氢能产业发展展望——氢燃料电池系统与氢燃料电池汽车和发电

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氢气燃烧产生的产物是水，无环境污染，因此，氢能被视为21世纪具有极大发展潜力的清洁能源。氢燃料电池堆HFCR(Hydrogen Fuel Cell Reactor)是将氢与氧化学反应的化学能直接转化为电能，它以能量转化率高、排放低、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一，有助于解决能源危机、全球气候变暖以及环境污染问题。氢燃料电池汽车FCV(Fuel Cell Vehicle)是通过氢燃料电池堆产生的电力驱动电动机来行驶的汽车。

因此，美国、德国、日本以及欧盟各国均积极布局氢能产业发展战略，特别是日本提出了构建“氢能社会”的战略及其发展路线图，在氢能技术和发展利用领域走在了世界的前列。我国也在“十三五”规划、《中国制造2025》、《国家创新驱动发展战略纲要》、《汽车产业中长期发展规划》等多个文件中，明确将“氢能与氢燃料电池”作为新兴产业在战略规划和重点任务上大力发展。

目前，氢能源产业正处于将氢气从工业原料向大规模能源开发利用的战略转折点，未来发展空间巨大，相关产业链将得到长足发展。氢能源产业主要包括制氢及储输氢能，氢燃料电池系统及氢燃料电池汽车/发电。下面就我国在氢燃料电池系统与氢燃料电池汽车和发电等技术方面做简单交流。

1 氢燃料电池系统

1.1 工作原理

氢燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路等四个组成部分。原理见图1。

图1 氢燃料电池通过电化学方式取得能量图示

氢燃料电池的阴、阳两极兼具电子传导及催化剂的作用，燃料气(氢气)由阳极通入，反应放出的电子经外电路传导到阴极，再与氧化气(空气)结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成一个完整的回路产生电流。在此过程中，氢燃料电池由于自身的电化学反应以及内阻，会产生一定的热量，主要产物为水。

1.2 分类

目前，燃料电池主要以氢或天然气作为燃料，以电解质类型作分类，见表1。

氢燃料电池产品主要应用在车用领域、固定式电源领域以及便携式领域。氢燃料电池堆/系统、燃料电池乘用车和商用车、氢气车载储存和加氢站产业化初现端倪。特别是氢燃料电池汽车(FCV)的快速发展和商业化推进，尤其是自从2014年日本丰田公司发布“未来”(Miria)氢燃料电池汽车后，引起全球资本投资和汽车业界的高度关注，使之成为当今交通领域和新能源领域的热点，也带动发展了氢燃料电池在备用电源、家用热电联供、分布式能源等领域的发展。

1.3 应用领域

目前小于5kW功率等级的氢燃料电池主要作为移动备用电源、应急供电及便携式电源等，以碱性氢燃料电池、质子交换膜氢燃料电池为主；5kW～200kW功率等级的氢燃料电池主要用于电动自行车、电动摩托车、乘用轿车、公共汽车、物流车、游艇以及家用等的动力电源，以质子交换膜氢燃料电池为主；200kW～2MW功率等级的氢燃料电池多用于家用、社区、商业写字楼、海岛等边远地区作为热电联供分布式能源站，以熔融碳酸盐氢燃料电池、固体氧化物氢燃料电池为主，特别是固体氧化物氢燃料电池(SOFC)具有发电效率高、污染物排放少、燃料适应性广、稳定性好等优点，将在分布式供电/热和高性能动力电源方面发挥重要的作用；大于2MW的氢燃料电池则主要用于大中型发电站或区域性分布式发电站。

表1 燃料电池分类

注：资料来源于公开资料整理。

1.4 成本

目前国际上车用氢燃料电池主要采用质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)。要实现氢燃料电池汽车的商业化，主要是要降低氢燃料电池成本和解决氢源问题。

