氫燃料電池技術應用現狀及發展趨勢分析

程一步

（中國石油化工集團公司經濟技術研究院，北京100029）

　　摘要：調研了國內外氫燃料電池技術應用現狀、存在的主要障礙等，對氫燃料電池技術應用趨勢進行了分析，認為目前氫燃料電池技術存在應用成本高、基礎設施配套不完善等問題，制約了其技術商業化推廣應用。2020年前氫燃料電池技術處于示范應用階段。隨著技術不斷進步，造價進一步降低，基礎設施逐漸完善，2030年后氫燃料電池技術開始大規模推廣應用。初步判斷近期我國燃料電池汽車首先在商用車如公交車應用上實現突破，京津冀、長三角、珠三角、武漢等地率先實現規模化推廣應用。氫燃料技術快速發展，給能源行業帶來新的挑戰和機遇。石化企業可在氫氣供應、加油/充電/加氫一體化運營以及汽車輕量化材料開發方面適時介入新能源汽車產業鏈，實現石化產業鏈的轉型與調整。

　　1氫燃料電池基本原理和用途

　　1.1基本原理

　　燃料電池是把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。單體電池由正負兩個電極（燃料電極、氧化劑電極）以及電解質組成。電解質隔膜兩側分別發生氫氧化反應與氧還原反應，電子通過外電路作功，產生電能。只要有燃料和氧化劑（純氧或空氣）不斷輸入，燃料電池就能源源不斷地產生電能，因此燃料電池兼具電池和熱機的特點，具有能量轉化效率高、無環境污染物排放、可低溫快速啟動、振動和噪聲等級低等特點。燃料電池根據分類方法的不同分為相應的種類，如按其電解質不同，常用的燃料電池包括質子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）等。理論上燃料電池的能量轉化效率可高達90%，由于在工作時受各種條件限制，目前各類燃料電池的實際能量轉化效率為40%~60%。當燃料電池以純氫氣為燃料時，其化學反應產物僅為水，從根本上消除了CO、NO_x、SO_x、粉塵等大氣污染物的排放，可實現零排放，同時由于燃料電池生成水的反應是放熱反應，在工作中還會產生大量熱水、蒸汽，所以不僅可以供電，還可以供暖，同時具有清潔、可靠、能移動、壽命長等優點。此外，只有燃料電池本體還不能工作，燃料電池必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

　　1.2主要用途

　　早在20世紀60年代燃料電池就因其體積小、容量大的特點而成功應用于航天領域。進入70年代后，隨著技術的不斷進步，氫燃料電池也逐步被運用于發電和汽車。如今伴隨各類電子智能設備的崛起以及新能源汽車的風靡，氫燃料電池主要應用于固定領域、運輸領域、便攜式領域等三大領域。從市場的觀點來看，燃料電池因其穩定性和無污染的特質，既適宜用于集中發電，建造大、中型電站和區域性分散電站，也可用作各種規格的分散電源、電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力源和各種可移動電源，同時也可作為手機、筆記本電腦等供電的優選小型便攜式電源。

　　2氫燃料電池技術應用現狀

　　2.1國外技術現狀

　　日本和美國是當前燃料電池市場的主要統治者。

　　1）日本

　　自上世紀90年代以來，在政府支持下，由經濟產業省推動，日本開展了燃料電池汽車所需的共用新技術、設備的研究。目前日本在燃料電池各主要技術領域處于絕對的領先地位，而且技術最為全面。2014年6月，日本產業經濟省發布了到2040年的“氫社會”戰略路線圖。該路線圖指出，日本到2020年主要著力于擴大本國固定式燃料電池和燃料電池汽車的使用量，以占據氫燃料電池世界市場的領先地位。到2030年，進一步擴大氫燃料的需求和應用范圍，使氫加入傳統的“電、熱”能源而構建全新的二次能源結構。到2040年，氫燃料生產采用CO₂捕獲和封存組合技術，建立起CO₂零排放的氫供應系統。2017年12月26日，日本政府發布了“氫能源基本戰略”，進一步確定了2050年氫能社會建設的目標以及到2030年的具體行動計劃。

