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氢和燃料电池商业化和技术委员会2009年度报告

2019/10/16 12:03:301669

2009年氢和燃料电池行业取得了重大进展，特别是考虑到艰难的经济环境，美国能源部氢能源计划预算的不确定性，以及大部分行业依赖的政策框架制定的相互推诿。由美国国家科学院(NAS)、国际能源机构(IEA)和其他单位的独立研究清楚地表明氢和燃料电池的发展潜力是真实的——以氢为基础的解决方案对帮助国家实现其温室气体减排目标和减少对外国能源的依赖具有重要的意义。今年世界范围内的示范项目对燃料电池预期性能的确认令人鼓舞，这些性能包括行驶里程、效率、耐久性和目前车载储存技术的充足性等。未来氢和燃料电池发展的挑战主要是来自技术系统，对于那些挑战，国家领导人有必要提供重点去使最清洁和最丰富的能源选择不断前进，成为一个国家的能源投资组合战略的重要组成部分。 一、2009年的商业化部署 在政府鼓励措施、不断增加的燃料电池使用记录和成本降低的推动下，燃料电池的销售额正在节节攀升，特别是在固定式电源，备用电源和物料搬运应用上。Fuel Cell Today 估计2009年燃料电池单元的全球出货量约24000个，与2008年相比增长了41%。现将2009年燃料电池商业化部署的要点总结如下。 1. 发电和电网支援 用来发电和电网支援应用的兆瓦级燃料电池系统的需求正在增加。康涅狄格州公共事业委员会批准了在5个独立的并网工程中，建立9座燃料电池发电厂，其中的熔融碳酸盐燃料电池由燃料电池能源公司（FCE）生产，共计27.3兆瓦（MW）。在韩国，浦项制铁公司（POSCO）订购了68兆瓦的由燃料电池能源公司生产的熔融碳酸盐燃料电池，另外，三星在汉城外的发电厂安装了4.8兆瓦由美国联合技术公司（UTC）生产的燃料电池。为了展示燃料电池在电网支援方面的应用，俄亥俄州公共事业委员会和第一能源公司宣布将从加拿大巴拉德动力系统公司购买1兆瓦基于拖车用的聚合物电解质膜燃料电池（PEM）。该项目将展示燃料电池的性能，包括提供接驳高峰管理，延缓分配系统资产升级，实现本地二氧化碳的零排放，以及提供高品质功率调节。 2. 热电联产

零售和制造公司都开始看到燃料电池系统提供的热电联产（CHP）所带来的利益价值。全食市场(Whole Foods Market)宣布第二家店安装一套400千瓦的美国联合技术公司生产的燃料电池系统。美国联合技术公司也将提供一套200千瓦的磷酸燃料电池系统给纽约的可口可乐工厂，为其供应热能和电力。为了预期支持热电联产系统的合格技术人员的需求，美国插头动力公司（Plug Power）委托在纽约州联合学院安装5千瓦的燃料电池单元，将用于教学目的。

日本在采用家用燃料电池系统为家庭供热和供电的发展上处于世界领先地位。日本石油公司宣布，它预计在2009年销售2500套家用燃料电池系统；这个好于预期的销售推动了日本的家用燃料电池系统产量增加。此外，丰田公司正与京瓷、大阪煤气、爱信精机公司结成联盟，开发住宅用途的固体氧化物燃料电池。

韩国宣布了一项计划，将资助家用燃料电池成本的80%。从2010年开始，韩国政府将补贴房主购买和安装生产热力和电力的燃料电池成本的80%。2013年至2016年，该补贴的规模将下降至50%，2017年至2020年，将下降至30%。

3. 备用电源和远程发电

备用电源和远程发电应用为燃料电池系统提供了重要的且日益增加的早期市场。作为印度的主要电信运营商之一-无线测控信息服务有限公司，与美国插头动力公司签署合同，将采购、安装和维护200 GenSys 燃料电池系统，为印度的离网单元塔提供连续的电源。摩托罗拉公司宣布，它将在丹麦的TETRA标准的公众安全通信网的123个基站备用电源系统里使用巴拉德的燃料电池。在美国，美国能源部（DOE）正与联邦航空管理局、美国国防部（DOD）安装43套紧急备用电源系统。2009年底，美国陆军建设工程研究实验室与美国能源部合作，发出了36个质子交换膜燃料电池系统招标，大小从1到28千瓦，作为建筑物和在16个联邦机构（包括国防部，能源部和美国宇航局网站）运行的紧急备用电源。

