德国氢能及燃料电池技术发展现状及趋势_夏丰杰
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在氢能经济时代，氢气制备是氢能应用基 础，氢气的安全储存和运输是氢能应用的关键， 燃料电池是当前氢能最具潜力的终端应用方式。
燃料电池是氢理想的转化装置，是氢能终端 应用的关键技术。燃料电池是一种将燃料和氧化 剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。只要 有燃料和氧化剂（纯氧或空气）不断输入，燃料 电池就能源源不断地产生电能，因此燃料电池兼 具电池和热机的特点。燃料电池具有能量转化效 率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振 动和噪声等级低等特点。
加氢站网络化分布是氢能技术大规模商用 化的基本保障。目前，德国建立了 50 余座加氢站，
能确保 2015 年 5000 辆氢燃料电池汽车在全德国 范围提供加氢服务，已初步形成了全国网络化覆 盖。伴随着燃料电池技术在各个领域的应用，预 计到 2020 年，德国将具有 1000 座加氢站和 50 万辆燃料电池汽车的规模，加氢站网络化分布在 将来还会进一步完善和扩展。
图 5 燃料电池游船
3 氢能及燃料电池技术发展趋势分析
3.1 氢能技术 除了氢能应用技术之外，氢能技术的关键在
于氢燃料技术，包括氢燃料的制取、运输及储存。 氢燃料技术未来发展将重点针对以下 3 个方面： 氢气的制取、加氢站网络化分布和氢气储存。
氢气制备是氢能大规模商用化的基础。目 前，水电解、甲醇裂解、水煤气、氨分解和氯碱 工业尾气处理等各种制氢技术已大规模使用，燃 料电池使用的高纯氢成本为 3~6 元/m3，即发电耗 氢成本约 1.7~3.4 元/kWh，与柴油发电耗油成本 2.3~2.8 元/kWh 相近。德国正在大力推广的风能、 太阳能等可再生能源发电制氢技术，还对风能和 氢能系统结合进行研究，利用盈余的风能制氢可 满足德国燃Leabharlann Baidu电池汽车对供氢需求，该技术路线 具有很好的经济性。
收稿日期：2014-08-11 作 者 简 介 ： 夏 丰 杰 (1984 -) ， 男 ， 工 程 师 。 研 究 方 向 ： 燃 料电池。
用项目—“HyCity（氢能城市）”的计划，被称之 为“通向明天能源世界的窗口”。该计划涵盖了氢
49
船电技术|综述
Vol.35 No.2 2015.2
气制取、运输、储存及燃料电池应用的氢能全产 业链，主要包括 5 个子计划，分别是：氢能基础 设施建设与燃料电池在公交系统的应用、燃料电 池在不同交通运输系统的应用（如电动叉车以及 其它车辆 ）、燃料电 池在 发电站 系统 中的应用 、燃 料电池在航空系统中的应用和燃料电池在船舶运 输系统中的应用。
燃料电池中大都采用由杜邦公司生产的 Nafion 膜。该膜是一种全氟磺酸膜，生产工艺较 为复杂，目前市场价格较为昂贵。降低质子交换 膜生产成本、提高质子交换膜化学稳定性及机械 稳定性是质子交换膜的重要发展方向。近年来， 随着 Nafion 膜的不断改进和新型膜的开发，巴拉 德公司已开发出一种部分氟化磺酸膜，性能与 Nafion 膜相当。这种部分氟磺酸膜的生产工艺较 为简单、加工成本低，如果市场需求量大，通过 规模生产，这种膜的成本可大幅降低。
fuel cell technologies are prospected, such as hydrogen source, hydrogen production, hydrogen storage,
hydrogen fueling station, electrocatalyst, proton exchange membrane, bipolar plate corrosion etc.
