能源系统中迫切的寻找储能和可持续电能发展的可能性。而可持续电力与氢能相结合，为此提供了非常好的切入点。因此，关于氢能发展的讨论范围已经进一步扩大，并且在不同行业中维度开始相互重叠，但在性质，规模，现有技术和所涉及的各个方面仍存在许多差异：⚫使用氢能作为天然气的无碳替代品，用于工业和建筑环境中的热生产，并且可以作为燃料电池驱动电动汽车，或作为运输行业的新燃料。⚫在新的可持续工艺中使用氢气进行化学产品和材料，合成燃料以及钢铁的低碳生产。⚫使用氢能作为储存或整合太阳能光伏和风电场电能的媒介，以便在太阳能和风能供应有限的情况下使用进行调峰调频。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒙⚫在电力市场上提供辅助服务以保持电网稳定，使用氢能作为可持续电力的运输媒介，可用于解决所需的加固和电力基础设施扩建方面的挑战。ConnectingEnergy,Connectingfuture⒚第三章人类历史上的第四种稳定发电技术作者：张启航近年来，燃料电池逐步走入大众视野。燃料电池技术被称为继水电、火电和核电发电之后的人类历史上的第四种稳定发电技术。它不仅在航空航天和国防应用领域发挥着重要的作用，更逐渐推动着许多领域的商业应用。由于燃料电池技术的固有优势-高效率和低排放，使得燃料电池技术在广泛的应用中具有相当大的潜力。从实验室走向应用燃料电池的原理由德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班于1838年首次提出，并刊登在当时著名的科学杂志[4]。基于尚班的理论，1839年，威廉格罗夫爵士在水电解研究中发现了燃料气体直接电化学发电的现象。燃料电池基本原理（图片来源：Dr.ErichK.Erdle，Grundlagen,StandundPerspektivenderBrennstoffzellen-Technik）ConnectingEnergy,Connectingfuture⒛之后很长一段时间，燃料电池仅处于实验室阶段，由于理论以及材料方面的不完善，一直未能投入实践。直到燃料电池效应发现将近100年后的1932年，弗朗西斯·培根制造出了第一个可以投入实际生产的燃料电池。这之后又过了二十多年直到20世纪中期，达到千瓦级别的燃料电池才得以问世。在同一时期，太空计划的开展成为了燃料电池技术发展的最大推动力。尤其在载人航天领域，除燃料电池外别无他法。从1970年左右开始，燃料电池技术开始应用于更加广阔的领域（最初用于发电厂）。今天，在第一次发现燃料电池现象后将近180年后，燃料电池正在规模化和商业化的路上越走越远。航天飞机及航天飞机中的燃料电池（图片来源：网络）燃料电池基本原理燃料电池的发电原理与电池其实大致相同，实质是燃料气体和氧化剂发生电化学反应，可以看作是另一种“燃烧反应”。燃料电池主要有三个组成部分，阴极，阳极和电解质：ConnectingEnergy,Connectingfuture21•电解质:电解质材料决定了燃料电池的类型•阳极：将燃料分解成电子和离子，通常由铂制成•阴极：将离子转化为水（有时还有二氧化碳），通常由镍或纳米材料制成想必学过高中化学的各位，努力回想下就能想起来：电化学反应主要发生在阴极、电解质以及阳极、电解质的交界处。阳极催化燃料气体的氧化反应（如氢的氧化过程），阴极催化氧化剂的还原反应。由于阴极与阳极间电解质的存在，导电离子将在电解质内进行迁移，而电子将通过外电路进行迁移，在这个过程中产生了电流与电回路，从而达到了发电的效果。燃料电池内部电荷移动（图片来源：网络）虽然燃料电池与电池原理相同，但仍有许多不同之处。在电池中，化学反应的反应物和反应产物都是电池的一部分，而在燃料电池中，反应物（燃料和氧化剂）需要从外界不断供给，而反应产物也需要不断排出。那么这样就会导致一个明显的差异：燃料电池系统的容量与电池不同，在燃料电池中系统容量可以说是有无限种可能，燃料电池的容量是由燃料的多少或者说燃料的储存容器尺寸决定的，与实际燃料电池的性能无关。电池ConnectingEnergy,Connectingfuture22的性能决定了电池的功率及容量，而燃料电池仅仅决定功率而不决定容量。燃料电池中的电化学反应与内燃机不同，不是基于热力循环，因而不受卡诺循环的限制，从而在理论上能够达到很高的效率。在实际应用中，由于各种技术限制以及设备整体的耗能，导致实际的电转化率一般在40-60%，很大一部分能量将转化为热能释放。为了保持燃料电池的正常运行，这一部分多余的热量必须被冷却，以免燃料电池过热。另一种思路，是将所散发的热量进行收集利用，形成热电联供，产生的热量甚至可以进行下游的进一步发电（如涡轮机发电）。在热电联供的情况下，燃料电池的总效率可以达到惊人的80%。根据其面积，单个燃料电池产生的功率范围为几瓦至约1千瓦，电压范围为0.5至1V，通常为0.7V。为了提供更高的电压和功率，必须借助双极板串联许多燃料电池，这就是所谓的燃料电池的电堆。燃料电池电堆可包