氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

徐洪流

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氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

徐洪流

（南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210000）

在全球氣候開始變暖和面臨石油危機(jī)、氣候危機(jī)、環(huán)境危機(jī)等問題的背景下，世界各個(gè)國家開始將目光紛紛投向清潔能源，氫燃料電池技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生，一時(shí)間成為了大家熱議的對(duì)象。氫燃料電池技術(shù)由于效率高、零排量的特點(diǎn)，被一直認(rèn)為是未來新能源汽車發(fā)展的重要方向之一。從目前的形勢(shì)上看，國內(nèi)外在氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用上，已經(jīng)在商用車上實(shí)現(xiàn)了突破，同時(shí)也在一些沿海城市與國內(nèi)發(fā)達(dá)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模性的推廣應(yīng)用。但是，氫燃料電池技術(shù)還存在成本高、技術(shù)設(shè)施配套不完善的缺陷，這樣就給能源行業(yè)的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。這個(gè)時(shí)候，就需要秉承科學(xué)發(fā)展觀的思想，介入新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈，在政策的引導(dǎo)下，完成石化產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型與調(diào)整，促進(jìn)氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展。

氫燃料；電池技術(shù)；環(huán)境污染；新興產(chǎn)業(yè)

1 氫燃料電池的主要原理與用途

1.1 主要原理

燃料電池可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽罱K達(dá)到應(yīng)用電能的目的。由于燃料電池兼具電池和熱機(jī)兩個(gè)方面的特征，因此具有能量轉(zhuǎn)化效率高、排放后無污染、噪聲小、震動(dòng)頻率低、可低溫快速啟動(dòng)等特點(diǎn)[1]。根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解質(zhì)隔膜兩側(cè)可以發(fā)生氫氧化反應(yīng)和氧還原反應(yīng)，最終產(chǎn)生電能。從理論的角度進(jìn)行探究，燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到90%以上，但是在各種因素的影響下，其工業(yè)條件受到限制，實(shí)際轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到40%～60%.如果將純氫氣作為燃料電池，那么可以消除CO、NOx、SOx、粉塵等污染，也可以達(dá)到無排量，這時(shí)化學(xué)產(chǎn)物僅僅為水[2]，體現(xiàn)出其清潔、可靠、能移動(dòng)、壽命長等特征，同時(shí)也可以在供電的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)有效的供暖。

1.2 用途

最初的時(shí)候，燃料電池由于其體積小、容量較大，出現(xiàn)到大家的視野當(dāng)中，并主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，氫燃料電池也開始應(yīng)用到發(fā)電與汽車行業(yè)，現(xiàn)在新能源汽車風(fēng)靡全球。從目前的形勢(shì)上看，氫燃料電池主要應(yīng)用于便攜式領(lǐng)域、固定領(lǐng)域、運(yùn)輸領(lǐng)域，且正在向大、中型電站，小型便攜式電源延伸。

2 氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 從國外技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析

從日本技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行探究，日本在政府的支持下，在20世紀(jì)90年代的時(shí)候開展燃料電池汽車的研發(fā)，并以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了安全性的成果研究。2014年，日本相關(guān)產(chǎn)業(yè)也發(fā)布了2040年“氫社會(huì)”戰(zhàn)略路線圖[3]。2017年年底，日本政府發(fā)布了2050年“氫能源基本戰(zhàn)略”。在分解探析中，2020年主要是達(dá)到燃料電池汽車的使用量，并占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。2030年進(jìn)一步擴(kuò)大需求，實(shí)現(xiàn)“電、熱”能源的二次能源結(jié)構(gòu)應(yīng)用[4]。2040年，構(gòu)想將氫燃料技術(shù)與CO2捕獲技術(shù)、封存組合技術(shù)等相互結(jié)合。

從美國技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行探究，美國政府主要制定了三個(gè)能源目標(biāo)，并在計(jì)劃中主要探究氫能和燃料電池在軍事方面的主要應(yīng)用。

從德國技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，德國在燃料電池上的研究過程中，申請(qǐng)專利的數(shù)量已經(jīng)在全球范圍內(nèi)排名前三。不管是技術(shù)的細(xì)節(jié)，還是技術(shù)的分類上，更加關(guān)注固體氧化物燃料電池技術(shù)，尤其是該技術(shù)在車輛中的應(yīng)用。