　　2）美國

　　美國政府將氫能和燃料電池確定為維系經濟繁榮和國家安全的、至關重要的、必須發展的技術之一。美國能源部當前的特定目標主要有3個，即從現有的和未來的資源中獲取氫能、自由汽車計劃、燃料電池研究。美國國防部的研究則主要集中于氫能和燃料電池在軍事方面的應用，研究的重點是質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池。

　　3）德國

　　目前，全球超過70%的氫能和燃料電池示范項目落戶歐洲。其中，德國在這項技術的商業化方面處于領先地位。活躍在這一領域的德國公司與科研機構超過350家。從燃料電池專利申請數量來看，德國排名第三。從技術細節來看，德國重點關注燃料電堆、燃料制備與存儲；從技術分類來看，德國和美國一樣比較關注固體氧化物燃料電池技術；從技術應用方面來看，德國更為關注燃料電池在車輛上的應用。

　　4）韓國

　　氫能研發是韓國政府“21世紀前沿科學計劃”的主攻技術領域之一。韓國政府成立了“氫能研發中心”，該中心針對韓國10年內氫能的發展，將目標分解為3個階段，每個階段均涉及氫能生產、氫能貯藏和氫能利用三方面的內容，目前已經進入推廣執行階段。燃料電池研究則在“能源技術研發的10年計劃”框架下展開。韓國的專利申請數量排名第四。從專利技術細節來看，韓國關注膜電極組件；從技術分類來看，韓國更為關注直接甲醇與熔融碳酸鹽燃料電池技術；在應用方面韓國更為關注燃料電池便攜式應用。

　　2.2國內技術現狀

　　我國的燃料電池技術專利數量全球排名第五。從技術細節方面來看，我國則更為關注電極和催化劑；從技術分類來看，我國關注質子交換膜燃料電池技術。我國的專利申請主要集中在研究院所和高校，企業專利申請數量較少。

　　我國氫燃料電池技術水平與先進國家相比差距較大，主要體現在：氫燃料電池總體尚處于工程化開發階段，功率特性、冷啟動、可靠性等主要技術性指標與世界標桿產品相比還有很大差距；關鍵技術領域所擁有的專利數目不少，但核心技術無幾；技術標準還未形成體系；成本居高不下；催化劑、雙極板等關鍵材料和高壓儲氫罐、空壓機、氫循環泵等關鍵零部件基本不具備產業化能力。相比國際氫燃料電池汽車開始商業化起步，我國氫燃料電池汽車大體落后5~10年。部分國家燃料電池技術情況見表1，國內外燃料電池整體性能對比見表2。

　　2.3全球應用情況

　　根據Fuel Cell Industry Review 2017的統計數據，2017年全球燃料電池的出貨量約7.26萬套，同比增長15%；出貨功率為670MW，同比增長了30%。全球燃料電池市場出貨量（按應用領域）見表3，按類型見表4，按區域見表5。

　　3氫燃料電池技術應用主要障礙

　　3.1氫燃料的制取成本和排放較高

　　氫氣制備是氫燃料電池大規模商用化的基礎。目前，水電解、甲醇裂解、煤制氫、天然氣制氫、氨分解和氯堿工業尾氣處理等各種制氫技術已大規模使用，但氫燃料電池用高純氫成本和污染物排放仍較高。各類車購車及運營成本對比見表6，各類汽車全生命周期（油井至車輪，WTW）CO₂排放對比見表7。

　　3.2氫氣運輸體系尚不完善

　　加氫站網絡化分布是氫燃料電池技術大規模商用化的基本保障，而解決加氫站網絡化分布的關鍵是解決氫氣運輸問題。氫氣輸送方式主要有氣氫輸送、液氫輸送等。氣氫輸送分為管道輸送、長管拖車和氫氣鋼瓶輸送。管道輸送一般用于輸送量大的場合，美國、加拿大及歐洲多個工業地區都有氫氣管道，目前氫氣管道總長度已經超過16000km，法國和比利時之間建有世界最長的輸氫管道，長約400km。長管拖車運輸距離不宜太遠，用于輸送量不大的場合；氫氣鋼瓶則用于輸送量小且用戶比較分散的場合。液氫輸送一般采用罐車和船，可進行長距離輸送。目前氫氣輸送網絡系統技術尚不成熟，不利于氫燃料電池技術大規模商用化應用。氫氣運輸方式對比見表8。