氢燃料电池体系成本主要决定于氢燃料电池堆和相应的组件，氢燃料电池堆成本主要决定于氢燃料电池铂催化剂、电解质膜和双极板。目前氢燃料电池组都使用金属铂作为催化剂，电极载铂量过高一直阻碍氢燃料电池的发展，为了降低成本，需进一步降低铂催化剂的使用量，并寻求廉价的替代催化剂。质子交换膜应具有较强的氧化和还原稳定性，目前均使用全氟磺酸膜(PFSAs，业内称纳菲薄膜)，氢燃料电池所用的纳菲薄膜主要依靠进口，其价格在600美元/m2左右。因此，要实现氢燃料电池产业化，降低质子交换膜的价格迫在眉睫。双极板应具有良好的耐腐蚀性能，目前最常使用材料是不透性石墨。但是其制作成本较高：制造石墨材料需经过2500℃以上的石墨化，并经过多次浸渍、炭化处理以达到不透性。而且由块状石墨加工成双极板，需采用精密的机械加工，加工成本高，加工时间长，不易批量生产。因此，需进一步改善替代产品——金属双极板的性能，实现制备精度高、成本低、寿命长等需求。

而氢燃料电池堆组件主要由压缩机、氢循环泵、加湿器及其他配件构成，以压缩机为主的其他组件同样占有较大成本空间，如果压缩机成本能够从50美元/kW下降到30美元/kW左右，氢燃料电池堆和相应的组件成本基本各占一半，量产下材料以外的生产成本约占1/4，那么氢燃料电池的生产成本可以控制在100美元/kW，实现商业化。

2 氢燃料电池汽车

2007年起，联合国开发计划署协助中国的“中国氢燃料电池公共汽车商业化示范项目”在北京和上海示范运行氢能源公共汽车：在北京示范运行3辆氢燃料电池公共汽车，安全运行7万多公里，载客近4万人次，在2008年奥运会上示范运行，成为“科技奥运、绿色奥运”的一个亮点；上海在2010年世博会期间示范运行6辆氢燃料电池公共汽车，累计运行2.6万公里，运送乘客10万多人次，在上海2010年世博会期间示范运行，充分体现了“城市让生活更美好”主题。《中国制造2025》对氢燃料电池汽车产业制定了发展规划，2025年实现加氢站等氢能配套基础设施的完善，氢燃料电池汽车发展规模在2020年和2025年将分别达到5000辆和10万辆的规模，在2030年将会形成1百万辆的保有量，配套加氢站数量达4500座以上。自《中国制造2025》、《国家创新驱动发展战略纲要》、《汽车产业中长期发展规划》发布以后，氢燃料电池汽车得到迅猛发展。上海、广东、河北等地先后出台了支持氢燃料电池汽车发展的文件，上海宣布了多项计划，包括《上海市氢燃料电池汽车产业发展规划》等，将通过增加氢燃料站、补贴企业开发氢燃料电池技术和建立研发设施来促进氢燃料电池汽车的发展。上海市规划到2020年，聚集超过100家氢燃料电池汽车相关企业，于2025年建成50座加氢站，到2030年实现氢燃料电池汽车技术和制造总体达到国外同等水平；广东省也出台多项计划，包括《广东省氢燃料电池汽车产业发展工作方案》等，广东省佛山、云浮两市超前布局发展具有全球领先水平的氢燃料电堆动力系统、产业化制氢装备，大力推动加氢基础设施网络建设，努力构筑氢能与氢燃料电池产业体系，在氢能汽车应用示范方面走在了全国前列，引进巴拉德最新一代FC-9SSL氢燃料电池技术年产20000套、30万kW电堆生产线项目于2019年正式投产；河北省也出台多个支持氢能发展文件，河北省张家口市以服务2022年冬奥会为契机，正打造我国北方氢能产业示范基地，张家口市的亿华通科技有限公司规划产能1万台氢燃料电池发动机生产基地，首台氢燃料电池发动机于2017年10月正式下线。

