氫能產業發展展望
——氫燃料電池系統與氫燃料電池汽車和發電

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氫氣燃燒產生的產物是水，無環境污染，因此，氫能被視為21世紀具有極大發展潛力的清潔能源。氫燃料電池堆HFCR(Hydrogen Fuel Cell Reactor)是將氫與氧化學反應的化學能直接轉化為電能，它以能量轉化率高、排放低、能量和功率密度高等優點被認為是適應未來能源和環境要求的理想動力源之一，有助于解決能源危機、全球氣候變暖以及環境污染問題。氫燃料電池汽車FCV(Fuel Cell Vehicle)是通過氫燃料電池堆產生的電力驅動電動機來行駛的汽車。

因此，美國、德國、日本以及歐盟各國均積極布局氫能產業發展戰略，特別是日本提出了構建“氫能社會”的戰略及其發展路線圖，在氫能技術和發展利用領域走在了世界的前列。我國也在“十三五”規劃、《中國制造2025》、《國家創新驅動發展戰略綱要》、《汽車產業中長期發展規劃》等多個文件中，明確將“氫能與氫燃料電池”作為新興產業在戰略規劃和重點任務上大力發展。

目前，氫能源產業正處于將氫氣從工業原料向大規模能源開發利用的戰略轉折點，未來發展空間巨大，相關產業鏈將得到長足發展。氫能源產業主要包括制氫及儲輸氫能，氫燃料電池系統及氫燃料電池汽車/發電。下面就我國在氫燃料電池系統與氫燃料電池汽車和發電等技術方面做簡單交流。

1 氫燃料電池系統

1.1 工作原理

氫燃料電池主要由陽極、陰極、電解質和外部電路等四個組成部分。原理見圖1。

圖1 氫燃料電池通過電化學方式取得能量圖示

氫燃料電池的陰、陽兩極兼具電子傳導及催化劑的作用，燃料氣(氫氣)由陽極通入，反應放出的電子經外電路傳導到陰極，再與氧化氣(空氣)結合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成一個完整的回路產生電流。在此過程中，氫燃料電池由于自身的電化學反應以及內阻，會產生一定的熱量，主要產物為水。

1.2 分類

目前，燃料電池主要以氫或天然氣作為燃料，以電解質類型作分類，見表1。

氫燃料電池產品主要應用在車用領域、固定式電源領域以及便攜式領域。氫燃料電池堆/系統、燃料電池乘用車和商用車、氫氣車載儲存和加氫站產業化初現端倪。特別是氫燃料電池汽車(FCV)的快速發展和商業化推進，尤其是自從2014年日本豐田公司發布“未來”(Miria)氫燃料電池汽車后，引起全球資本投資和汽車業界的高度關注，使之成為當今交通領域和新能源領域的熱點，也帶動發展了氫燃料電池在備用電源、家用熱電聯供、分布式能源等領域的發展。

1.3 應用領域

目前小于5kW功率等級的氫燃料電池主要作為移動備用電源、應急供電及便攜式電源等，以堿性氫燃料電池、質子交換膜氫燃料電池為主；5kW～200kW功率等級的氫燃料電池主要用于電動自行車、電動摩托車、乘用轎車、公共汽車、物流車、游艇以及家用等的動力電源，以質子交換膜氫燃料電池為主；200kW～2MW功率等級的氫燃料電池多用于家用、社區、商業寫字樓、海島等邊遠地區作為熱電聯供分布式能源站，以熔融碳酸鹽氫燃料電池、固體氧化物氫燃料電池為主，特別是固體氧化物氫燃料電池(SOFC)具有發電效率高、污染物排放少、燃料適應性廣、穩定性好等優點，將在分布式供電/熱和高性能動力電源方面發揮重要的作用；大于2MW的氫燃料電池則主要用于大中型發電站或區域性分布式發電站。