　　3.3儲氫技術有待突破

　　氫在常溫常壓下呈氣態，密度很小，僅為空氣的1/14。一直以來，氫燃料安全和高效存儲是氫燃料電池技術大規模商用化的瓶頸。儲氫技術是利用氫燃料電池的關鍵技術，也是難點所在。如高壓儲氫容器體積大，存在著泄漏和氫脆等安全隱患；液氫儲氫耗能大，液氫蒸發問題導致存在儲罐安全隱患；可逆金屬氫化物儲氫重量大等。

　　3.4催化劑原料資源國內不多

　　常用的貴金屬電催化劑包括各種低溫燃料電池常用的鉑、鈀、釕、銀和金等貴金屬。世界鉑礦產資源豐富，據不完全統計，世界鉑族元素礦產資源總儲量為3.1萬t，其中鉑金總儲量為1.4萬t。中國已探明的鉑族金屬只有310t，其中鉑儲量為119t，資源較少。目前氫燃料汽車單車（Mirai）鉑消耗量約20g，假設2030年國內燃料電池車保有量200萬輛，鉑消耗量約為40t，對國內鉑資源沖擊很大。

　　3.5經濟性差

　　燃料電池的高昂成本和壽命制約著其商業化應用。燃料電池大都采用鉑催化劑作為電極，鉑用量大且利用率低。盡管近十幾年來，隨著新型三維有序化電極結構的深入研究，使電極上鉑催化劑用量降低了3個數量級，大幅降低了整個燃料電池成本，但其成本仍太高。燃料電池中大都采用由杜邦公司生產的Nafion膜。該膜是一種全氟磺酸膜，生產工藝較為復雜，目前市場價格較為昂貴。此外，燃料電池主要采用石墨雙極板，其技術雖已相當成熟，但機械強度差和加工成本高使其在工業上難以大規模應用。目前電池堆成本構成見圖1。

　　3.6政策風險

　　氫燃料電池技術大規模應用之前，尚存在著基礎設施建設不健全，成本過高，制氫、儲氫和輸氫技術存在安全風險等一系列問題。政府的支持是目前發展氫燃料電池技術產業的關鍵因素。由于鋰電池起步早，商業化程度高，整車成本低，充電可以利用現有的電網系統，總體成本更低，因此現階段我國汽車行業主推純電動汽車。燃料電池汽車商業化需要國家進一步支持。

　　4氫燃料電池技術發展趨勢

　　4.1國外

　　1）加氫站建設加快

　　歐美日燃料電池汽車進入商業化示范階段，加氫站建設提速。根據《全球加氫站統計報告》，截至2017年1月，全球正在運營的274座加氫站中，有106座位于歐洲、101座位于亞洲、64座位于北美、2座位于南美、1座位于澳大利亞。其中188座加氫站向公共開放，占全球總加氫站的2/3。2016年全球新增92座加氫站，比2015年增加了70%，創增長新高，其中日本新增45座，位列加氫站增長榜首；北美新增25座，其中20座位于加利福尼亞州；歐洲新增22座，其中6座位于德國。

　　未來幾年，全球主要國家將加快加氫站建設。到2020年，全球加氫站保有量將超過435座，2025年有望超過1000座，日本、德國和美國分別有320、400和100座。挪威、意大利和加拿大等國均有5~7座加氫站處于規劃之中。主要國家運營加氫站規劃見表9。

　　2）燃料電池系統成本不斷下降

　　受益于技術進步，燃料電池系統成本已大幅下降。美國能源部氫和燃料電池項目對每年氫燃料電池系統的成本進行了測算，該測算以80kW質子交換膜燃料電池為樣本，以大規模生產（50萬個/年）為測算條件。測算結果表明，隨著技術的不斷進步，氫燃料電池系統成本已從2006年的124美元/kW降至2015年的53美元/kW，下降幅度近60%。隨著技術的不斷進步，成本有望在2020年降至40美元/kW，相比2015年下降幅度達到近25%。美國能源部的最終目標是實現30美元/kW，約為目前成本的一半。

