氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析

程一步

（中国石油化工集团公司经济技术研究院，北京 100029）

1 氢燃料电池基本原理和用途

1.1 基本原理

燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。单体电池由正负两个电极（燃料电极、氧化剂电极）以及电解质组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，产生电能。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，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。燃料电池根据分类方法的不同分为相应的种类，如按其电解质不同，常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）等。理论上燃料电池的能量转化效率可高达90%，由于在工作时受各种条件限制，目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%～60%。当燃料电池以纯氢气为燃料时，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了CO、NOx、SOx、粉尘等大气污染物的排放，可实现零排放，同时由于燃料电池生成水的反应是放热反应，在工作中还会产生大量热水、蒸汽，所以不仅可以供电，还可以供暖，同时具有清洁、可靠、能移动、寿命长等优点。此外，只有燃料电池本体还不能工作，燃料电池必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

1.2 主要用途

早在20世纪60年代燃料电池就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入70年代后，随着技术的不断进步，氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。如今伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料电池主要应用于固定领域、运输领域、便携式领域等三大领域。从市场的观点来看，燃料电池因其稳定性和无污染的特质，既适宜用于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。

2 氢燃料电池技术应用现状

2.1 国外技术现状

日本和美国是当前燃料电池市场的主要统治者。

1）日本

自上世纪90年代以来，在政府支持下，由经济产业省推动，日本开展了燃料电池汽车所需的共用新技术、设备的研究。目前日本在燃料电池各主要技术领域处于绝对的领先地位，而且技术最为全面。2014年6月，日本产业经济省发布了到2040年的“氢社会”战略路线图。该路线图指出，日本到2020年主要着力于扩大本国固定式燃料电池和燃料电池汽车的使用量，以占据氢燃料电池世界市场的领先地位。到2030年，进一步扩大氢燃料的需求和应用范围，使氢加入传统的“电、热”能源而构建全新的二次能源结构。到2040年，氢燃料生产采用CO2捕获和封存组合技术，建立起CO2零排放的氢供应系统。2017年12月26日，日本政府发布了“氢能源基本战略”，进一步确定了2050年氢能社会建设的目标以及到2030年的具体行动计划。

2）美国

美国政府将氢能和燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的、至关重要的、必须发展的技术之一。美国能源部当前的特定目标主要有3个，即从现有的和未来的资源中获取氢能、自由汽车计划、燃料电池研究。美国国防部的研究则主要集中于氢能和燃料电池在军事方面的应用，研究的重点是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。

3）德国

目前，全球超过70%的氢能和燃料电池示范项目落户欧洲。其中，德国在这项技术的商业化方面处于领先地位。活跃在这一领域的德国公司与科研机构超过350家。从燃料电池专利申请数量来看，德国排名第三。从技术细节来看，德国重点关注燃料电堆、燃料制备与存储；从技术分类来看，德国和美国一样比较关注固体氧化物燃料电池技术；从技术应用方面来看，德国更为关注燃料电池在车辆上的应用。

4）韩国

氢能研发是韩国政府“21世纪前沿科学计划”的主攻技术领域之一。韩国政府成立了“氢能研发中心”，该中心针对韩国10年内氢能的发展，将目标分解为3个阶段，每个阶段均涉及氢能生产、氢能贮藏和氢能利用三方面的内容，目前已经进入推广执行阶段。燃料电池研究则在“能源技术研发的10年计划”框架下展开。韩国的专利申请数量排名第四。从专利技术细节来看，韩国关注膜电极组件；从技术分类来看，韩国更为关注直接甲醇与熔融碳酸盐燃料电池技术；在应用方面韩国更为关注燃料电池便携式应用。

2.2 国内技术现状

我国的燃料电池技术专利数量全球排名第五。从技术细节方面来看，我国则更为关注电极和催化剂；从技术分类来看，我国关注质子交换膜燃料电池技术。我国的专利申请主要集中在研究院所和高校，企业专利申请数量较少。

我国氢燃料电池技术水平与先进国家相比差距较大，主要体现在：氢燃料电池总体尚处于工程化开发阶段，功率特性、冷启动、可靠性等主要技术性指标与世界标杆产品相比还有很大差距；关键技术领域所拥有的专利数目不少，但核心技术无几；技术标准还未形成体系；成本居高不下；催化剂、双极板等关键材料和高压储氢罐、空压机、氢循环泵等关键零部件基本不具备产业化能力。相比国际氢燃料电池汽车开始商业化起步，我国氢燃料电池汽车大体落后5～10年。部分国家燃料电池技术情况见表1，国内外燃料电池整体性能对比见表2。

