氫燃料電池技術應用現狀及發展趨勢分析

孟春江，石 光

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300030）

可持續發展理念下，人們要求優化能源使用結構，即應在規范使用清潔能源的基礎上，減少石化能源的用量；進而在保證產業效益的基礎上，消除石化生產所帶來的能源及環境危機，確保工業產業清潔化、綠色化生產。氫燃料電池技術是基于這一背景產生的全新技術形態，其通過清潔能力的開發和商業利用，有效地促進了石化產業鏈的轉型，實現了能源產業的可持續發展。

1 氫燃料電池技術原理和用途

1.1 技術原理

燃料電池本質上是一種發電裝置，其能通過電化學反應，將電池中燃料的化學能轉化為電能。單體電池不僅包含正負兩個電極，而且涉及電解質等物質；在整個電化學反應中，電解質隔膜兩側會進行一系列的物質轉換，具體反應過程包含氫氧化反應與氧化還原反應；經此反應后，電子能通過外電路通道做功，由此產生一定的電能。

1.2 主要用途

現代工業生產中，能量轉化效率是衡量能源利用效果的重要因素，對于氫燃料電池而言，其該參數值保持在40%～60%；當電池電化學反應存在差異，或電池工作條件不同時，其實際的能量轉化也有較大區別。從氫燃料電池應用過程來看，此類電能轉化過程的經濟效益、環境效益較為突出，有效地滿足了新時期清潔能源的營養需要。基于此，氫燃料電池的應用范圍不斷擴大；交通運輸業是氫燃料電池的主要應用領域，除此之外，在一些固定領域和便攜式領域中，氫燃料電池也得到一定的推廣和應用。

2 氫燃料電池技術應用現狀及問題

2.1 應用現狀

基于氫燃料電池突出的技術優勢、經濟優勢和生態優勢，其在全球范圍內的應用規模不斷擴大。據統計，早在2017 年，全球氫燃料電池的出貨量就已經達到了7.26 萬套，同比增長幅度高達15%。在我國，氫燃料電池應用技術處于持續創新階段，從技術專利層面來看，我國在氫燃料電池領域的技術專利位居世界第五，技術的創新有效地拓寬了氫燃料電池的適用范圍，增加了氫燃料電池的使用數量。氫燃料電池汽車是氫燃料電池技術商業化應用的重要內容，相比于發達國家，我國氫燃料電池汽車的商業化發展尚處于起步階段，該領域落后國外5～10 年（見表1）。不可否認的是，我國現階段氫燃料電池技術發展應用尚存在一定問題，有必要深化技術創新，消除這些障礙因素，為氫燃料電池的發展和應用奠定良好基礎。

表1 國內外氫燃料電池性能對比

2.2 應用問題

結合工業生產實際可知，氫燃料電池技術商業化應用中尚存在較多問題。

（1）制備氫氣是氫燃料電池大規模、商業化使用的技術前提，現階段，制氫技術具有多樣性的特征，常見的制氫手段不僅包含水電解，而且涉及甲醇裂解，此外，氨分解和氯堿工業尾氣處理的都是制氫的重要方式。但不可否認的是，工業制氫的成本較高，而且其在商業化運作中仍有較高的污染物排放。

（2）氣氫輸送、液氫輸送是氫氣運輸的兩種基本模式，而在具體運輸方式層面，集裝格、長管拖車、管道、槽車、鐵路等都是氫氣運輸的主要方式，但在具體運輸方式選擇中，尚缺乏科學有效的運輸體系，有必要結合氫氣運輸方式，進行氫氣運輸量、氫氣應用情況的深入分析。另外現階段氫燃料電池技術應用中還存在一定的儲氫障礙，即氫氣在儲存中存在泄漏、蒸發等缺陷，這不僅浪費了社會資源，而且對周圍環境具有較大影響，此外，泄漏氫氣危機泄漏區居民安全。

（3）氫燃料電池使用中會使用一定的催化劑，但現階段，我國氫燃料電池催化劑的原材料儲備不斷建設，這對于氫燃料電池的制備生產和商業應用造成較大沖擊。

（4）除經濟風險外，政策的變化也會影響氫燃料電池應用。經濟風險控制中，應進一步深化氫燃料電池技術創新，降低電池制造成本，提升電池發電效率。而在政策層面，國家應通過政策支持的方式，加大對燃料電池技術商業化應用的引導，為氫燃料電池技術創新和新能源產業的發展創造良好環境。