我国各大汽车制造商均积极研发氢燃料电池汽车，氢燃料电池汽车呈现蓬勃发展景象。目前，我国氢燃料电池寿命已经超过5000小时，基本满足车辆运行条件；氢燃料电池汽车发动机功率密度已达到传统内燃机水平；氢燃料电池汽车续驶里程达到750公里；氢燃料电池低温启动温度达-30℃，车辆整体适用范围基本达到传统车水平。

尽管国内氢燃料电池汽车风生水起，然而在氢燃料电池与车辆控制技术等方面还与国际上存在差距，主要体现在：① 氢燃料电池耐久性有待提高，目前，我国乘用车氢燃料电池寿命约为5000小时左右，与国际上的10000小时以上还有不小差距；② 国内企业在氢燃料电池客车动力系统研发、氢燃料电池发动机集成控制技术等方面与国际水平有一定差距；③ 制造成本偏高，由于制造氢燃料电池一些技术和材料还需要进口，国内尚不能解决，使得氢燃料电池成本较高，客车整车成本偏高。

3 加氢站等基础设施

3.1 国内外加氢站建设情况

加氢站是为氢燃料电池汽车加注氢燃料的重要基础设施，其建设和商业化与氢燃料电池汽车商业化发展有着密不可分的关系。截止2017年年底，全球共有328座加氢站，欧洲有139座，亚洲有118座(其中日本91座)，北美有68座，南美有1座，澳大利亚有1座，阿拉伯联合酋长国迪拜有1座私人加氢站。其中227座可以像传统加油站一样，不需预约直接使用；24座需要预约才可使用，其余的加氢站则主要为特定巴士或车队提供氢气燃料。

公开资料显示，未来5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1000座，日本、德国和美国分别有320、400和100座。

据了解，我国目前投入或即将运营的加氢站仅为14座。已建加氢站情况见表2。

表2 我国已建加氢站情况

另外，上海世博会、广州亚运会、深圳大运会所建临时加氢站已经拆除。

从表2可以看出，我国加氢站等基础设施建设远落后于发达国家，也是制约氢燃料电池汽车发展的重要瓶颈。

截止2018年7月份，我国已建成及在建的加氢站共有41座，分别位于北京、上海、江苏、大连、安徽、河南、广东、成都等地，全国各地很多城市也都正在规划建设加氢站。按照《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》，到2020年，加氢站数量达到100座；氢燃料电池车辆达到10000辆；到2030年，加氢站数量达到1000座，氢燃料电池车辆保有量达到200万辆。

3.2 影响加氢站建设的因素

加氢站主要功能是给氢燃料电池汽车加注氢气，其加氢流程见图2。

图2 加氢站流程示意图

依照《轻型汽车气态氢加注协议》SAE-J2601，加氢站加注氢能分为35MPa和70MPa两个加注压力等级，相对应的加氢站储氢设备工作压力为45MPa和98 MPa，为超高压设备。由于我国受高强度炭纤维生产技术水平的限制，目前70MPa加注压力等级纤维全缠绕高压储氢气瓶组仍处于研发试用阶段，生产成本较高。另外，氢压缩、质量流量计、超高压阀门组件等仍然依赖进口，使得加氢站建设成本较大。

另外一个影响加氢站建设的是氢气成本，目前工业制氢的售价基本在40～45元/kg，加氢站销售价格60～70元/kg，按氢燃料电池汽车(小轿车)百公里耗氢1.1kg计，氢燃料电池汽车(小轿车)百公里使用费用约66～77元左右，与目前2.0L排量的燃油汽车相当，但加氢站加氢规模不大，难以收回成本。如果能够充分利用工业副产氢气的低成本，将加氢站的销售价格控制在50元/kg以下，那么氢燃料电池汽车与燃油汽车相比就更具竞争力。因此，广东省在《广东省氢燃料电池汽车产业发展工作方案》中明确提出：支持和推进东莞巨正源120万吨/年丙烷脱氢制聚丙烯副产15万吨/年高纯度氢气项目建设，满足约50万辆氢燃料电池乘用车运行需求。