　　3）全球燃料電池汽車發展預期

　　美國汽車媒體預測，2023年全球燃料電池汽車年產量將從2016年的2840輛增加到5500輛，將占屆時汽車年產量1.067億輛的0.005%。預計2020年和2030年世界燃料電池汽車保有量分別為30萬輛和200萬輛，叉車達到2萬輛和4萬輛，家用燃料電池達到2萬臺和4萬臺，年耗氫量約分別為12.7萬t和63萬t。

　　美國市場研究機構（Navigant）預測，燃料電池車將從2018年起進入快速發展階段，在2024年的銷量將達到22.8萬輛，其中亞太地區占比將達到近40%，歐洲地區占比達到約33%，北美占比約25%。到2030年全球燃料電池汽車銷量將達到350萬輛，占電動汽車銷量的10%；到2050年，純電動、插電式混合電動、燃料電池汽車銷量占比均達到30%，形成三分天下之勢。主要國家和地區運營氫燃料電池車輛和加氫站規劃見表10。

　　4.2國內

　　4.2.1氫能基礎設施發展預測

　　根據全國氫能標準化技術委員會《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》（2016），我國氫能基礎設施產業近期、中期、遠期發展目標如下：

　　1）近期

　　2020年，可用于氫能利用的氫氣產能規模達到720億m³/年（648萬t/年），其中可再生能源制氫示范項目和工業副產含氫氣體回收氫氣產能規模達到10億~15億m³/年；基本建成與美國、日本等發達國家同等完善水平的標準規范體系；在京津冀、長三角、珠三角、武漢等氫能與燃料電池產業發達地區率先實現氫能汽車及加氫站的規模化推廣應用，建成小規模的氫基礎設施網絡，加氫站總數達100座以上；固定式燃料發電達到20萬kW，燃料電池運輸車輛達到1萬輛；在京津冀、長三角等地區，示范應用用戶側熱電聯供（CHP）氫利用系統。

　　2）中期

　　2030年，可用于氫能利用的氫氣產能規模達到1000億m³/年（900萬t/年），其中清潔和低碳制氫產能規模達到200億m³/年；馳放氣等工業副產含氫氣體回收利用效率大幅提高，產能規模達到100億m³/年；累計建成3000km以上氫氣長距離輸送管道；擴大加氫站覆蓋面，重點構建沿高速公路的加氫站點，連接重點區域，如形成京滬廣氫能高速公路，燃料電池車輛保有量達200萬輛，加氫站總數達1000座以上，初步形成與燃料電池車輛保有量相匹配的供氫網絡；在京、滬、廣等重點區域推廣氫能軌道交通；固定式燃料電池發電規模達到10000萬kW，其中分布式發電規模達到5000萬kW。

　　3）長期

　　2050年，加氫站服務區域覆蓋全國氫能產業發達地區，參照加油站分布狀況及要求，完成高速公路加氫站布局；燃料電池車輛保有量達到1000萬輛。我國氫能產業基礎設施技術發展路線見表11。

　　4.2.2氫燃料電池發展趨勢

　　1）2020年示范運行，2030年大規模推廣應用，2050年普及應用

　　2016年10月，工業和信息化部委托中國汽車工程學會牽頭完成的《節能與新能源汽車技術路線圖》正式發布。提出的氫能燃料電池汽車產品路線為：①近期以小功率燃料電池與大容量動力電池的動力構型為技術特征，實現燃料電池汽車在特定地區的公共服務用車領域萬輛規模示范應用；②中期以大功率燃料電池與中等容量動力電池的電電混合為特征，實現燃料電池汽車的較大區域十萬輛規模批量應用；③遠期以全功率燃料電池為動力特征，在私人乘用車、大型商用車領域實現百萬輛規模的商業推廣；以可再生能源為主的氫能供應體系建設與規模擴大支撐燃料電池汽車規模化發展。氫能燃料電池汽車產品路線圖見表12。