4. 物料搬运设备

美国国防部已经成为燃料电池叉车的一个主要的早期采用者，并建立了一个明确的商业案例。继2008年示范活动的成功演示，国防后勤局（DLA）在宾夕法尼亚州供应站的萨斯奎哈纳（Susquehanna）放置了40辆燃料电池叉车和室内加氢设施，并已经着手为其他两个在格鲁吉亚和加利福尼亚州的国防后勤局供应站购买40辆燃料电池叉车。

燃料电池叉车的销售迅速扩展到商业设施。燃料电池开发商和加氢设备制造商的目标是拥有数十亿美元潜力的北美市场，将氢和燃料电池叉车供应给配送中心和制造工厂。相对于常规电池供电的叉车，燃料电池叉车有一个更大的范围，使用前花费更少的时间来充电和冷却，电压不易随着电能释放而降低，并且不会因更换电池而导致停机。燃料电池系统也只需要较小的加注空间，还不需要担心电池寿命和处置。5个新的由美国恢复和再投资法资助的美国能源部项目，将帮助部署300多辆燃料电池叉车在联邦快递、Genco、Sysco和东宾夕法尼亚制造。其他燃料电池叉车的客户包括中央杂货店、雀巢水、沃尔玛、全食市场、普利司通和可口可乐。这些应用实例中的一部分正以每年一万至一万五千加注量的比率加注，并提供了宝贵的产品开发和用户体验，这与预计的零售私人汽车加注一致。

二、2009年氢与燃料电池技术发展

政府和行业示范项目继续验证着在其他各种应用中的燃料电池和氢能技术。在过去的几年里，技术的迅速发展已经导致在欧洲和亚洲的全球汽车制造商和政府机构认为，燃料电池汽车技术和氢燃料基础设施的商业化引进可能比很多人认为的发生得更早。在美国，政府官员设法解决从整体经济衰退所产生的财政限制，几乎消除了美国能源部的氢燃料技术的研发预算计划。幸运的是，美国国会能够将氢和燃料电池研发的资金恢复到与上年大体相同的水平（约2.4亿美元）。这一系列事件，尽管是带有破坏性的，但无疑创造了一个积极的结果-一个来自美国氢燃料行业的比以往更加一致和有力的声音。

1. 氢基础设施

在世界范围内，超过370座氢燃料供应站在运营和规划中。2009年在美国正在运营的氢燃料供应站的数量达到了69座，另外在规划中的美国加氢站数量为38座。在这经营的69座加氢站中，有9座是在2009年开放的，包括在纽约的3座，在加利福尼亚州的2座，以及在科罗拉多州，南卡罗来纳州，西弗吉尼亚州和密歇根州各1座。这使加利福尼亚州经营的加氢站总数达到了27座，超过了其他任何州。

（1）在欧洲和亚洲的一些国家就氢燃料基础设施的扩建做出了重大承诺。在美国，仅仅加利福尼亚州做出了相似的承诺。

（2）在德国，主要的汽车和能源公司与政府一起承诺，到2015年建立广泛的全国氢燃料加注网络，支持补充的激励计划，即从1012年开始，每年生产和销售超过10万辆电池-电动和燃料电池-电动车。

（3）日本13个石油和天然气公司宣布，携手开发氢能汽车加注基础设施到2015年。这符合丰田宣布将在2015年开始销售负担得起的燃料电池汽车。

（4）丹麦宣布了一项雄心勃勃清洁汽车计划，目标是在2025年后出售的所有新车都将是电动或氢燃料作为动力的汽车。

（5）韩国将继续努力发展氢能高速公路网络，包括有6座正在运营的和4座计划中的加氢站。

（6）加利福尼亚州燃料电池合作伙伴宣布了一项行动计划，到2017年要在加州部署46座氢燃料加注站，为预计在该日期之前能驶上道路的50,000辆燃料电池汽车服务。

可再生能源制氢继续发展，2009年有大量的示范设施开放或已经在计划中。在夏威夷，美国空军进行了氢气生产和加氢站的示范，氢气通过采用综合的太阳能光伏发电和风力发电系统产生的电力电解制取。同样在夏威夷，燃料电池豪华轿车示范项目正在开发中，氢气由非高峰期的地热发电生产。基于利用废水沼气饲料的熔融碳酸盐燃料电池的热电联产和氢气发电系统，已被工厂测试，并将于2010年在加利福尼亚州的奥兰治县委托建设。制取的氢气将直接为一座加氢站提供分布式可再生氢气。

安全的氢气加注数量快速增长。在燃料电池叉车销售量不断增加的推动下，美国物料搬运市场的安全氢气加注量从2008年的2万上升至2009年的12万。美国能源部的技术验证计划也表明了超过11.5万公斤的配氢为轻型车辆使用。