4 燃料电池发电

最近几年，日本推出氢燃料电池系统，为微型氢能热电联供机组或装置，主要以质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)和固体氧化物氢燃料电池(SOFC)为主：整个系统由氢燃料电池和储热水箱两部分组成，氢燃料电池主要作为发电单元，储热水箱则储存发电余热产生的热水作为家庭供热，包括家庭使用的热水和采暖热水。由于采用氢燃料电池系统，产生的电和热被同时利用，综合能源利用效率达到90%左右。

目前国际上氢燃料电池分布式能源发电站多以熔融碳酸盐氢燃料电池(MCFC，650℃)、磷酸盐类氢燃料电池(PAFC，200℃)和固体氧化物氢燃料电池(SOFC，500～1000℃)为主流，其适用于储能容量大、供电时间长的新能源储能、电网侧调峰等领域，且适用于热电联供的场合，当前国际上大型固定式氢燃料电池发电站主要分布在北美、韩国和日本，北美主要被美国鲁姆能源(Bloom Energy)、斗山燃料电池(Doosan Fuel Cell America)和燃料电池能源(FuelCell Energy)三家公司所占据，2015年这三家公司的总交付量超过70MW；韩国的POSCO Energy已经在韩国累计建设了超过150MW的氢燃料电池发电站，日本的Fuji Electric的氢燃料电池发电站主要应用于医院、写字楼、污水处理厂等领域。国内氢燃料电池发电站项目主要还在示范性阶段，2015年，营口营创三征与荷兰MTSA Technopower，Nedstack Fuel Cell Technology，Akzo Nobel Industrial Chemicals签署合作协议，由营创三征引进荷兰三方氢燃料电池装置技术，利用营创三征氯碱副产氢气资源，建造全球首套2MW氢燃料电池发电站，该电站已于2019年建成投运。

分布式能源发电站领域是一个巨大的市场，随着世界能源结构的变化，分布式能源发电站领域的市场将会越来越大，氢燃料电池分布式能源发电系统将会在分布式能源发电站领域扮演越来越重要的作用，氢燃料电池分布式发电市场前景更是被普遍看好。

5 结语

近年来，随着氢能利用技术发展成熟，以及应对气候变化压力持续增大，氢能在世界范围内备受关注。我国氢能资源丰富，供应渠道多样，可以通过氢燃料电池技术实现氢燃料汽车、家庭氢能源供给站、分布式电/热能源供给等多种方式，实现氢能的利用是实现电网和弃电、弃水、弃风、弃光等互补的重要手段。

制约我国氢能产业发展主要有两大瓶颈：一是氢能产业的基础设施，主要包括氢能加注及氢安全等。目前，高压氢气瓶和储罐技术已取得重大突破；氢能加注基础设施发展滞后，但近几年来呈现快速递增趋势，氢安全技术发展紧跟国际先进水平。二是氢燃料电池核心技术和材料，关键材料尚未实现国产化，催化剂、质子交换膜以及石墨双极板等材料需要进口，且多数为国外所垄断，价格较高；关键组件制备工艺急需提升，膜电极、双极板、压缩机、氢循环泵等与国外存在较大差距。但我国随着氢燃料电池及氢能行业的发展，一是加大对氢燃料电池体系技术的研发投入，提升我国从关键原材料到氢燃料电池堆到控制系统等方面的可靠性、耐久性，降低成本，缩小与先进国家的技术差距；二是通过商业化产业示范运行，促进技术、产业链的成熟，形成氢能供应发展体系，大幅度降低氢能使用成本。相信在不久的将来，氢能将成为我们生活中不可缺少的能源之一。