從韓國技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，韓國已經(jīng)成立了“氫能研發(fā)中心”，并圍繞這個(gè)中心，規(guī)劃了三個(gè)階段。從專利的角度進(jìn)行分析，韓國的技術(shù)主要傾向于甲醇和熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)與燃料電池便攜式的主要應(yīng)用。

2.2 從國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析

從國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀來看，我國在技術(shù)細(xì)節(jié)上更加關(guān)注電極與催化劑的探究。在技術(shù)分類上，目前主要探究的是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。從專利的角度看，申請(qǐng)數(shù)量較少。核心技術(shù)沒有形成，成本居高不下，未能形成有效的產(chǎn)業(yè)化能力。氫燃料電池汽車相對(duì)于發(fā)達(dá)國家來講也落后很多。從全球的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，2017年全球燃料電池出貨功率為670 MW，呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢(shì)[5]。

3 氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用遇到的挑戰(zhàn)

3.1 氫燃料的制取成本和排放達(dá)不到要求

從商業(yè)化的角度來看，氫氣制備需要在原有的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的構(gòu)建。從目前的形勢(shì)來看，可以實(shí)現(xiàn)制氫技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，但是氫燃料電池成本和污染物排放達(dá)不到相關(guān)要求。

3.2 氫氣運(yùn)輸體系不夠完善

從加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布上看，運(yùn)輸水平還需要上升一個(gè)很大的臺(tái)階。從目前的形勢(shì)來看，還不能有效解決運(yùn)輸方面的問題。在一些發(fā)達(dá)國家，氫氣管道總長度已超過16 000 km，但在我國，運(yùn)輸?shù)姆秶芟蓿h(yuǎn)距離運(yùn)輸還沒有形成一種常態(tài)，不適合大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用[6]。

3.3 儲(chǔ)氫技術(shù)需要進(jìn)一步突破

氫在常溫狀態(tài)下是氣態(tài)的，且密度較小。這個(gè)時(shí)候，氫燃料的安全性與存儲(chǔ)的高效性就成為了發(fā)展道路上的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。例如，在大容量的運(yùn)輸當(dāng)中，存在著泄漏和氫脆等安全隱患。

3.4 國內(nèi)催化劑原料資源不多

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鉑族元素的世界存儲(chǔ)量較少。我國催化劑原料資源也不是很多。到2030年的時(shí)候，如果需要內(nèi)燃料電池車達(dá)到200萬輛的話，那么就需要消耗40 t金屬電催化劑，這對(duì)能源的需求是巨大的。

3.5 經(jīng)濟(jì)性較差，政策風(fēng)險(xiǎn)較大

從燃料電池的角度進(jìn)行探究，鉑的用量是巨大的，但是轉(zhuǎn)化率卻較低。燃料電池主要使用得是石墨雙極板。此種技術(shù)還不能得到很好的應(yīng)用，并且機(jī)械性較強(qiáng)。從政策的角度看，基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善，成本較高。因此，我國更加傾向于電網(wǎng)系統(tǒng)，主要推進(jìn)純電動(dòng)汽車的應(yīng)用與發(fā)展。

4 氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 國外氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在一些發(fā)達(dá)的歐美國家中，已經(jīng)加快了加氫站的建設(shè)步伐，燃料電池汽車開始進(jìn)入商業(yè)化的示范階段。從《全球加氫站統(tǒng)計(jì)報(bào)告》中可以看出，2017年，歐洲有106座加氫站，亞洲有101座加氫站，北美有64座加氫站，還有個(gè)別分布在其他區(qū)域。從每年的增長量上看，日本最多，然后就是歐洲的國家。從近幾年的整體趨勢(shì)上看，很多國家已經(jīng)開始加快了加氫站建設(shè)的速度。

