氢燃料电池及储能技术综述

氢储能系统关键技术及应用综述

目录

一、氢燃料电池基本原理 (2)

二、氢的制取技术 (3)

2.1 碱性电解法 (4)

2.2 固体高分子电解质电解（SPE） (4)

2.3 高温固体氧化物电解（SOEC） (5)

三、氢的存储技术 (5)

3.1 高压存储气态氢 (6)

3.2 低温存储液态氢 (6)

3.3 金属固态储氢 (7)

四、氢的发电技术 (8)

4.1 燃料电池分类 (8)

4.2固体高分子型质子交换膜燃料电池（PEMFC） (9)

4.3 PEMFC的心脏——膜电极技术MEA (10)

五、氢能源的应用 (12)

5.1 氢能源在国外的应用 (12)

5.2 氢能源在国内的应用 (16)

5.3 氢能源在电动车上的应用——丰田Mirai (18)

5.4 德国H2YDROSOL技术简析 (22)

一、

氢燃

把氢

部的氢燃锂电氢燃作用燃料到达新结由于应空氢燃料电池燃料电池是使氢和氧分别供的负载到达阴燃料电池早在电池能量密度燃料电池车的用，氢原子中料电池阴极板达燃料电池阴结合为水。

于供应给阴极空气，并及时把池基本原理

使用氢这种化供给阳极和阴阴极。

在上世纪60年度出现瓶颈，的工作原理是中的一个电子板（正极），阴极板，从而在极板的氧，可以把水（蒸汽）化学元素，制造极，氢通过阳年代就被应用氢能源的优势是：将氢气送到被分离出来而电子是不能在外电路中产以从空气中获）带走，就可造成储存能量阳极向外扩散用在阿波罗登势逐渐显现。到燃料电池的，失去电子的能通过质子交产生电流。电获得，因此只可以不断地提供量的电池。其基散和电解质发登月飞船及潜。

的阳极板（负的氢离子（质交换膜的，这电子到达阴极只要不断地给供电能。燃料基本原理是电发生反应后，潜艇上，随着负极），经过质子）穿过质这个电子，只极板后，与氧给阳极板供应料电池发出的电解水的逆反放出电子通着近代能源问过催化剂（铂质子交换膜，只能经外部电氧原子和氢离应氢，给阴极的电，经逆变反应，通过外题及铂）的到达电路，离子重

极板供变器、

控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。

与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60~80%，为内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源。

氢燃料电池车的优势毋庸置疑，劣势也是显而易见。随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善，然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场所难以承受的。

优势：无污染，无噪音，高效率

二、氢的制取技术

氢气的制作目前有很多方法，但比较常用的方法依旧是煤制氢、天然气制氢、电解水、页岩气制氢。其中美国廉价页岩气制氢成本控制比较好，欧洲挪威、瑞典等国家利用风能、太阳能制氢，日本蓝色能源公司采用生物制氢。

风能制氢以及太阳能制氢虽然不能普及，但是由于氢气比电池拥有更长的保存期限，所以挪威、瑞典等欧洲国家季节性的制氢储存，比如挑选风较大、阳光充沛的季节制氢，氢气保存以待不时之需。当然，很多国家利用核能制氢，俄罗斯等资源丰富的国家电力充沛也会电解水制氢，保存起来出口。

炼油厂钢铁厂也会产生大量氢气，在产能充足的情况下也会外售。

说一个比较典型的例子，澳大利亚国内盛产褐煤，这是一种带有水分的煤炭不易出口，容易

自燃，而火力发电多以烟煤为主。在此情况下，日本川崎重工在当地开始工厂用褐煤制氢，然后用液氢的方法运输到日本国内。澳大利亚对二氧化碳排放要求比较严格，川崎重工则利用CSS(二氧化碳捕获和封存技术)，把这些二氧化碳贮存在海洋深处开发天然气遗留下的洞穴内。川崎重工也与俄罗斯展开合作利用俄罗斯的剩余电能进行能量存储进口到日本国内。日本在氢能源使用方面，利用率已经达到95%，浪费很少。

纯度最高的方式为电解水制氢，是一种完全清洁的制氢方式，技术工艺过程简单。根据电解槽生产技术的不同，电解水制氢方法可以分为碱性电解、固体高分子电解质电解和高温固体氧化物电解 3 种。

2.1 碱性电解法

在碱性电解领域，工业上广泛采用在工作温度（ 70～80 ℃）下具有高传导率的高浓度氢氧化钾溶液（ 25%～30%水溶液）作为电解质。使用铁、镍和镍合金等在电极反应中过电压小的耐碱性材料作为电极。在标准状态下，水的理论分解电压为 1.23V，相应电耗为 2.95 kW·h/m3。但碱性电解中实际电耗达 4.5～5.5 kW·h/m3，电解效率为 53.6%～62%，总制氢系统效率最高仅达 30%。碱性电解虽然对设备投资的要求不高，但是 80%的运行成本都集中于用电上。

2.2 固体高分子电解质电解（SPE）

SPE 中的固体高分子膜承担固体电解质的作用，被用于隔离电极并将质子从阳极运送到阴极，因此在 SPE 中只需供给纯水即可。对于实际 SPE电解水制氢系统，工作温度约为 80 ℃，电解电压为 1.5～1.6 V，相应的电耗为 3.6～3.8 kW·h，电解效率为 77.6%～82%，总制氢系统效率约为 35%。SPE 所使用的固体高分子膜多为全氟磺酸型膜，被水浸润时酸

性较强，为兼顾耐酸性和催化活性，电极中通常加入铂系贵金属，而且膜本身价格昂贵，因此降低 SPE 的成本是当前的重要课题。SPE 可实现高电流密度电解，功耗低，系统小巧，生成的气体纯度高，容易实现高压化，较适于电能来源丰富、价格低廉，尤其是水力、风力、太阳能等可再生能源丰富的场合。

2.3 高温固体氧化物电解（SOEC）

SOEC 采用氧化钇掺杂的氧化锆陶瓷作为固体电解质，高温水蒸气通过阴极板时被离解成氢气和氧离子，氧离子穿过阴极板、电解质后到达阳极，在阳极上失去电子生成氧气。SOEC 在 800～950 ℃下工作，能够极大增加反应动力并降低电能消耗，电解效率高达90%以上，总制氢系统效率可达52%～59%。此法具有优良的性能，但由于在高温下（ 1000 ℃）工作时材料损耗大，且需要持续供给高质量的水蒸气，在目前技术条件下难以规模化。

目前电解水制氢的主要问题是能耗高、效率低。关键技术的突破应集中在减少设备成本、提高电解槽的能源效率以及如何搭建集中式大规模生产系统等方面。

三、氢的存储技术

氢气的运输途径一般有四种，高压氢气、液氢、甲基环己烷MCH、氨。

高压氢气即常用的氢气罐，日本提供700个大气压的氢气罐。加氢站如果采用异地运输的话一般采用高压氢气。液氢适合长途运输，比如川崎重工就可以让液氢损失降低到0.05%，采用大型轮船运输。甲基环己烷是日本千代田提出来的技术，它是通过氢气与有机物产生反应生成氢化物，可以在1个大气压下运输，甚至可以装到矿泉水瓶中，这种情况也适用于长途运输，在资源丰富国家制氢之后运输。运输到目的地之后用特殊催化剂再度提取。 HyGird也提出了液体运输氢气的方法，它采用氢气转化成氨的方法运输，然后再提取。