中国氢燃料电池技术发展及应用现状研究

＊侯绪凯 赵田田 孙荣峰* 耿文广 员冬玲

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）能源与动力工程学院（能源研究所）山东 250014 2.山东省能效与低碳工程实验室 山东 250014）

1.氢燃料电池基本原理及分类

(1)基本原理

燃料电池作为一种能量转化装置，通过电化学反应，燃料的化学能转化为电能，同时伴随着热量和产物（H2O）的生成。单体电池作为燃料电池的核心部分，主要由正极（氧化剂电极）、负极（燃料电极）以及电解质三部分组成。燃料电池工作时，氧化气送入到正极（阴极），燃料送入到负极（阳极），从而产生氢氧化反应和氧化反应（两种反应分别位于电解质隔膜的两侧），对外提供电能。燃料电池与热汽轮机不同，工作不经过热机过程，而是直接通过燃料的化学能产生电能，从根本上摆脱卡诺循环的限制，因此燃料电池的能量转化效率很高。燃料电池若采用纯H2（或高纯度H2）作为燃料，反应产物仅为H2O，不会产生SOX、NOX等污染物，从而响应“双碳”政策。

(2)分类

燃料电池常见的类型有很多，通常根据电池电解质的种类对其进行区分：碱性燃料电池（Alkaline Auel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）等[1]。

不同类型燃料电池的工作温度不同，故也可以根据工作温度将燃料电池划分为不同的种类。AFC和PEMFC工作温度不超过200℃，属于低温型燃料电池；PAFC为中温燃料电池（工作温度介于200～750℃）；SOFC属于高温燃料电池（工作温度超过750℃）[2]。

除此之外，燃料电池所使用燃料的种类也较为广泛，常见的有：CH4、CH4O、C2H6O以及H2等。所以也可以根据燃料名称及种类对燃料电池进行分类。

2.各主流燃料电池工作原理

(1)AFC

燃料电池的电解质为碱性时，燃料的渗透率会更低，电解质的电流密度会更大，电解质通常为氢氧化钾溶液。AFC通常使用金属元素铂（Pt）作为催化剂。对合金催化剂而言，催化剂的稳定性和反应活性因其载体种类、分散度、负载量等因素的差异而受到不同程度的影响。通过掺杂修饰剂可以较好提高其催化剂性能[3]。一般地碱性燃料电池正负极反应如下：

阳极：2H2+4OH-=4H2O+4e-

阴极：O2+2H2O+4e-=4OH

AFC一般工作在80℃环境下具有相对较好的工作性能，具有启动响应非常迅速的特点，但其能量密度却只有PEMFC的十几分之一。AFC电解质为碱性，故在实际工作中，氧化剂必须使用纯氧。若氧化剂采用空气，实际寿命会因空气中的CO2大大降低，故使商业应用成本大幅度增加[4]。AFC目前也只是在军用领域上得到应用，其他应用领域较为罕见，其商业应用率不高。

(2)PAFC

PAFC电解质和催化剂分别为浓磷酸和铂，通常工作在200℃左右，属于中温燃料电池[5]。PAFC不仅可以采用氢气为燃料，还可以直接使用天然气、甲醇、天然气等廉价材料，相比于碱性燃料电池而言，其最大的优点是不需要专门处理CO2的设备，故反应气体可以直接使用空气。PAFC的燃料采用重整气，将其应用在固定电站等相关领域，具有极大地优势和潜力。

PAFC反应原理为：改质器中通入燃料气体，燃料在800℃反应温度下发生化学反应[CXHY+XH2O→XCO+（X+Y/2）H2]被转化为H2、CO和水蒸气混合物；与此同时，H2O和CO经催化剂的催化作用在移位反应器中生成H2O和CO2。最后，燃料经处理进入负极的燃料堆，同时空气中的O2在燃料堆的正极（空气极）进行化学反应，并通过催化剂的催化，从而产生电能和热能[6]，其电极反应如图1所示。反应过程为：