表1 燃料電池分類

注：資料來源于公開資料整理。

1.4 成本

目前國際上車用氫燃料電池主要采用質子交換膜氫燃料電池(PEMFC)。要實現氫燃料電池汽車的商業化，主要是要降低氫燃料電池成本和解決氫源問題。

氫燃料電池體系成本主要決定于氫燃料電池堆和相應的組件，氫燃料電池堆成本主要決定于氫燃料電池鉑催化劑、電解質膜和雙極板。目前氫燃料電池組都使用金屬鉑作為催化劑，電極載鉑量過高一直阻礙氫燃料電池的發展，為了降低成本，需進一步降低鉑催化劑的使用量，并尋求廉價的替代催化劑。質子交換膜應具有較強的氧化和還原穩定性，目前均使用全氟磺酸膜(PFSAs，業內稱納菲薄膜)，氫燃料電池所用的納菲薄膜主要依靠進口，其價格在600美元/m2左右。因此，要實現氫燃料電池產業化，降低質子交換膜的價格迫在眉睫。雙極板應具有良好的耐腐蝕性能，目前最常使用材料是不透性石墨。但是其制作成本較高：制造石墨材料需經過2500℃以上的石墨化，并經過多次浸漬、炭化處理以達到不透性。而且由塊狀石墨加工成雙極板，需采用精密的機械加工，加工成本高，加工時間長，不易批量生產。因此，需進一步改善替代產品——金屬雙極板的性能，實現制備精度高、成本低、壽命長等需求。

而氫燃料電池堆組件主要由壓縮機、氫循環泵、加濕器及其他配件構成，以壓縮機為主的其他組件同樣占有較大成本空間，如果壓縮機成本能夠從50美元/kW下降到30美元/kW左右，氫燃料電池堆和相應的組件成本基本各占一半，量產下材料以外的生產成本約占1/4，那么氫燃料電池的生產成本可以控制在100美元/kW，實現商業化。

2 氫燃料電池汽車

2007年起，聯合國開發計劃署協助中國的“中國氫燃料電池公共汽車商業化示范項目”在北京和上海示范運行氫能源公共汽車：在北京示范運行3輛氫燃料電池公共汽車，安全運行7萬多公里，載客近4萬人次，在2008年奧運會上示范運行，成為“科技奧運、綠色奧運”的一個亮點；上海在2010年世博會期間示范運行6輛氫燃料電池公共汽車，累計運行2.6萬公里，運送乘客10萬多人次，在上海2010年世博會期間示范運行，充分體現了“城市讓生活更美好”主題。《中國制造2025》對氫燃料電池汽車產業制定了發展規劃，2025年實現加氫站等氫能配套基礎設施的完善，氫燃料電池汽車發展規模在2020年和2025年將分別達到5000輛和10萬輛的規模，在2030年將會形成1百萬輛的保有量，配套加氫站數量達4500座以上。自《中國制造2025》、《國家創新驅動發展戰略綱要》、《汽車產業中長期發展規劃》發布以后，氫燃料電池汽車得到迅猛發展。上海、廣東、河北等地先后出臺了支持氫燃料電池汽車發展的文件，上海宣布了多項計劃，包括《上海市氫燃料電池汽車產業發展規劃》等，將通過增加氫燃料站、補貼企業開發氫燃料電池技術和建立研發設施來促進氫燃料電池汽車的發展。上海市規劃到2020年，聚集超過100家氫燃料電池汽車相關企業，于2025年建成50座加氫站，到2030年實現氫燃料電池汽車技術和制造總體達到國外同等水平；廣東省也出臺多項計劃，包括《廣東省氫燃料電池汽車產業發展工作方案》等，廣東省佛山、云浮兩市超前布局發展具有全球領先水平的氫燃料電堆動力系統、產業化制氫裝備，大力推動加氫基礎設施網絡建設，努力構筑氫能與氫燃料電池產業體系，在氫能汽車應用示范方面走在了全國前列，引進巴拉德最新一代FC-9SSL氫燃料電池技術年產20000套、30萬kW電堆生產線項目于2019年正式投產；河北省也出臺多個支持氫能發展文件，河北省張家口市以服務2022年冬奧會為契機，正打造我國北方氫能產業示范基地，張家口市的億華通科技有限公司規劃產能1萬臺氫燃料電池發動機生產基地，首臺氫燃料電池發動機于2017年10月正式下線。