Xia Fengjie, Zhou Yan
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
Abstract: The overview of the hydrogen energy and fuel cell technologies is given. Current status of
图 2 奔驰 B 级燃料电池车
德国 Smith 公司推出燃料电池混合动力卡车 （如图 3），采用 80 kWh 锂离子电池和 7 kW 燃 料电池提供动力，自 2012 年 7 月已经行驶了 3000 公里，非常适宜在启停频繁、平均速度低和多种 工作模式的城区内运输，可根据客户的需求调整 卡车的功率等级。其中燃料电池模块由德国 Proton Motor 公司提供，作为卡车动力增程器。
德国设计了一套 1 MW 级氢能储能系统，该 系统配备了目前世界上最大的质子交换膜电解 池，能够高效的将当地过剩的风能电力转化为清 洁的氢能，以氢气作为能量载体，有效地避免可 再生能源如风能或太阳能受气候条件影响，而制 得的氢气可充分利用德国现有的天然气管网设施 进行长期储存及分配，再根据实时用电需求通过 燃料电池等氢能应用终端重新转化为电能，从而 大幅提高电能并网输出的稳定性和可靠性。
Vol.35 No.2 2015.2
船电技术|综述
德国氢能及燃料电池技术发展现状及趋势
夏丰杰，周 琰
(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)
摘 要：本文概述了氢能及燃料电池技术的基本情况，着重介绍了德国氢能及燃料电池技术在氢能综合示
范、汽车、船舶和发电站领域的发展现状，并对涉及氢能及燃料电池技术如氢气来源、生产及储存、加氢
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船电技术|综述
目前，燃料电池主要采用石墨双极板，虽其 技术已经相当成熟，但机械强度差和加工成本高 使其在工业上难以大规模应用。寻求一种价格低 廉、导电性好和易于加工的双极板材料是双极板 研究的优先课题。金属双极板具有导电性好、机 械强度高、易于批量生产和能大幅提高燃料电池 的体积功率密度等优点，是最具竞争力的极板材 料。 3.3 应用发展
一直以来，氢燃料安全和高效存储是氢能大 规模商用化的瓶颈。如何降低储氢材料费用和提 高储氢性能是未来氢气储存的发展关键。目前， 在储氢材料领域，新的储氢材料不断被开发出来， 如钛铁系合金、钒基固溶体合金、金属络合氢化 物和 MOFs，这些材料都具有优良的储氢性能和 独特的安全以及易操作的优点，改善并革新了氢 存储系统的运行性能和存储容量。例如，70 MPa 碳纤维缠绕高压储氢瓶储氢量可达 1.5 kg，重量 储氢密度可达 4.7 wt%，随着该技术日益成熟， 并在车船等交通运输工具得到广泛应用。 3.2 燃料电池技术
（B-Class F-cell）。B 级燃料电池车（如图 2 所示） 采用 100 kW 级质子交换膜燃料电池。该车从 0～ 100 km/h 加 速 时 间 为 114 s ， 最 高 车 速 为 170 km/h，耗燃料率为 0.97 kg/km，一次补充燃料行 驶里程为 385 km。据悉，奔驰公司已于 2011 年 打造了 3 辆 B 级燃料电池原型车，用 125 天的时 间穿过全球 4 大洲、14 个国的壮举，充分展示了 燃料电池科技的实用性和稳定性，并计划于 2015 商业化生产它的第三代燃料电池车，将进一步更 新现已在全球范围内示范运行的 B 级燃料电池 车。美国通用、福特、日本丰田和本田等汽车公 司也纷纷推出了自己的燃料电池车并制定了相应 的商用化时间表。我国自主研制的燃料电池车于 2008 年北京奥运会和 2010 年上海世博会期间 进行了示范运行。
站、电催化剂、质子交换膜、双极板等关键问题的发展趋势进行了分析展望。
关键词：氢能 燃料电池 产业链
中图分类号：TM911.4
文献标识码：A
文章编号：1003-4862（2015）02-0049-04