2. 氢的储存 关于作为可行的能源储存选择的氢系统的潜力研究继续令人鼓舞。国家可再生能源实验室（NREL）发表了一份题为“氢相对于其他电能储存技术的生命周期成本分析”的报告，其中调查了氢能储存相对于其他大量现有能源储存技术的经济效益。报告指出，氢能储存与其他种类的大量储存相比，在某些情况下有潜力在经济上具有竞争力。还需要做许多工作来改进系统成本，可靠性和效率，以实现这种潜力，该报告表明，这些改善是可以实现的。 3. 燃料电池汽车（小汽车和公共汽车）全球汽车制造商致力于开发燃料电池汽车（FCVs）继续增长。2009年，7个汽车制造商（戴姆勒克莱斯勒，福特，通用/欧宝，本田，现代/起亚，雷诺/日产和丰田汽车）签署了一项理解能源公司和政府机构确认信中的“大量的”氢燃料电池汽车2015年以后可实现商业化，并敦促重点在欧洲市场（德国），美国，日本和韩国的辅助氢燃料基础设施的发展。新一代燃料电池汽车显示出令人振奋的测试结果。在由丰田、萨凡纳河国家实验室和全国可再生能源实验室进行的实地测验中，丰田的Highlander燃料电池混合动力汽车取得了单个满容量的压缩氢气罐可行驶431英里的估计范围，和等效于每加仑汽油行驶68.3英里的平均燃油经济性。与此相比，丰田的Highlander混合动力车的EPA，估计每加仑26英里的燃油经济性和满容量可行驶450英里。新的Kia Borrego 燃料电池混合动力车SUV声称行驶里程可达到426英里，能达到62%的系统效率。在2009年发布的轻型燃料电池汽车，包括奔驰最新的燃料电池车200系列产品，B级F电池；商业租赁的马自达氢转子发动机混合动力技术；英国Riversimple的小型和市内的燃料电池车的引入，它计划在2013年开始市场化；和起亚推出的运动型多用途博雷戈燃料电池汽车。通用汽车公司的Project Driveway计划，将100辆雪佛兰Equinox燃料电池汽车投放到消费者手中，使其实际驾驶，2009年达到了一百多万英里。通用汽车宣布，其下一代燃料电池系统与现在的Equinox燃料电池相比，只有一半大小，重量更轻，只有220磅，并且只使用不到一半的贵金属。在2009年新推出的燃料电池公共汽车，包括奔驰Citaro柴油-电力混合动力车和质子动力的三重混合动力客车（根本不使用内燃机，由燃料电池、电池和超电容器供电）。加拿大也开始交付2010年将在不列颠哥伦比亚省惠斯勒冬奥会上成为世界最大的氢燃料电池汽车车队。

政府-行业示范伙伴关系继续取得相应的进展。美国能源部燃料电池科技公司的技术验证计划，这是与美国的产业界共同展示140辆氢燃料电池车和20个加氢站，真实的驾驶里程已超过230万。该计划，其中包括大部分第一代燃料电池汽车，报道了高达58%的平均效率，高达254英里的行驶里程，和2500小时的耐久性，达到了早期的目标。在加利福尼亚州，自2001年以来，汽车公司、能源公司和地方、州与联邦政府的合作伙伴已经投放了298辆燃料电池汽车在旅途中，行驶接近250万英里。

4. 技术经济分析

2009年公布了许多重要的研究，其提供了急需的关于潜在成本和各种轻型运输替代以降低石油进口和减少温室气体排放（GHG）的信息。这些独立进行的研究结论的佐证，除其他外，建议美国应该采取组合的办法来解决国家的能源、环境和经济问题。氢、电和生物燃料组合的能源驱动汽车可以为改善这些关键因素做出重大的和相互协作的贡献。从长远来看，只有氢气能够削减温室气体排放达到各级决策者所需要的水平，同时：1）能使美国达到能源准独立；2）到本世纪末几乎消除可控制的城市空气污染；3）这么做在基础设施和车辆费用上能与所有其他办法竞争。作为人们日益相信这一说法的证据，16个国际组织在哥本哈根气候谈判会议上发表联合声明，突出强调氢和燃料电池部署的效益可以减缓气候变化。这些研究如下：（1）全国研究委员会补充的其2008年的研究“替代运输技术的转变：关于氢焦点”，题目是“替代运输技术的转变：插入式混合动力电动汽车”。（2）加州大学戴维斯分校的“研究新运输燃料转换成本：氢燃料电池与插入式混合动力汽车的比较”。（3）全国氢协会举办的“能源演变的报告”。（4）国际能源机构的“交通，能源和二氧化碳：实现可持续发展的转变。” 三、2009年氢和燃料电池研究进展 基础与应用研究和发展继续朝着以下的目标前进：解决燃料电池和氢的生产、运输和存储基础设施所带来的仍然存在的成本和性能障碍。一些最重要的研究和发展成果总结如下。 1. 燃料电池 采用当今最好的技术，预计燃料电池系统的成本继续下降。美国能源部2009财政年度的成本评估模型预计，利用目前最好的技术每年生产50万辆80千瓦的汽车质子交换膜燃料电池系统，费用从2008的73美元/千瓦降至2009年的61美元/千瓦。这使燃料电池的成本进入到高端内燃系统的成本范围，同时表明如果大批量生产，燃料电池汽车可以在几年之内具有成本效益。