我國各大汽車制造商均積極研發氫燃料電池汽車，氫燃料電池汽車呈現蓬勃發展景象。目前，我國氫燃料電池壽命已經超過5000小時，基本滿足車輛運行條件；氫燃料電池汽車發動機功率密度已達到傳統內燃機水平；氫燃料電池汽車續駛里程達到750公里；氫燃料電池低溫啟動溫度達-30℃，車輛整體適用范圍基本達到傳統車水平。

盡管國內氫燃料電池汽車風生水起，然而在氫燃料電池與車輛控制技術等方面還與國際上存在差距，主要體現在：① 氫燃料電池耐久性有待提高，目前，我國乘用車氫燃料電池壽命約為5000小時左右，與國際上的10000小時以上還有不小差距；② 國內企業在氫燃料電池客車動力系統研發、氫燃料電池發動機集成控制技術等方面與國際水平有一定差距；③ 制造成本偏高，由于制造氫燃料電池一些技術和材料還需要進口，國內尚不能解決，使得氫燃料電池成本較高，客車整車成本偏高。

3 加氫站等基礎設施

3.1 國內外加氫站建設情況

加氫站是為氫燃料電池汽車加注氫燃料的重要基礎設施，其建設和商業化與氫燃料電池汽車商業化發展有著密不可分的關系。截止2017年年底，全球共有328座加氫站，歐洲有139座，亞洲有118座(其中日本91座)，北美有68座，南美有1座，澳大利亞有1座，阿拉伯聯合酋長國迪拜有1座私人加氫站。其中227座可以像傳統加油站一樣，不需預約直接使用；24座需要預約才可使用，其余的加氫站則主要為特定巴士或車隊提供氫氣燃料。

公開資料顯示，未來5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。

據了解，我國目前投入或即將運營的加氫站僅為14座。已建加氫站情況見表2。

表2 我國已建加氫站情況

另外，上海世博會、廣州亞運會、深圳大運會所建臨時加氫站已經拆除。

從表2可以看出，我國加氫站等基礎設施建設遠落后于發達國家，也是制約氫燃料電池汽車發展的重要瓶頸。

截止2018年7月份，我國已建成及在建的加氫站共有41座，分別位于北京、上海、江蘇、大連、安徽、河南、廣東、成都等地，全國各地很多城市也都正在規劃建設加氫站。按照《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》，到2020年，加氫站數量達到100座；氫燃料電池車輛達到10000輛；到2030年，加氫站數量達到1000座，氫燃料電池車輛保有量達到200萬輛。

3.2 影響加氫站建設的因素

加氫站主要功能是給氫燃料電池汽車加注氫氣，其加氫流程見圖2。

圖2 加氫站流程示意圖

依照《輕型汽車氣態氫加注協議》SAE-J2601，加氫站加注氫能分為35MPa和70MPa兩個加注壓力等級，相對應的加氫站儲氫設備工作壓力為45MPa和98 MPa，為超高壓設備。由于我國受高強度炭纖維生產技術水平的限制，目前70MPa加注壓力等級纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶組仍處于研發試用階段，生產成本較高。另外，氫壓縮、質量流量計、超高壓閥門組件等仍然依賴進口，使得加氫站建設成本較大。

另外一個影響加氫站建設的是氫氣成本，目前工業制氫的售價基本在40～45元/kg，加氫站銷售價格60～70元/kg，按氫燃料電池汽車(小轎車)百公里耗氫1.1kg計，氫燃料電池汽車(小轎車)百公里使用費用約66～77元左右，與目前2.0L排量的燃油汽車相當，但加氫站加氫規模不大，難以收回成本。如果能夠充分利用工業副產氫氣的低成本，將加氫站的銷售價格控制在50元/kg以下，那么氫燃料電池汽車與燃油汽車相比就更具競爭力。因此，廣東省在《廣東省氫燃料電池汽車產業發展工作方案》中明確提出：支持和推進東莞巨正源120萬噸/年丙烷脫氫制聚丙烯副產15萬噸/年高純度氫氣項目建設，滿足約50萬輛氫燃料電池乘用車運行需求。