3 氫燃料電池技術發展趨勢

3.1 技術規模將持續擴大

相比傳統的石化工藝，氫燃料電池技術具有極為突出的技術優勢，一方面，使用氫燃料電池技術能有效解決從傳統石化生產所帶來的能源短缺問題，深化新能源在現代工業產業中的應用；另一方面，氫然燃料本身具有清潔性的特點，使用氫燃料電池能減少對環境的污染。此外，氫能源電池技術不斷成熟，電池生產應用的經濟效益不斷突出。基于這些優勢，氫能源識別得到廣泛應用。能源創新計劃指出了氫能源與燃料電池技術的發展方向和目標。在規劃中，要求在氫燃料電池領域研究中，不僅要注重氫制取、存儲、運輸方式的優化，而且應深化在先進燃料電池及燃料電池分布式發電等層面的進一步研究。并且從整體發展目標來看，預計到2030 年時，我國要實現氫能源電池的但規模推廣；而當達到2050 年時，要求氫能源電池已經全面普及。基于這個目標要求，在氫能源電池技術發展中，還需要注重以下4 個要點的創新。

（1）制氫工藝直接關系著電池的應用效果，故而在這一領域，應深化煤催化氣化制氫等新技術的應用，以此來減少當前強能源電池應用的能耗和排放，同時降低制氫的經濟效益。

（2）為進一步擴大氫燃料電池的使用范圍，要求進一步延長氫能源電池的使用壽命，即新研發電池的使用壽命應超過5000h。

（3）除制氫技術外，氫輸送、存儲對于氫燃料電池技術的應用具有深刻影響，對此還應重視輸氫、儲氫材料的選擇應用，實現氫氣的長距離、大規模運輸和存儲。

（4）應重視氫燃料電池技術實際輸出功率的控制，確保其滿足新時期工業生產需要。

3.2 交通領域或將實現率先突破

除固定領域、便攜式領域外，交通領域是氫燃料電池技術應用的重要方向。相比與其他領域，交通領域氫燃料電池技術的應用更加深入。這是因為氫燃料電池的能耗較小，據統計，在各類型車輛中，氫燃料電池車的百公里能耗為1kg 氫氣，實際明顯低于其他車輛；而且使用過程更加環保，從這一層面來看，在交通領域使用氫燃料電池，符合綠色環保要求，順應網絡社會可持續發展趨勢。相比于純電動車和燃油汽車，氫燃料電池車的運營成本較高，這在一定程度上阻礙了氫燃料電技術的發展。現階段，氫燃料電池的轉化效率仍有待提升，這是因為經理論研究，其能量轉化效率最高可達到90%，結合應用實際可知，氫燃料電池技術仍有較大的發展潛力。面對著環境污染日益嚴重的問題，我國從2015 年開始逐步推廣氫燃料電池在巴士中的應用，并且近年來，不斷立法保護新能源汽車發展，這在一定程度上為氫燃料電池技術在交通運輸領域的發展奠定了良好基礎；受此影響，在氫燃料電池技術商業化應用中，有望在交通運輸領域取得率先突破。

3.3 經濟中心地帶將率先使用全新技術成果

步入新時期以來，我國氫燃料電池技術在多個層面取得了全新突破，如制氫、儲氫、氫能源轉化，能源電池應用等。相比經濟欠發達地區，注入京津冀、長三角、珠三角等地區將率先使用氫燃料電池新技術，推動氫燃料電池技術的商業化、規模化應用。一方面，這些地區工業發達，化石資源消耗嚴重，且環境污染相對嚴重，其迫切需要新能源、新技術來打破當前發展困局。另一方面，從氫燃料電池技術大規模推廣過程來看，經濟發達地區的資金優勢明顯，基于這一優勢，區域內聚集了一大批先進的研發、生產、制造與測試企業，這為氫燃料電池技術的推廣和商業應用創造了有利條件。

4 結語

新能源產業發展背景下，氫燃料電池技術應用具有極為明顯的經濟優勢、節能優勢和環保優勢，其能有效解決石化生產所帶來的能源、環境問題。新時期，人們只有充分掌握氫燃料電池技術原理和應用方向，在分析該技術應用現狀的基礎上，把握氫燃料電池技術發展趨勢，這樣能有效提升氫燃料電池技術應用水平，促進新能源產業的持續、穩定發展。