研究人员继续在改善燃料电池的耐久性和降低其成本方面取得进展。对于质子交换膜燃料电池来说，降低催化剂铂（Pt）的用量是一个重大的成本削减目标。3M公司的研究人员展示了比2008的铂含量低40%的膜，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员示范了两种有前途的材料组合用于不含铂的高性能催化剂。此外，在2009年，由美国能源部固态能量转换联盟（SECA）资助的合作伙伴，也示范了利用煤衍生合成气的固体氧化物燃料电池堆大于5000小时的燃料耐久性，并且降解率远远低于SECA当前的目标。

2. 氢的生产与分配 可再生能源制氢的低成本途径正在发展中。美国能源部研发计划的研究人员提高了从纤维素生物质和生物衍生液体制氢的效率和氢气产率，使得这一途径更加接近2014年的成本目标。利用可再生能源供电电解槽来电解水制取氢气是另一条有前途的可再生的途径，研究人员在降低资本成本、提高系统效率和耐久性方面继续取得进展。2009年底发表的独立评论表明，当今站内分布式电解水制氢技术的模型化大批量生产成本（包括压缩、储存和分配，1500千克/天）从4.90美元/千克至5.70美元/千克不等，假设一辆能量效率为50%的燃料电池汽车，其转化费用大约是相当一加仑汽油2.45-2.85美元。从煤制合成气制取氢气更进一步接近商业目标。艾尔特朗研究所和西南研究所已经示范了氢分离膜，这种膜几乎能满足美国能源部2010年的全部目标。成本估计表明该技术与传统技术相比，可以降低供电成本，提高热效率，提高二氧化碳的捕获。核制氢途径取得了进展。2009年，三个核制氢的方法进行了测试。一个集成的实验室规模的高温电解装置在爱达荷国家实验室运行45天，并取得了每小时5650升氢气的峰值输出。萨凡纳河国家实验室成功地示范了混合硫电解槽的运行，该电解槽由于硫集结，不做任何限制。正被Sandia国家实验室，美国通用原子公司和法国原子能委员会（CEA）联合开发的碘化硫（SI）的热化学循环实现了一体化运营，大约每小时生产氢气100升。气态和液态氢传输途径的预计费用持续下降。通过对更高容量管式拖车和成本较低的管道材料，压缩和液化技术的研发，氢传输成本的降低正在成为可能。美国能源部最新氢传输情景分析模型（HDSAM）也表明，高压（700 bar）或冷冻压缩加注能提供较低的或无站费用的处罚，同时为氢能汽车提供更远的行驶里程。

3. 储氢 美国能源部的氢储存研发缩小了研究焦点。向下选择过程已经在美国能源部三种贮氢材料卓越中心（化学储氢，氢吸附和金属氢化物）中完成或正在进行，它允许项目把重点放在这三种最有前途的材料或材料组合的未来研发上。该中心的研发已经改善了革新的氢存储系统的运行性能和存储容量。氢储存研发改善了压缩和低温存储技术。储存350 bar和700 bar压缩气体的汽车氢燃料箱系统的设计，由美国能源部的研究人员进行了修订和完善，增加了容量并减少了边际成本。劳伦斯利弗莫尔国家实验室也为冷冻压缩氢气储存设计和制造了低温容器，与传统的液氢相比，在降低成本上更有前途。储存工程卓越中心（Storage Engineering Center of Excellence）于2009年创办。这个新的中心将从事系统集成和车载储氢系统原型开发，并努力建成卓越的材料中心。该中心的工程作了为期5年的努力计划，并可能生产多达三个次级规模的原型系统作为最终的输出。 四、2009年的金融环境 2008年开始的经济衰退从多方面对燃料电池市场产生不利影响。首先，信贷紧缩削弱了公司通过债务或股本获得资本的能力。政策机制和恢复法案中的激励措施在一定程度上缓解了这