图1 磷酸燃料电池电极反应图

阳极：H2+2e-→2H+

阴极：1/2O2+2H+→H2O+2e-

总反应：1/2O2+H2→H2O

PAFC最初研究和开发是为了控制电网的用电平衡，20世纪末，其重心侧重于向公民住宅、医院、商场、旅馆等提供热电联产服务[7]。此外，PAFC还可以用于车辆电源和可移动式电源等。

(3)MCFC

通常采用金属Li、K、Na、Cs的碳酸盐混合物作为MCFC的电解质。隔膜材料（多孔陶瓷电解质）LiAiO2多孔陶瓷阴极（氧化镍）、多孔金属阳极（多孔镍）、金属极板等结构与电解质一同组成MCFC基本结构。MCFC因工作温度较高（650～700℃），所以反应速度加快；而且采用液体电解质，操作简单；重要的是该燃料电池对燃料的纯度要求相对较低，不需要贵金属催化剂，极大地降低了成本。MCFC一般应用于区域性供电。

电解质隔膜材料为LiAiO2，添加锂的氧化镍为正极，多孔镍为负极，这种材料会在650℃时发生相变产生，并与H2结合从而产生H2O、CO2和电子[8]。化学反应如下：

总反应：2H2+O2=2H2O+电能

图2 MCFC工作原理图

(4)SOFC

在常见的几种燃料电池中，固体氧化物燃料电池（SOFC）在理论上能量密度是最高的一种。SOFC的电解质为固体陶瓷，单体电池由两个多孔的电极和夹在中间的紧密电解质层构成。SOFC工作时温度非常高，最高运行温度能达到800～1000℃，所以其电解质具有传递O2-、分隔氧化剂和燃料[10]的作用。氧气分子在阴极发生还原反应产生O2-。因在隔膜两侧存在电势差和氧浓度较差的影响下，O2-会定向跃迁到阳极侧与燃料进行氧化反应[10]。

SOFC在工作时，阴极侧的氧气因得到电子被还原成氧离子，氧离子因分压受压差作用下通过电解质层中的氧空位输送到阳极侧，并与燃料发生氧化反应从而失去电子[11]，其工作原理如图3所示。

图3 SOFC工作原理图

SOFC反应过程为：

阳极：H2+O2-=H2O+2e-

阴极：1/2O2+2e-=O2-

总反应：H2+1/2O2=H2O

SOFC单体电池因实际功率有限，只能产生1V左右的电压，因此必须将若干单体电池通过串联、并联、混联的方式组成电池组从而大幅度提高功率以满足实际应用的功率需求，方可具备实际应用条件。SOFC通常用于中、小型固定式热电联产发电，热电材料的不断进步与创新也使其经济效益大幅度提高[12]。SOFC因工作温度通常在650～1000℃，升温速率过快会对电池组件造成损害，故还存在启动时间缓慢（65～200min）等关键技术问题。

(5)PEMFC

PEMFC用聚合膜作电解质，又称为聚合物电解质燃料电池，同时与阴极、阳极和外电路组成。目前PEMFC在电动汽车和物料搬运领域的应用是最具潜力的。在燃料电池内部，质子从阳极穿过交换膜到达阴极，从而与外电路的电子构成回路，为外界负载供电。PEMFC相比于其他电池工作温度较低（一般低于100℃），同时还可以根据实际工作需求灵活调整输出功率。同时燃料电池排放物是水和水蒸气，能实现零污染；能源转换效率高达60%～70%；工作过程中不会产生震动和噪声。此外，PEMFC还具有启动速度快、比功率高、结构简单、操作方便等优势。

PEMFC工作时，阳极催化剂促使燃料（H2）离化为氢离子（H+），随后氢离子（H+）穿过质子交换膜到达阴极并释放电子（e-），对外电路做功；催化剂使氧化剂还原，与H+、e-生成水。PEMFC工作原理图如图4所示。

图4 PEMFC工作原理图

PEMFC电化学反应如下：

阳极：4H++4e-=2H2

阴极：O2+4H++4e-=2H2O

总反应：2H2+O2=2H2O+热量

PEMFC已经在客车、轻型汽车以及叉车领域得到应用。在近几年，燃料电池汽车在性能方面取得了很大的突破与进步[13]，其续航里程、最高时速等性能可与传统的汽油车相匹敌。

