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催化剂到系统集成:中国拥有400多项与氢燃料电池相关专利

日期:2022-12-22    来源:《美国创新简史》

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2022
12/22
14:04
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关键词: 氢燃料电池汽车 加氢站 氢能发电

陆路运输是美国的主要运输方式,每天消耗的1 970万桶石油中的大部分是来自其他国家。2017年进口的石油约29亿桶,价值1 419亿美元,占GDP的0.7%。所有的运输方式对环境均有一定的影响。在美国,交通工具排放的尾气占人为二氧化碳排放量的28%。

从理论上讲,石油作为“能源载体”的角色可以由我们环境中其他丰富的物质扮演,如氢、甲烷、甲醇,甚至氨。例如,我们已经知道氢燃料电池汽车(FCEV)与使用现有技术的燃油车相比,可以轻松减少30%的碳排放。

氢燃料电池汽车不是一个新想法,第一款氢燃料电池汽车于1991年被成功开发,之后许多汽车制造商开始投资该领域的研究。鉴于当时燃料电池的制造成本高,以及电动汽车的迅速发展,氢燃料电池汽车被抛在后面。但近年来,由于氢燃料电池比电动汽车具有更强的续航能力、更快的加油速度以及更好的性能,并且其生产成本逐渐降低,使得氢燃料电池卷土重来。本田(三大汽车制造商之一)高级副总裁迈克·阿卡维蒂在2013年说道,“创新已经达到了新起点,允许更商业可行的燃料电池汽车大规模生产”。

这种车辆的未来面临两个关键障碍。首先,要使用氢作为燃料,必须从水和甲烷等化合物中提取氢。当然,任何萃取过程都要使用能源。蒸汽改造是目前最常用的提取氢气的方法。它将高温蒸汽与天然气结合,以提取氢气。但真正的收益可能来自一个事实,即氢可以通过无碳来源产生,这将开启无碳旅行。使用风能、太阳能或核能等低碳能源生产的氢气,可减少高达90%的碳排放量。

其次,是我们之前遇到的搭便车问题:要使氢燃料电池汽车具有吸引力,必须有足够的加氢站。如果不能保证加氢站得到广泛利用,就没有公司愿意投资建站。如果没有办法加氢,就没有人愿意驾驶氢燃料电池汽车。

这里有巨大的利害关系。如果美国处于发展这项技术的前沿,对我们经济来说将是变革性的。美国能源部2008年的一份报告指出,到2050年,氢能发电领域可创造67.5万个新的就业机会,每年减少石油进口3 700亿美元,预计占GDP的1%。即使在这个早期阶段,仅在美国东北部,氢气和燃料电池的供应链也贡献了6 550多个工作岗位和约6.2亿美元的劳动收入。

美国政府认识到氢的重要性,并在这方面进行了重大的公共研究投资。美国能源部在这方面的资助从2004年的1.47亿美元增加到2008年的2.67亿美元,但此后则是在稳步下降,2017财年融资仅为1.01亿美元。

美国的投资正在下降,而其他国家则在上升。英国宣布投资3 500万英镑(约合4 500万美元),鼓励居民使用超低排放汽车和摩托车。欧盟于2016年启动了一个为期6年、耗资1亿欧元(1.06亿美元)的项目,为欧洲公路网增加1 230辆氢燃料电池汽车和20个加氢站。2014年,日本环境省启动了一个价值30亿日元(2 700万美元)的电燃料项目,将过多的可再生能源转化为氢气,用作以后运输的动力。

美国有一些改善氢能源经济基础设施的努力,但目前仍处在很低的水平。比如加州在为氢燃料电池汽车提供资金、建设加氢站方面处于全国领先地位,并提议到2025年建成100个加氢站。

与其他国家的情况相比,这显得有些微不足道。到2030年,德国预计将建成多达1 000个加氢站,满足180万辆氢燃料电池汽车的约21.6万吨的加氢需求。法国也有一个实质相同的项目。

日本正在大规模补贴氢燃料电池汽车和加氢站,特别是在2020年奥运会举办地东京。2016年春天,时任东京都知事的舛添要一宣布:“1964年东京奥运会留下了新干线高速列车系统作为奥运遗产。即将到来的2020年东京奥运会将留下一个‘氢能社会’作为其遗产。”

当然,还有中国。2001—2005年,中国投入4 000万美元用于燃料电池技术的研究。2004年,北京氢能示范园由中央政府和北京市政府推广和资助。2006年,中国建立了第一个加氢站,以示范氢燃料电池客车的商业化。北京中海泰克、英国石油和北京同方是该项目的利益相关方。园区有一个研发中心、一个加氢站、一个氢燃料电池汽车车库和一个维修车间。

中国目前拥有400多项与氢燃料电池相关的专利,从催化剂到系统集成。截至2010年,有60多家机构和公司从事氢燃料电池技术研究。2017年10月,中国首辆商用氢能电车建成。它不排尾气只排水,可以在15分钟内重新加氢,并且每充能一次可以沿着一条关键的通勤线路进行3次15公里的往返,最高时速为70公里。2017年12月,另一个氢燃料电池产业园宣告成立。它在武汉建设,由一家深圳科技公司投资115亿元人民币(约合17亿美元)。

增强氢能环境效益的一种方法是大规模扩大无碳电力供应,另一种方法是让核能卷土重来,这是由于高温气冷反应堆(HTGR)在安全方面的显著创新,该反应堆使用惰性氦气冷却液,所以绝不会像水、蒸汽和氢气那样产生腐蚀或爆炸,氢燃料比传统核燃料更能承受高温,一个大型反应堆容器在事故中可以被动地将热量从核心传导出去,所谓“被动安全”就是该设计的依据。

2005年《能源政策法》包括授权在美国开展一项雄心勃勃的研究项目,开发高温气冷反应堆。爱达荷州国家实验室的研究人员完成了一系列关于高温气冷反应堆热驱动的不同化学品和燃料生产工艺的研究,确定了许多有发展前景的选择。然而,美国能源部在2011年大幅缩减了该计划的范围和资金。

与此同时,中国正在迅速提高其建造、运行和出口核反应堆的工业潜能。其研究项目正在测试所有前景乐观的新反应堆技术选择。2011年,在美国缩减高温气冷反应堆项目的同时,中国正在推进清华大学小型实验性高温气冷反应堆的建设,并准备在山东省建造一个更大的双反应器高温气冷反应堆。建设在山东省的双反应器高温气冷反应堆示范工程已于2020年7月全面进入调试状态。

2015年,中国还与比尔·盖茨于2006年创立的美国公司泰拉能源签署了一项协议,该协议计划到2025年建造一座快速中子反应堆。快速中子反应堆最初由美国原子能委员会从20世纪50年代开始开发,在运行时会产生大量的钚,这有可能大大增加世界核燃料的总供应量。



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