2.3 全球应用情况

根据Fuel Cell Industry Review 2017的统计数据，2017年全球燃料电池的出货量约7.26万套，同比增长15%；出货功率为670 MW，同比增长了30%。全球燃料电池市场出货量（按应用领域）见表3，按类型见表4，按区域见表5。

3 氢燃料电池技术应用主要障碍

3.1 氢燃料的制取成本和排放较高

氢气制备是氢燃料电池大规模商用化的基础。目前，水电解、甲醇裂解、煤制氢、天然气制氢、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，但氢燃料电池用高纯氢成本和污染物排放仍较高。各类车购车及运营成本对比见表6，各类汽车全生命周期（油井至车轮，WTW）CO2排放对比见表7。

表1 部分国家燃料电池技术情况

表2 国内外燃料电池整体性能对比

表3 全球燃料电池市场出货量（按应用领域）千件

表4 全球燃料电池市场出货量（按类型） 千件

表5 全球燃料电池市场出货量（按区域） 千件

表6 各类车购车及运营成本对比

表7 各类汽车全生命周期（WTW）CO2排放对比g/km

3.2 氢气运输体系尚不完善

加氢站网络化分布是氢燃料电池技术大规模商用化的基本保障，而解决加氢站网络化分布的关键是解决氢气运输问题。氢气输送方式主要有气氢输送、液氢输送等。气氢输送分为管道输送、长管拖车和氢气钢瓶输送。管道输送一般用于输送量大的场合，美国、加拿大及欧洲多个工业地区都有氢气管道，目前氢气管道总长度已经超过16 000 km，法国和比利时之间建有世界最长的输氢管道，长约400 km。长管拖车运输距离不宜太远，用于输送量不大的场合；氢气钢瓶则用于输送量小且用户比较分散的场合。液氢输送一般采用罐车和船，可进行长距离输送。目前氢气输送网络系统技术尚不成熟，不利于氢燃料电池技术大规模商用化应用。氢气运输方式对比见表8。

表8 氢气运输方式

3.3 储氢技术有待突破

氢在常温常压下呈气态，密度很小，仅为空气的1/14。一直以来，氢燃料安全和高效存储是氢燃料电池技术大规模商用化的瓶颈。储氢技术是利用氢燃料电池的关键技术，也是难点所在。如高压储氢容器体积大，存在着泄漏和氢脆等安全隐患；液氢储氢耗能大，液氢蒸发问题导致存在储罐安全隐患；可逆金属氢化物储氢重量大等。

3.4 催化剂原料资源国内不多

常用的贵金属电催化剂包括各种低温燃料电池常用的铂、钯、钌、银和金等贵金属。世界铂矿产资源丰富，据不完全统计，世界铂族元素矿产资源总储量为3.1万t，其中铂金总储量为1.4万t。中国已探明的铂族金属只有310 t，其中铂储量为119 t，资源较少。目前氢燃料汽车单车（Mirai）铂消耗量约20 g，假设2030年国内燃料电池车保有量200万辆，铂消耗量约为40 t，对国内铂资源冲击很大。

3.5 经济性差

燃料电池的高昂成本和寿命制约着其商业化应用。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。尽管近十几年来，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，大幅降低了整个燃料电池成本，但其成本仍太高。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。此外，燃料电池主要采用石墨双极板，其技术虽已相当成熟，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。目前电池堆成本构成见图1。

图1 目前电池堆成本构成（日本NEDO数据）

3.6 政策风险

氢燃料电池技术大规模应用之前，尚存在着基础设施建设不健全，成本过高，制氢、储氢和输氢技术存在安全风险等一系列问题。政府的支持是目前发展氢燃料电池技术产业的关键因素。由于锂电池起步早，商业化程度高，整车成本低，充电可以利用现有的电网系统，总体成本更低，因此现阶段我国汽车行业主推纯电动汽车。燃料电池汽车商业化需要国家进一步支持。

4 氢燃料电池技术发展趋势

4.1 国外

1）加氢站建设加快

欧美日燃料电池汽车进入商业化示范阶段，加氢站建设提速。根据《全球加氢站统计报告》，截至2017年1月，全球正在运营的274座加氢站中，有106座位于欧洲、101座位于亚洲、64座位于北美、2座位于南美、1座位于澳大利亚。其中188座加氢站向公共开放，占全球总加氢站的2/3。2016年全球新增92座加氢站，比2015年增加了70%，创增长新高，其中日本新增45座，位列加氢站增长榜首；北美新增25座，其中20座位于加利福尼亚州；欧洲新增22座，其中6座位于德国。