3.氢燃料电池应用发展现状

(1)国外

美国早在60年代中期就开始使用碱性燃料电池为宇宙飞船提供电能，但是该燃料电池所使用的燃料和催化剂分别为H2和O2，使用贵金属铂作为催化剂，由于成本过于昂贵，不适于民用[14]。随后，美国开展针对家用、小型工商业等天然气燃料电池供电研究计划，美国联合技术公司与诸多煤气公司共同开展并制定了1967—1975年美国燃料电池详细研究与发展计划。自从60年代磷酸燃料电池（PAFC）在美国也逐渐受到人们的重视，越来越多的国家开始投入大量资金用于支持项目的研究[15]。20世纪70年代起，日本的煤气公司和电力公司就已经着手燃料电池的开发，通过12.5kW、40kW等燃料电池发电站实验的成功示范；MW级的燃料电池电站的大规模引进；促使日本在燃料电池的运行、维修等方面取得丰富的经验[16]。美国与日本合作建造了11MW级燃料电池电站，并成功运行至1993年，共计6425h。日本在具备能够独自建造燃料电池电站的同时，还不断购买美国的燃料电池产品，这使得日本在较短时间内掌握了制造和运行PAFC电站的先进技术。

美国是最先研究和发展PAFC技术的国家，而日本则是在PAFC技术领域发展速度最快的国家，仅仅是10～15年的时间，日本就具备代表PAFC世界最高水平[17]。1981—1986年日本的“月光计划”（即国家燃料电池发展计划）预算4400万美元用于支持研发燃料电池有关项目，其中3000万美元用于发展PAFC。1987年“月光计划”原10年计划修改为15年计划，总研发经费约为570亿日元[18]。1989年9月11日成立的欧洲燃料电池集团（EFCG），由22家公司组成并投资2500万欧元，同日本和美国在燃料电池技术等领域竞争[19]。EFCG购买美国和日本生产的PAFC，然后从电池的工作性能、运行状态方面进行研究，将学习和获取的相关经验与自身国家对PAFC的燃料处理和电能转化等技术进行有效结合。

20世纪末，许多国家和地区开始着手与PAFC的研究与开发，例如意大利、印度等[20-24]。许多世界知名公司也开始参与PAFC的开发制造，例如东芝、富士机电等。美国和日本的PAFC技术领先于世界上其他国家。200kW PC25型产品，是由美国国际燃料公司（ONSI）和日本东芝公司联合组建的，该产品在满负荷状态下，最长连续运行时间可达9500h[25]；最长运行时间将近4万h，基本接近商业化运行标准要求。FP-100型100kW PAFC可达到连续工作7000h，该产品是由富士电机研发制造[26]。

对于PAFC的制造成本方面，逐渐呈现降低的趋势。ONSI公司于1995年推出的200kW PC 25C型PAFC制造成本仅为3000＄/kW，PC 25D型PAFC成本会降至1500＄/kW，体积大幅度减小的同时质量仅为14t[7]。1993年，大坂煤气公司建造了主要以100kW PAFC供电的未来型试验住宅NECT 21。在1994年，第一辆以甲醇为燃料的PAFC公共汽车由美国H能源公司在美国圣第哥举办的第14届燃料电池会议上展示[27]。该车配备有富士公司制造的50kW PAFC发动机和一个Cd-Ni蓄电池作为辅助动力。日本NTT公司开发了一种便携式250W PAFC作为通讯使用，质量仅为30kg，配备10.5L氢气瓶，可实现满载工作5h[28]。

在燃料电池领域，美国一直处于领先地位。美国计划到2040年进入“氢能经济”时代。据美国《燃料电池技术市场报告》可知，美国研发重点为SOFC和PEMFC，该燃料电池的相关产业已经盈利。2018年燃料电池汽车在全球发展迅速，据市场研究机构预测，到2024年，燃料电池汽车销量在美国将达到22.8万辆；到2030年，燃料电池汽车销量达到350万辆；新能源汽车（燃料电池、纯电、混动）预计在2050年占据美国市场主体地位。