Current Status and Perspective of Hydrogen Energy and Fuel Cell Technologies in Germany
德国已实施了多个涉及氢气制取、运输、储 存及燃料电池应用的氢能全产业链，现已将燃料 电池技术应用到汽车、船舶和发电站等多个领域。
只有将氢气的制取、运输、储存和燃料电池技术 2 德国氢能及燃料电池技术发展现状
应用三方面有机结合才能使氢能技术迅速走向实 2.1 氢能技术发展现状
德国汉堡市启动了规模宏大的氢能示范应
图 1 氢能示范应用中心
2.2 燃料电池技术发展现状 德国奔驰公司推出了 B 级燃料电池车
图 3 燃料电池卡车
德国与欧盟于 2006 年共同实施了 EU-Life 项 目，并建造了世界上第一艘燃料电池游船
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Vol.35 No.2 2015.2
船电技术|综述
-“Alsterwasser”号（如图 5），该游船于 2008 年 8 月在德国汉堡的 Alster 湖上进行了首航，载客量 超过 100 人，一直载客运行至今，截至 2010 年运 送了 14000 多名乘客。游船推进动力功率为 100 kW 级，由德国 Proton Motor 公司提供的 2 台 48 kW 质子交换膜燃料电池模块组成，采用 35 MPa 高压储氢技术，一次可携带氢燃料 50 kg，游船 可连续运行 2~3 天。燃料电池游船无尾气排放， 能源利用效率高达 50%以上。目前，该船动力系 统已得到德国劳氏船级社认证。据悉，德国于 2009 年 还 实 施 为 期 八 年 名 为 “ 灯 塔 （lighthouse）”e4ships 的燃料电池船舶项目，利 用燃料电池系统为邮轮、货船和大型游船等提供 辅助动力，总投资高达 5130 万欧元，涉及全德国 21 家公司及科研机构。另外，韩国于 2013 年启 动 “平昌 2018 号”燃料电池客船项目，未来 3 年 间，韩国政府计划投入 160 亿韩元。
Keywords: hydrogen energy; fuel cell; industrial chain
DOI:10.13632/j.meee.2015.02.017
1 氢能及燃料电池技术简介
用化。
氢能是指以氢气作为能量载体，通过氢气和 氧气反应所产生的能量，是一种绿色二次能源。 氢 能 具 有 以 其 热 值 高 、无 污 染 和 来源 丰 富 等 优点 ， 被视为“后石油时代”的能源解决方案之一。氢能 利用形式多样，既可通过燃料电池发电转化为电 能，也可由氢内燃机转为热能。而氢气既可通过 化石能源制备，又可由风能、太阳能、生物能、 潮汐能等可再生能源或核能转化而来。
燃料电池作为氢能的转化装置，是氢能终端 应用的关键技术。燃料电池的高昂成本和寿命制 约着氢能技术的商业化。因此，降低电池成本和 提高电池寿命是燃料电池技术发展趋势，研究的 重点是降低电极、质子交换膜和双极板等 3 个关 键组件的成本和性能。
燃料电池大都采用铂催化剂作为电极，铂用 量大且利用率低。因此，降低电极上铂催化剂用 量、寻求高效廉价催化剂和优化电极结构是电极 研究的主要目标。近十几年来，随着新型三维有 序化电极结构的深入研究，使电极上, 铂催化剂 用量降低了 3 个数量级，大幅降低整个燃料电池 成本。此外，一种新型铂钌催化剂可承受氢气中 的 CO，可保证燃料电池性能稳定且工作寿命可 超过 5000 h。
hydrogen energy and fuel cell technologies is introduced in hydrogen energy demonstration, vehicles, ships
and power stations in Germany. The development trends of some key issues related to hydrogen energy and