從燃料電池系統(tǒng)成本上看，美國等國家的能源部已經(jīng)開始了對(duì)成本的預(yù)測(cè)，并在大規(guī)模的生產(chǎn)過程中進(jìn)行了預(yù)算條件、預(yù)算結(jié)果、預(yù)算技術(shù)的構(gòu)建。預(yù)計(jì)從2015年到2020年，技術(shù)成本又可以得到一次飛躍，實(shí)現(xiàn)每千瓦30美元的最終目標(biāo)，并在時(shí)間的推移中，不斷壓縮技術(shù)成本。從全球燃料電池汽車發(fā)展的角度進(jìn)行分析，美國預(yù)計(jì)到2030年，全球燃料電池汽車會(huì)從2016年的2 840輛提升至5 500輛。預(yù)計(jì)2030年與2020年相比，也有很大的增長趨勢(shì)。從美國的市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，2018年燃料電池呈上升趨勢(shì)，無論是亞太地區(qū)、歐洲，還是北美地區(qū)，到2050年，燃料電池汽車的銷量數(shù)量將大幅提升，并在汽車市場(chǎng)中占據(jù)較大的比例。

4.2 國內(nèi)氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從目前的形勢(shì)上看，到2020年，我國氫氣產(chǎn)能的規(guī)模可以達(dá)到648萬噸/年。規(guī)模可以達(dá)到10億立方米/年至15億立方米/年，并建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。另外，我國沿海等發(fā)達(dá)地區(qū)的氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)也開始呈現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展、應(yīng)用狀態(tài)。到2030年，需要在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)氫氣產(chǎn)能900萬噸/年，氫產(chǎn)能規(guī)模可以達(dá)到200億立方米/年，進(jìn)一步擴(kuò)大氫站的覆蓋面積[7]。從長遠(yuǎn)的角度看，2050年，加氫站服務(wù)區(qū)域可以覆蓋全國范圍。

從氫燃料電池發(fā)展趨勢(shì)上看，我國主要計(jì)劃和戰(zhàn)略目標(biāo)是：2020年示范運(yùn)行，2030年大規(guī)模推廣應(yīng)用，2050年普及應(yīng)用。在2020年，我國燃料電池汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池和氫能的示范性運(yùn)行。從商用車產(chǎn)業(yè)化或率先突破上看，我國燃料電池車輛以商用車為主。目前，京津冀、長三角、珠三角、武漢等地都已經(jīng)開展過燃料電池示范運(yùn)行，以期減少污染物的排放，實(shí)現(xiàn)氫能汽車的規(guī)模化推廣與應(yīng)用。

5 結(jié)束語

新常態(tài)背景下，氫能源可能成為下一代的基礎(chǔ)能源。到2020年，氫燃料電池技術(shù)將進(jìn)入示范應(yīng)用階段，并于2030年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣應(yīng)用。從目前的形勢(shì)上看，氫燃料電池技術(shù)尚處于成本較高、基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善、環(huán)境污染相對(duì)較大、制氫能耗較高的一個(gè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但是，在全球化技術(shù)的推動(dòng)下，氫燃料電池技術(shù)開始與時(shí)俱進(jìn)，不斷發(fā)展，給石化行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，并一躍成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。因此，新能源汽車的發(fā)展要想從本質(zhì)上上升一個(gè)臺(tái)階，就需要將輕量化材料和高端化材料開發(fā)介入新能源汽車的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中，在良好的協(xié)同下，秉承科學(xué)發(fā)展觀的主要思想，保證氫燃料電池技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］方瑜.基于中國專利的氫燃料電池發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.長春師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（5）：111-112.

［2］孫田田，王林，郭巧巧，等.純電動(dòng)汽車與氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.科技視界，2016（4）：163-164.

［3］黃振軍，武曉云，林志民.,燃料電池AIP潛艇用氫源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及分析［J］.電源技術(shù)，2017（11）：158-160.

［4］張同林.日本新型氫燃料電池汽車及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景［J］.上海節(jié)能，2016（2）：86-91.

［5］余本善，孫乃達(dá)，焦姣.儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油科技論壇，2017（01）：61-65，71.

［6］汪廣溪.氫能利用的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.低碳世界，2017（29）：295-296.

［7］戴月領(lǐng)，賀云濤，劉莉，等.燃料電池?zé)o人機(jī)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2018（5）：111-112.

2095－6835（2019）02－0160－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.160

〔編輯：王霞〕