4 燃料電池發電

最近幾年，日本推出氫燃料電池系統，為微型氫能熱電聯供機組或裝置，主要以質子交換膜氫燃料電池(PEMFC)和固體氧化物氫燃料電池(SOFC)為主：整個系統由氫燃料電池和儲熱水箱兩部分組成，氫燃料電池主要作為發電單元，儲熱水箱則儲存發電余熱產生的熱水作為家庭供熱，包括家庭使用的熱水和采暖熱水。由于采用氫燃料電池系統，產生的電和熱被同時利用，綜合能源利用效率達到90%左右。

目前國際上氫燃料電池分布式能源發電站多以熔融碳酸鹽氫燃料電池(MCFC，650℃)、磷酸鹽類氫燃料電池(PAFC，200℃)和固體氧化物氫燃料電池(SOFC，500～1000℃)為主流，其適用于儲能容量大、供電時間長的新能源儲能、電網側調峰等領域，且適用于熱電聯供的場合，當前國際上大型固定式氫燃料電池發電站主要分布在北美、韓國和日本，北美主要被美國魯姆能源(Bloom Energy)、斗山燃料電池(Doosan Fuel Cell America)和燃料電池能源(FuelCell Energy)三家公司所占據，2015年這三家公司的總交付量超過70MW；韓國的POSCO Energy已經在韓國累計建設了超過150MW的氫燃料電池發電站，日本的Fuji Electric的氫燃料電池發電站主要應用于醫院、寫字樓、污水處理廠等領域。國內氫燃料電池發電站項目主要還在示范性階段，2015年，營口營創三征與荷蘭MTSA Technopower，Nedstack Fuel Cell Technology，Akzo Nobel Industrial Chemicals簽署合作協議，由營創三征引進荷蘭三方氫燃料電池裝置技術，利用營創三征氯堿副產氫氣資源，建造全球首套2MW氫燃料電池發電站，該電站已于2019年建成投運。

分布式能源發電站領域是一個巨大的市場，隨著世界能源結構的變化，分布式能源發電站領域的市場將會越來越大，氫燃料電池分布式能源發電系統將會在分布式能源發電站領域扮演越來越重要的作用，氫燃料電池分布式發電市場前景更是被普遍看好。

5 結語

近年來，隨著氫能利用技術發展成熟，以及應對氣候變化壓力持續增大，氫能在世界范圍內備受關注。我國氫能資源豐富，供應渠道多樣，可以通過氫燃料電池技術實現氫燃料汽車、家庭氫能源供給站、分布式電/熱能源供給等多種方式，實現氫能的利用是實現電網和棄電、棄水、棄風、棄光等互補的重要手段。

制約我國氫能產業發展主要有兩大瓶頸：一是氫能產業的基礎設施，主要包括氫能加注及氫安全等。目前，高壓氫氣瓶和儲罐技術已取得重大突破；氫能加注基礎設施發展滯后，但近幾年來呈現快速遞增趨勢，氫安全技術發展緊跟國際先進水平。二是氫燃料電池核心技術和材料，關鍵材料尚未實現國產化，催化劑、質子交換膜以及石墨雙極板等材料需要進口，且多數為國外所壟斷，價格較高；關鍵組件制備工藝急需提升，膜電極、雙極板、壓縮機、氫循環泵等與國外存在較大差距。但我國隨著氫燃料電池及氫能行業的發展，一是加大對氫燃料電池體系技術的研發投入，提升我國從關鍵原材料到氫燃料電池堆到控制系統等方面的可靠性、耐久性，降低成本，縮小與先進國家的技術差距；二是通過商業化產業示范運行，促進技術、產業鏈的成熟，形成氫能供應發展體系，大幅度降低氫能使用成本。相信在不久的將來，氫能將成為我們生活中不可缺少的能源之一。