德国还致力于开发集风力发电、电解水制 氢、高压储氢及燃料电池发电技术于一体的氢能 应用技术，并建立多个氢能示范应用中心（如图 1）。该技术首先将风能转化为电能，再通过电解 水和高压储氢技术产生和储存氢气，将氢气输送 至燃料电池系统将氢能转化为电能。风能作为氢 气生成的初始能源，氢气作为能量储存与输送媒 介，不仅可为燃料电池汽车和船舶提供清洁燃料 电池，而且燃料电池也作为发电站，这种模式能 非常有效地克服风能发电的不稳定性，用户可根 据需要运用燃料电池自行发电，将能实现未来能 量供给方式的去中心化。例如，由 ENERTRAG 能源公司实施建设的氢能示范项目 -燃料电池电 站，该电站的总额定功率为 700 kW，每年可产生 16 GWh 的电能，可满足 4000 个家庭的用电需求。
燃料电池是氢理想的转化装置，是氢能终端 应用的关键技术。燃料电池是一种将燃料和氧化 剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。只要 有燃料和氧化剂（纯氧或空气）不断输入，燃料 电池就能源源不断地产生电能，因此燃料电池兼 具电池和热机的特点。燃料电池具有能量转化效 率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振 动和噪声等级低等特点。
加氢站网络化分布是氢能技术大规模商用 化的基本保障。目前，德国建立了 50 余座加氢站，
能确保 2015 年 5000 辆氢燃料电池汽车在全德国 范围提供加氢服务，已初步形成了全国网络化覆 盖。伴随着燃料电池技术在各个领域的应用，预 计到 2020 年，德国将具有 1000 座加氢站和 50 万辆燃料电池汽车的规模，加氢站网络化分布在 将来还会进一步完善和扩展。
图 5 燃料电池游船
3 氢能及燃料电池技术发展趋势分析
3.1 氢能技术 除了氢能应用技术之外，氢能技术的关键在
于氢燃料技术，包括氢燃料的制取、运输及储存。 氢燃料技术未来发展将重点针对以下 3 个方面： 氢气的制取、加氢站网络化分布和氢气储存。
氢气制备是氢能大规模商用化的基础。目 前，水电解、甲醇裂解、水煤气、氨分解和氯碱 工业尾气处理等各种制氢技术已大规模使用，燃 料电池使用的高纯氢成本为 3~6 元/m3，即发电耗 氢成本约 1.7~3.4 元/kWh，与柴油发电耗油成本 2.3~2.8 元/kWh 相近。德国正在大力推广的风能、 太阳能等可再生能源发电制氢技术，还对风能和 氢能系统结合进行研究，利用盈余的风能制氢可 满足德国燃Leabharlann Baidu电池汽车对供氢需求，该技术路线 具有很好的经济性。
收稿日期：2014-08-11 作 者 简 介 ： 夏 丰 杰 (1984 -) ， 男 ， 工 程 师 。 研 究 方 向 ： 燃 料电池。
用项目—“HyCity（氢能城市）”的计划，被称之 为“通向明天能源世界的窗口”。该计划涵盖了氢
49
船电技术|综述
Vol.35 No.2 2015.2
气制取、运输、储存及燃料电池应用的氢能全产 业链，主要包括 5 个子计划，分别是：氢能基础 设施建设与燃料电池在公交系统的应用、燃料电 池在不同交通运输系统的应用（如电动叉车以及 其它车辆 ）、燃料电 池在 发电站 系统 中的应用 、燃 料电池在航空系统中的应用和燃料电池在船舶运 输系统中的应用。
燃料电池中大都采用由杜邦公司生产的 Nafion 膜。该膜是一种全氟磺酸膜，生产工艺较 为复杂，目前市场价格较为昂贵。降低质子交换 膜生产成本、提高质子交换膜化学稳定性及机械 稳定性是质子交换膜的重要发展方向。近年来， 随着 Nafion 膜的不断改进和新型膜的开发，巴拉 德公司已开发出一种部分氟化磺酸膜，性能与 Nafion 膜相当。这种部分氟磺酸膜的生产工艺较 为简单、加工成本低，如果市场需求量大，通过 规模生产，这种膜的成本可大幅降低。
fuel cell technologies are prospected, such as hydrogen source, hydrogen production, hydrogen storage,
hydrogen fueling station, electrocatalyst, proton exchange membrane, bipolar plate corrosion etc.