欧洲在氢能和燃料电池项目方面占据全球约70%左右，德国在技术和商业化领域占据主导地位，超过350家公司和科研机构广泛活跃于该领域。相比之下，德国在技术方面重点关注燃料电池电堆、燃料的制造与存储；对于应用方面，德国更关注及擅长燃料电池在车辆中的应用。

同样在燃料电池技术处于领先地位的日本，在政府的大力支持与扶持下，日本的燃料电池技术发展全面。日本于2014年发布了“氢社会”战略路线，该战略详细指出了截止到2040年日本的氢能源和燃料电池产业分三步走的相关发展方向和规划等[29]。大力推广燃料电池和燃料电池汽车在日本本国的使用量；到2030年，为满足日本对氢燃料的巨大需求，将氢能源与“电、热”能源协调配合形成全新二次能源结构[30]。到2040年，氢燃料完全实现“零”碳排放。

韩国在政府的鼎力支持下创立了“氢能研发中心”，主要围绕氢能源的生产、储存、利用三方面进行展开，且目前已经进入推广执行阶段。相比之下，韩国更加侧重于MCFC技术的研究，主要包括电池的膜电极组件性能、技术细节和便携性等方面。

(2)国内

我国目前在氢燃料电池技术上处于开发阶段，电池的膜电极性能、电功率、启停特性、使用寿命及可靠性等核心技术较国外领先集团还存在一定差距。近些年，我国在燃料电池相关研究领域的专利数量逐年增加，专利数量位居全球第五。从专利申请情况不难看出，大部分发明专利来自于高校和研究所，企业专利申请数量很少。此外，对于燃料电池的关键技术研究较成熟，但在关键领域及核心技术上较为薄弱，且还未形成可供参考和成熟的技术标准和体系。

在技术细节上，我国对电极和催化剂更为关注；在技术分类上，较关注PEMFC技术。目前需要认清的现状是，我国氢燃料电池成本依旧居高不下，在燃料电池的催化剂、电池极板等材料生产方面，还有很大的进步空间；对氢气的存储、运输以及循环等设备零件的量产能力，还需不断完善和提升；我国的燃料电池汽车整体技术水平还需5～10年才能达到国际领先。国内外燃料电池整体性能对比见表1。2017年，全球燃料电池出货功率增长显著，为670MW[31]。相信随着政策的不断扶持，我国燃料电池的核心技术（例如电池电堆技术、系统集成与整体制造技术）将快速进步，逐渐缩小差距。

表1 国内外燃料电池整体性能对比

2016年10月，中国汽车工程学会发布了《节能与新能源汽车技术路线图》，该路线图主要阐述了燃料汽车的发展规划问题。中国于2020年3月就已经完成到2020年燃料汽车保有量5000辆的阶段性目标，并为汽车工业的持续发展和创新[32]奠定了坚实的基础。王晓莉，张志文等[33]收集整理了国外燃料电池电动汽车销售情况数据，分析了国外燃料电池汽车市场，从而结合了中国的政策、环境等优势，预测得出我国燃料电池汽车产量、销量呈现稳步上升趋势。我国目前新能源汽车整体技术水平显著提升，车辆电池续航逐步提高，整车动力及稳定性能不断增强，经济性和综合效益水平持续优化，在国际遥遥领先。基于燃料电池轿车和动力系统技术平台，开发出多款新产品并完成示范；智能汽车也逐步进入产业化阶段。我国汽车关键技术实现重大突破[34]。沿海等发达地区也开始大规模发展氢燃料电池产业，氢气产能及规模预计到2030年分别可以达到900万t/a和200亿m3/a，氢能覆盖面积从而将会进一步扩大[36]。目前，燃料电池在我国京津冀、湖北武汉、长三角等诸多地区已经示范运行。根据相关文献资料和未来市场前景分析可以初步推断，我国到2050年可以实现加氢站在全国各地大规模覆盖，实现氢能源汽车规模化应用。