　　2016年，國家發改委和能源局印發《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》，明確了氫能與燃料電池技術創新目標與路線。技術創新重點在氫的制取、儲運及加氫站、先進燃料電池及燃料電池分布式發電。總體目標是到2020年，實現燃料電池和氫能的示范運行；2030年實現大規模推廣應用；2050年實現普及應用。具體目標是到2030年：①實現工業和交通部門的革命性減排，并推動戰略性新興產業發展；突破制氫關鍵技術；開展新一代煤催化氣化制氫和甲烷重整/部分氧化制氫技術。②電池壽命超過5000h，實現數十立方米/小時的可再生能源電解水制氫示范和推廣應用；實現可再生能源大規模制氫、存儲、運輸、應用一體化，實現加氫站現場儲氫、制氫模式的標準化和推廣應用。③接近質子膜燃料電池操作溫度、儲氫容量高于5%（w）的儲氫材料技術，實現長距離、大規模液態氫儲存與運輸技術。④PEMFC電源系統額定輸出功率50~100kW，系統比能量≥300Wh/kg，使用壽命5000h以上，其中電堆比功率≥3kW/L。⑤MFC電源系統額定輸出功率5~10kW，系統比能量≥345Wh/kg，使用壽命3000h以上。⑥PEMFC系統使用壽命10000h以、SOFC系統使用壽命40000h以上、MeAFC系統使用壽命10000h以上，實現千瓦至百千瓦級PEMFC系統推廣應用；實現百千瓦至兆瓦級SOFC發電分布式能源系統示范應用，發電效率60%以上；實現MeAFc系統示范運行或規模應用。我國氫能與燃料電池技術創新路線圖見表13。

　　2015年，國務院印發《中國制造2025》，提出了燃料電池汽車的戰略目標及研究方向。到2020年，我國逐步實現關鍵材料和零部件國產化、燃料電池堆和整車性能提升、燃料電池汽車運行規模擴大。通過對關鍵材料、電池堆系統及通用化技術等重點領域的研究，到2020年實現關鍵技術攻關，2025年完成商業化產品全產業鏈的建設，并實現區域小規模運行。《中國制造2025》關于燃料電池汽車戰略目標見表14。

　　2009年，中國科學院頒布《中國至2050年能源科技發展路線圖》，提出我國氫燃料電池汽車不同時間節點的科技目標是：2020年，燃料電池汽車達到小規模商業化階段，產量達到當年汽車產量的1%；2035年，燃料電池汽車達到商業化推廣應用階段，產量達到當年汽車產量的5%~8%，總燃料電池汽車保有量達1000萬輛；2050年，燃料電池汽車處于商業化推廣應用階段，產量達到當年汽車產量的1/3，總燃料電池汽車保有量超過5000萬輛。綜上所述，初步預測我國燃料電池汽車2020年實現燃料電池和氫能的示范運行，2030年實現大規模推廣應用，2050年實現普及應用。

　　2）商用車產業化或率先突破

　　由于純氫燃料電池車的運營成本顯著高于純電動車和燃油汽車，我國燃料電池巴士與歐美相比發展較慢。但自2015年起，我國對空氣質量的日漸重視和一系列燃料電池政策都在推動燃料電池巴士的發展。全球領先的氫燃料電池研發和供應商加拿大巴拉德公司看好我國的市場潛力，期望通過短期的產品銷售，進而在中期完成技術許可與制造的本地化，最終實現本土電堆銷售，并獲得專利的長期授權費，其已與我國多家企業簽署協議，提供巴士燃料電池和技術解決方案。如目前廣東佛山（云浮）產業轉移工業園氫能產業項目建成氫能產業與新材料發展研究院，引入了加拿大巴拉德公司氫能研發人才；加拿大巴拉德公司與園內企業合作共建廣東國鴻氫能科技有限公司的最新一代FC-9SSL燃料電池生產線（一期規模30萬kW）2017年投產；年產5000輛氫能源汽車整車生產基地（佛山飛馳汽車制造公司）已經竣工投產，首批生產的28輛氫能城市公交車（配套進口氫燃料電池）已在佛山、云浮兩市運行；園區內建成一座加氫站，氫氣購自附近法液空和化工廠，純度99.999%，采用高壓（25MPa）氣態汽車（管束車）運輸。園區與建行廣東省分行合作，設立30億元的佛山（云浮）氫能源產業基金，對云浮氫能產業發展建設進行投資。此外據調研，2016年全國氫能標準化技術委員會預測，到2020年我國燃料電池車輛以商用車為主。