未来几年，全球主要国家将加快加氢站建设。到2020年，全球加氢站保有量将超过435座，2025年有望超过1 000座，日本、德国和美国分别有320、400和100座。挪威、意大利和加拿大等国均有5～7座加氢站处于规划之中。主要国家运营加氢站规划见表9。

表9 主要国家运营加氢站规划

2）燃料电池系统成本不断下降

受益于技术进步，燃料电池系统成本已大幅下降。美国能源部氢和燃料电池项目对每年氢燃料电池系统的成本进行了测算，该测算以80 kW质子交换膜燃料电池为样本，以大规模生产（50万个/年）为测算条件。测算结果表明，随着技术的不断进步，氢燃料电池系统成本已从2006年的124美元/kW降至2015年的53美元/kW，下降幅度近60%。随着技术的不断进步，成本有望在2020年降至40美元/kW，相比2015年下降幅度达到近25%。美国能源部的最终目标是实现30美元/kW，约为目前成本的一半。

3）全球燃料电池汽车发展预期

美国汽车媒体预测，2023年全球燃料电池汽车年产量将从2016年的2 840辆增加到5 500辆，将占届时汽车年产量1.067亿辆的0.005%。预计2020年和2030年世界燃料电池汽车保有量分别为30万辆和200万辆，叉车达到2万辆和4万辆，家用燃料电池达到2万台和4万台，年耗氢量约分别为12.7万t和63万t。

美国市场研究机构（Navigant）预测，燃料电池车将从2018年起进入快速发展阶段，在2024年的销量将达到22.8万辆，其中亚太地区占比将达到近40%，欧洲地区占比达到约33%，北美占比约25%。到2030年全球燃料电池汽车销量将达到350万辆，占电动汽车销量的10%；到2050年，纯电动、插电式混合电动、燃料电池汽车销量占比均达到30%，形成三分天下之势。主要国家和地区运营氢燃料电池车辆和加氢站规划见表10。

表10 运营氢燃料电池车辆和加氢站规划

4.2 国内

4.2.1 氢能基础设施发展预测

根据全国氢能标准化技术委员会《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》（2016），我国氢能基础设施产业近期、中期、远期发展目标如下：

1）近期

2020年，可用于氢能利用的氢气产能规模达到720亿m3/年（648万t/年），其中可再生能源制氢示范项目和工业副产含氢气体回收氢气产能规模达到10亿～15亿 m3/年；基本建成与美国、日本等发达国家同等完善水平的标准规范体系；在京津冀、长三角、珠三角、武汉等氢能与燃料电池产业发达地区率先实现氢能汽车及加氢站的规模化推广应用，建成小规模的氢基础设施网络，加氢站总数达100座以上；固定式燃料发电达到20万 kW，燃料电池运输车辆达到1万辆；在京津冀、长三角等地区，示范应用用户侧热电联供（CHP）氢利用系统。

2）中期

2030年，可用于氢能利用的氢气产能规模达到1 000亿 m3/年（900万t/年），其中清洁和低碳制氢产能规模达到200亿 m3/年；驰放气等工业副产含氢气体回收利用效率大幅提高，产能规模达到100亿m3/年；累计建成3 000 km以上氢气长距离输送管道；扩大加氢站覆盖面，重点构建沿高速公路的加氢站点，连接重点区域，如形成京沪广氢能高速公路，燃料电池车辆保有量达200万辆，加氢站总数达1 000座以上，初步形成与燃料电池车辆保有量相匹配的供氢网络；在京、沪、广等重点区域推广氢能轨道交通；固定式燃料电池发电规模达到10 000万 kW，其中分布式发电规模达到5 000万 kW。

3）长期

2050年，加氢站服务区域覆盖全国氢能产业发达地区，参照加油站分布状况及要求，完成高速公路加氢站布局；燃料电池车辆保有量达到1 000万辆。我国氢能产业基础设施技术发展路线见表11。