Xia Fengjie, Zhou Yan
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
Abstract: The overview of the hydrogen energy and fuel cell technologies is given. Current status of
图 2 奔驰 B 级燃料电池车
德国 Smith 公司推出燃料电池混合动力卡车 （如图 3），采用 80 kWh 锂离子电池和 7 kW 燃 料电池提供动力，自 2012 年 7 月已经行驶了 3000 公里，非常适宜在启停频繁、平均速度低和多种 工作模式的城区内运输，可根据客户的需求调整 卡车的功率等级。其中燃料电池模块由德国 Proton Motor 公司提供，作为卡车动力增程器。
德国设计了一套 1 MW 级氢能储能系统，该 系统配备了目前世界上最大的质子交换膜电解 池，能够高效的将当地过剩的风能电力转化为清 洁的氢能，以氢气作为能量载体，有效地避免可 再生能源如风能或太阳能受气候条件影响，而制 得的氢气可充分利用德国现有的天然气管网设施 进行长期储存及分配，再根据实时用电需求通过 燃料电池等氢能应用终端重新转化为电能，从而 大幅提高电能并网输出的稳定性和可靠性。
Vol.35 No.2 2015.2
船电技术|综述
德国氢能及燃料电池技术发展现状及趋势
夏丰杰，周 琰
(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)
摘 要：本文概述了氢能及燃料电池技术的基本情况，着重介绍了德国氢能及燃料电池技术在氢能综合示
范、汽车、船舶和发电站领域的发展现状，并对涉及氢能及燃料电池技术如氢气来源、生产及储存、加氢
51
船电技术|综述
目前，燃料电池主要采用石墨双极板，虽其 技术已经相当成熟，但机械强度差和加工成本高 使其在工业上难以大规模应用。寻求一种价格低 廉、导电性好和易于加工的双极板材料是双极板 研究的优先课题。金属双极板具有导电性好、机 械强度高、易于批量生产和能大幅提高燃料电池 的体积功率密度等优点，是最具竞争力的极板材 料。 3.3 应用发展
一直以来，氢燃料安全和高效存储是氢能大 规模商用化的瓶颈。如何降低储氢材料费用和提 高储氢性能是未来氢气储存的发展关键。目前， 在储氢材料领域，新的储氢材料不断被开发出来， 如钛铁系合金、钒基固溶体合金、金属络合氢化 物和 MOFs，这些材料都具有优良的储氢性能和 独特的安全以及易操作的优点，改善并革新了氢 存储系统的运行性能和存储容量。例如，70 MPa 碳纤维缠绕高压储氢瓶储氢量可达 1.5 kg，重量 储氢密度可达 4.7 wt%，随着该技术日益成熟， 并在车船等交通运输工具得到广泛应用。 3.2 燃料电池技术
（B-Class F-cell）。B 级燃料电池车（如图 2 所示） 采用 100 kW 级质子交换膜燃料电池。该车从 0～ 100 km/h 加 速 时 间 为 114 s ， 最 高 车 速 为 170 km/h，耗燃料率为 0.97 kg/km，一次补充燃料行 驶里程为 385 km。据悉，奔驰公司已于 2011 年 打造了 3 辆 B 级燃料电池原型车，用 125 天的时 间穿过全球 4 大洲、14 个国的壮举，充分展示了 燃料电池科技的实用性和稳定性，并计划于 2015 商业化生产它的第三代燃料电池车，将进一步更 新现已在全球范围内示范运行的 B 级燃料电池 车。美国通用、福特、日本丰田和本田等汽车公 司也纷纷推出了自己的燃料电池车并制定了相应 的商用化时间表。我国自主研制的燃料电池车于 2008 年北京奥运会和 2010 年上海世博会期间 进行了示范运行。
站、电催化剂、质子交换膜、双极板等关键问题的发展趋势进行了分析展望。
关键词：氢能 燃料电池 产业链
中图分类号：TM911.4
文献标识码：A
文章编号：1003-4862（2015）02-0049-04
Current Status and Perspective of Hydrogen Energy and Fuel Cell Technologies in Germany
德国已实施了多个涉及氢气制取、运输、储 存及燃料电池应用的氢能全产业链，现已将燃料 电池技术应用到汽车、船舶和发电站等多个领域。