　　因此，初步判斷近期我國燃料電池汽車有望首先在商用車如公交車應用上實現突破。

　　3）京津冀、長三角、珠三角、武漢等地率先實現規模化推廣應用

　　京津冀地區是我國政治文化中心，降低煤炭等傳統化石資源消耗、減少污染物排放的需求迫切，此外，京津冀也是氫燃料電池汽車技術研發與應用的前沿陣地，2008年氫燃料電池客車已在奧運會期間進行了示范運行。長三角地區有豐富的工業副產氫資源，匯聚了一批國內領先的燃料電池研發、生產、制造與測試企業，同時上海、如皋、鹽城等地已有較好的氫能基礎設施建設和運營經驗，燃料電池汽車經歷過2010年世博會示范應用。珠三角地區深圳、廣州、佛山、云浮都開展過燃料電池示范運行，已引進國外燃料電池技術及生產線。因此，初步判斷上述地區有望率先實現氫能汽車規模化推廣應用。

　　5結論

　　1）氫能源有望成為下一代的基礎能源

　　至今為止，人類歷史上已發生過兩次能源革命。第一次能源革命是煤炭取代木材成為主導能源，第二次能源革命是石油取代煤炭成為主導能源。盡管目前化石能源仍居于主導地位，但是考慮到隨著經濟不斷發展，世界化石能源資源的緊缺性日益突顯，如根據《BP世界能源統計2017》的數據，全球石油、天然氣、煤炭儲采比分別為50.6年、52.5年、153年。化石能源的不可持續性以及對環境和生態的破壞性日益被人們認識，并受到世界各國高度重視，以利用可再生能源為標志的第三次能源革命正在到來。氫能可用于從可再生能源（如太陽能、風能等）長距離傳遞能量，并大量貯存。此外，從人類過去百年的能源進化史看，本質上就是碳氫比的調整史，氫含量不斷提高，能量密度也隨之不斷提高。氫氣基礎能量密度是汽油的3倍，優勢明顯。因此，未來從碳能源轉向氫能源是大勢所趨，氫能源有望成為下一代的基礎能源。

　　2）氫燃料電池技術2020年前處于示范應用階段，2030年后大規模推廣應用

　　目前氫燃料電池技術存在應用成本高、基礎設施配套不完善及建設成本高、制氫能耗高和對環境污染大、政策引導不夠等問題，應用內在動力不足，極大制約了其技術商業化推廣應用。只有隨著技術不斷進步，電池效率和使用壽命進一步提高，造價進一步降低，基礎設施逐漸完善，可再生能源在技術上的大規模利用，才可能大規模推廣利用。

　　3）氫燃料電池技術快速發展，給石化行業帶來新的挑戰和機遇

　　發展新能源汽車可有效降低交通環境污染，提高能源利用效率，是對傳統能源汽車的有效接替，也是中國加快培育和發展的戰略性新興產業之一。我國目前電動汽車的發展雖然較快，但純電動汽車存在鋰電池能量密度提升受限、充電時間長、續航里程短等問題，目前中國電動汽車的發展主要依賴國家補貼政策的激勵，核心技術研發進展緩慢。氫燃料電池在能量密度和快速充氫上具有優勢，發展前景較好，但目前存在氫氣和電池（催化劑）生產成本高、儲氫材料量產及其成本降低難以實現突破等主要問題。從長遠看，新能源汽車的關鍵技術終將實現質的突破，新能源汽車的發展將從根本上改變目前以石油為基礎的交通能源格局，給石化行業油品市場帶來一定沖擊，石化行業的重心將從燃油生產轉向化工原料或其他產品加工。同時，新能源汽車發展也給石化行業帶來了發展機遇，石化企業可在氫氣供應、加油（氣）/充電/加氫一體化運營以及汽車輕量化材料、高端化材料開發方面適時介入新能源汽車產業鏈，實現石化產業鏈的轉型與調整，培育未來新的利潤增長點。

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