表11 我国氢能产业基础设施技术发展路线

4.2.2 氢燃料电池发展趋势

1）2020年示范运行，2030年大规模推广应用，2050年普及应用

2016年10月，工业和信息化部委托中国汽车工程学会牵头完成的《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布。提出的氢能燃料电池汽车产品路线为：①近期以小功率燃料电池与大容量动力电池的动力构型为技术特征，实现燃料电池汽车在特定地区的公共服务用车领域万辆规模示范应用；②中期以大功率燃料电池与中等容量动力电池的电电混合为特征，实现燃料电池汽车的较大区域十万辆规模批量应用；③远期以全功率燃料电池为动力特征，在私人乘用车、大型商用车领域实现百万辆规模的商业推广；以可再生能源为主的氢能供应体系建设与规模扩大支撑燃料电池汽车规模化发展。氢能燃料电池汽车产品路线图见表12。

2016年，国家发改委和能源局印发《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，明确了氢能与燃料电池技术创新目标与路线。技术创新重点在氢的制取、储运及加氢站、先进燃料电池及燃料电池分布式发电。总体目标是到2020年，实现燃料电池和氢能的示范运行；2030年实现大规模推广应用；2050年实现普及应用。具体目标是到2030年：①实现工业和交通部门的革命性减排，并推动战略性新兴产业发展；突破制氢关键技术；开展新一代煤催化气化制氢和甲烷重整/部分氧化制氢技术。②电池寿命超过5 000 h，实现数十立方米/小时的可再生能源电解水制氢示范和推广应用；实现可再生能源大规模制氢、存储、运输、应用一体化，实现加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用。③接近质子膜燃料电池操作温度、储氢容量高于5%（w）的储氢材料技术，实现长距离、大规模液态氢储存与运输技术。④PEMFC电源系统额定输出功率50～100 kW，系统比能量≥300 Wh/kg，使用寿命5 000 h以上，其中电堆比功率≥3 kW/L。⑤MFC电源系统额定输出功率5～10 kW，系统比能量≥345 Wh/kg，使用寿命3 000 h以上。⑥PEMFC系统使用寿命10 000 h以上、SOFC系统使用寿命40 000 h以上、MeAFC系统使用寿命10 000 h以上，实现千瓦至百千瓦级PEMFC系统推广应用；实现百千瓦至兆瓦级SOFC发电分布式能源系统示范应用，发电效率60%以上；实现MeAFc 系统示范运行或规模应用。我国氢能与燃料电池技术创新路线图见表13。

表12 氢能燃料电池汽车产品路线图

2015年，国务院印发《中国制造2025》，提出了燃料电池汽车的战略目标及研究方向。到2020年，我国逐步实现关键材料和零部件国产化、燃料电池堆和整车性能提升、燃料电池汽车运行规模扩大。通过对关键材料、电池堆系统及通用化技术等重点领域的研究，到2020年实现关键技术攻关，2025年完成商业化产品全产业链的建设，并实现区域小规模运行。《中国制造2025》关于燃料电池汽车战略目标见表14。

2009年，中国科学院颁布《中国至2050年能源科技发展路线图》，提出我国氢燃料电池汽车不同时间节点的科技目标是：2020年，燃料电池汽车达到小规模商业化阶段，产量达到当年汽车产量的1%；2035年，燃料电池汽车达到商业化推广应用阶段，产量达到当年汽车产量的5%～8%，总燃料电池汽车保有量达1 000万辆；2050年，燃料电池汽车处于商业化推广应用阶段，产量达到当年汽车产量的1/3，总燃料电池汽车保有量超过5 000万辆。

表13 我国氢能与燃料电池技术创新路线图

表14 《中国制造2025》关于燃料电池汽车战略目标

综上所述，初步预测我国燃料电池汽车2020年实现燃料电池和氢能的示范运行，2030年实现大规模推广应用，2050年实现普及应用。

2）商用车产业化或率先突破

由于纯氢燃料电池车的运营成本显著高于纯电动车和燃油汽车，我国燃料电池巴士与欧美相比发展较慢。但自2015年起，我国对空气质量的日渐重视和一系列燃料电池政策都在推动燃料电池巴士的发展。全球领先的氢燃料电池研发和供应商加拿大巴拉德公司看好我国的市场潜力，期望通过短期的产品销售，进而在中期完成技术许可与制造的本地化，最终实现本土电堆销售，并获得专利的长期授权费，其已与我国多家企业签署协议，提供巴士燃料电池和技术解决方案。如目前广东佛山（云浮）产业转移工业园氢能产业项目建成氢能产业与新材料发展研究院，引入了加拿大巴拉德公司氢能研发人才；加拿大巴拉德公司与园内企业合作共建广东国鸿氢能科技有限公司的最新一代FC-9SSL燃料电池生产线（一期规模30万kW）2017年投产；年产5 000辆氢能源汽车整车生产基地（佛山飞驰汽车制造公司）已经竣工投产，首批生产的28辆氢能城市公交车（配套进口氢燃料电池）已在佛山、云浮两市运行；园区内建成一座加氢站，氢气购自附近法液空和化工厂，纯度99.999%，采用高压（25 MPa）气态汽车（管束车）运输。园区与建行广东省分行合作，设立30亿元的佛山（云浮）氢能源产业基金，对云浮氢能产业发展建设进行投资。此外据调研，2016年全国氢能标准化技术委员会预测，到2020年我国燃料电池车辆以商用车为主。