只有将氢气的制取、运输、储存和燃料电池技术 2 德国氢能及燃料电池技术发展现状
应用三方面有机结合才能使氢能技术迅速走向实 2.1 氢能技术发展现状
德国汉堡市启动了规模宏大的氢能示范应
图 1 氢能示范应用中心
2.2 燃料电池技术发展现状 德国奔驰公司推出了 B 级燃料电池车
图 3 燃料电池卡车
德国与欧盟于 2006 年共同实施了 EU-Life 项 目，并建造了世界上第一艘燃料电池游船
50
Vol.35 No.2 2015.2
船电技术|综述
-“Alsterwasser”号（如图 5），该游船于 2008 年 8 月在德国汉堡的 Alster 湖上进行了首航，载客量 超过 100 人，一直载客运行至今，截至 2010 年运 送了 14000 多名乘客。游船推进动力功率为 100 kW 级，由德国 Proton Motor 公司提供的 2 台 48 kW 质子交换膜燃料电池模块组成，采用 35 MPa 高压储氢技术，一次可携带氢燃料 50 kg，游船 可连续运行 2~3 天。燃料电池游船无尾气排放， 能源利用效率高达 50%以上。目前，该船动力系 统已得到德国劳氏船级社认证。据悉，德国于 2009 年 还 实 施 为 期 八 年 名 为 “ 灯 塔 （lighthouse）”e4ships 的燃料电池船舶项目，利 用燃料电池系统为邮轮、货船和大型游船等提供 辅助动力，总投资高达 5130 万欧元，涉及全德国 21 家公司及科研机构。另外，韩国于 2013 年启 动 “平昌 2018 号”燃料电池客船项目，未来 3 年 间，韩国政府计划投入 160 亿韩元。
Keywords: hydrogen energy; fuel cell; industrial chain
DOI:10.13632/j.meee.2015.02.017
1 氢能及燃料电池技术简介
用化。
氢能是指以氢气作为能量载体，通过氢气和 氧气反应所产生的能量，是一种绿色二次能源。 氢 能 具 有 以 其 热 值 高 、无 污 染 和 来源 丰 富 等 优点 ， 被视为“后石油时代”的能源解决方案之一。氢能 利用形式多样，既可通过燃料电池发电转化为电 能，也可由氢内燃机转为热能。而氢气既可通过 化石能源制备，又可由风能、太阳能、生物能、 潮汐能等可再生能源或核能转化而来。
燃料电池作为氢能的转化装置，是氢能终端 应用的关键技术。燃料电池的高昂成本和寿命制 约着氢能技术的商业化。因此，降低电池成本和 提高电池寿命是燃料电池技术发展趋势，研究的 重点是降低电极、质子交换膜和双极板等 3 个关 键组件的成本和性能。
燃料电池大都采用铂催化剂作为电极，铂用 量大且利用率低。因此，降低电极上铂催化剂用 量、寻求高效廉价催化剂和优化电极结构是电极 研究的主要目标。近十几年来，随着新型三维有 序化电极结构的深入研究，使电极上, 铂催化剂 用量降低了 3 个数量级，大幅降低整个燃料电池 成本。此外，一种新型铂钌催化剂可承受氢气中 的 CO，可保证燃料电池性能稳定且工作寿命可 超过 5000 h。
hydrogen energy and fuel cell technologies is introduced in hydrogen energy demonstration, vehicles, ships
and power stations in Germany. The development trends of some key issues related to hydrogen energy and
德国还致力于开发集风力发电、电解水制 氢、高压储氢及燃料电池发电技术于一体的氢能 应用技术，并建立多个氢能示范应用中心（如图 1）。该技术首先将风能转化为电能，再通过电解 水和高压储氢技术产生和储存氢气，将氢气输送 至燃料电池系统将氢能转化为电能。风能作为氢 气生成的初始能源，氢气作为能量储存与输送媒 介，不仅可为燃料电池汽车和船舶提供清洁燃料 电池，而且燃料电池也作为发电站，这种模式能 非常有效地克服风能发电的不稳定性，用户可根 据需要运用燃料电池自行发电，将能实现未来能 量供给方式的去中心化。例如，由 ENERTRAG 能源公司实施建设的氢能示范项目 -燃料电池电 站，该电站的总额定功率为 700 kW，每年可产生 16 GWh 的电能，可满足 4000 个家庭的用电需求。