因此，初步判断近期我国燃料电池汽车有望首先在商用车如公交车应用上实现突破。

3）京津冀、长三角、珠三角、武汉等地率先实现规模化推广应用

京津冀地区是我国政治文化中心，降低煤炭等传统化石资源消耗、减少污染物排放的需求迫切，此外，京津冀也是氢燃料电池汽车技术研发与应用的前沿阵地，2008年氢燃料电池客车已在奥运会期间进行了示范运行。长三角地区有丰富的工业副产氢资源，汇聚了一批国内领先的燃料电池研发、生产、制造与测试企业，同时上海、如皋、盐城等地已有较好的氢能基础设施建设和运营经验，燃料电池汽车经历过2010年世博会示范应用。珠三角地区深圳、广州、佛山、云浮都开展过燃料电池示范运行，已引进国外燃料电池技术及生产线。因此，初步判断上述地区有望率先实现氢能汽车规模化推广应用。

5 结论

1）氢能源有望成为下一代的基础能源

至今为止，人类历史上已发生过两次能源革命。第一次能源革命是煤炭取代木材成为主导能源，第二次能源革命是石油取代煤炭成为主导能源。尽管目前化石能源仍居于主导地位，但是考虑到随着经济不断发展，世界化石能源资源的紧缺性日益突显，如根据《BP世界能源统计2017》的数据，全球石油、天然气、煤炭储采比分别为50.6年、52.5年、153年。化石能源的不可持续性以及对环境和生态的破坏性日益被人们认识，并受到世界各国高度重视，以利用可再生能源为标志的第三次能源革命正在到来。氢能可用于从可再生能源（如太阳能、风能等）长距离传递能量，并大量贮存。此外，从人类过去百年的能源进化史看，本质上就是碳氢比的调整史，氢含量不断提高，能量密度也随之不断提高。氢气基础能量密度是汽油的3倍，优势明显。因此，未来从碳能源转向氢能源是大势所趋，氢能源有望成为下一代的基础能源。

2）氢燃料电池技术2020年前处于示范应用阶段，2030年后大规模推广应用

目前氢燃料电池技术存在应用成本高、基础设施配套不完善及建设成本高、制氢能耗高和对环境污染大、政策引导不够等问题，应用内在动力不足，极大制约了其技术商业化推广应用。只有随着技术不断进步，电池效率和使用寿命进一步提高，造价进一步降低，基础设施逐渐完善，可再生能源在技术上的大规模利用，才可能大规模推广利用。

3）氢燃料电池技术快速发展，给石化行业带来新的挑战和机遇

发展新能源汽车可有效降低交通环境污染，提高能源利用效率，是对传统能源汽车的有效接替，也是中国加快培育和发展的战略性新兴产业之一。我国目前电动汽车的发展虽然较快，但纯电动汽车存在锂电池能量密度提升受限、充电时间长、续航里程短等问题，目前中国电动汽车的发展主要依赖国家补贴政策的激励，核心技术研发进展缓慢。氢燃料电池在能量密度和快速充氢上具有优势，发展前景较好，但目前存在氢气和电池（催化剂）生产成本高、储氢材料量产及其成本降低难以实现突破等主要问题。从长远看，新能源汽车的关键技术终将实现质的突破，新能源汽车的发展将从根本上改变目前以石油为基础的交通能源格局，给石化行业油品市场带来一定冲击，石化行业的重心将从燃油生产转向化工原料或其他产品加工。同时，新能源汽车发展也给石化行业带来了发展机遇，石化企业可在氢气供应、加油（气）/充电/加氢一体化运营以及汽车轻量化材料、高端化材料开发方面适时介入新能源汽车产业链，实现石化产业链的转型与调整，培育未来新的利润增长点。