(3)全球氢燃料电池应用情况

2017年，据Fuel Cell Industry Review统计，全球燃料电池市场出货情况较为可观。表2、表3、表4分别从不同角度列出全球燃料电池出货情况。

表2 全球燃料电池市场出货量（按应用领域）（单位千件）

表3 全球燃料电池市场出货量（按类型）（单位千件）

表4 全球燃料电池市场出货量（按区域）（单位千件）

4.中国氢燃料电池应用面临的挑战

(1)制氢成本高

氢气的制取技术及成本是氢燃料电池在中国实现商业化及规模化发展的一个关键问题。工业制氢技术的复杂和制氢成本的昂贵制约着氢气的价格，所以要想在中国大力发展燃料电池技术，首要问题就落在电池的燃料成本上。

目前制取氢气较为常见和普遍使用的方法有：电解水、水煤气法、石油裂解以及天然气重整等[36]。除此之外，近些年来许多新技术也不断问世，例如：煤炭超临界水气化制氢[37-38]、天然气联产氢气和甲酸工艺[39]以及生物质制氢[40]等。但是诸多制氢方法中，制氢成本高、氢气纯度和污染物排放达不到要求等问题还有待解决。

(2)储氢技术不成熟

氢气是世界上已知密度最小的气体，其密度只有空气的1/14。氢气在存储过程中受安全性、储能密度等技术要求制约，从而限制了氢燃料电池的大规模使用。当前储氢方法有加压压缩储氢、液化储氢、空心玻璃微球储氢以及金属氢化物储氢等[41]。但是在氢气存储过程中依旧存在安全性低、成本高、易泄露、存储密度小等问题。现阶段储氢在技术、材料等方面还有很长的路要走。

(3)氢气运输体系不完善

氢气目前主要采用的运输方式为气氢运输和液氢运输。管道输送是实现氢气大规模、长距离输送的重要方式，同时也是最经济的方式。国外较早地就提出氢气管道长距离输送标准，CGA G-5.6-2005（R2013）《氢气管道系统》由欧洲压缩气体协会提出；ASME B31.12-2014《氢用管道系统和管道》由美国工程师协会编制；除此之外还有亚洲工业气体协会的AIGA 033/14《氢气管道系统》。不足的是，相对内容上，以上诸多标准并不全面，仅仅是为了提出参考[42]。GB 50177《氢气站设计规范》（GB 50177-2005）《氢气使用安全技术规程》（GB 4962-2008）是我国提出的有关氢气管道的两个标准。在有关氢气站、工厂及车间氢气管道设计与建设方面，GB 50177是最适用的，但是该标准并不适用于氢气长输管道。GB 4962也仅仅适用于气态氢的使用、存储、压缩、灌装以及安全防护和紧急情况处理等方面的技术要求。所以目前国内尚无针对氢气长输管道的标准体系。

(4)国内催化剂原料资源短缺

催化剂是氢燃料电池的核心部件之一，由于铂元素稀缺，使得催化剂成为燃料电池核心部件中成本最高的部件。若想使燃料电池实现大规模商业化，这对金属电催化剂的需求是巨大的。要想解决对能源的严重依赖，就迫切需要研发与探索新型催化剂。

(5)燃料电池经济性较差

燃料电池目前还没实现大规模商用的主要原因之一是由于高昂的成本，尤其是电极和催化剂材料成本昂贵。通过氢燃料电池发电，成本要远高于传统发电形式，目前预计价格为2.5～3元/kW·h。关于燃料电池成本问题可以着手从燃料重整技术和燃料的类型两方面进行努力。一些研究已经开始开发合成气和各种碳氢化合物作为驱动热电联产系统的燃料。其他研究集中在燃料电池电解质的新材料上，以降低投资成本，增加寿命周期[44]。

5.结论

随着化石燃料的资源有限和大量开采，当今世界新能源的开发迫在眉睫。氢燃料电池因其高效率、高可靠性、运行无噪音等特点，广泛应用于电动汽车的动力电源领域以及集中式或分散式电站；为商场、医院、酒店、工厂车间等诸多场所提供电能和实现热电联产等。

中国对于燃料电池的研究起步较晚，在燃料电池电极、电解质以及催化剂等主要核心部件及材料的研发方面较行业领先国家还有一定的差距。通过对行业领先国家的氢燃料电池产业的发展历程和共性问题进行研究，可以给中国氢燃料电池产业发展进程完善思路和提供创新想法，促进中国氢燃料电池更好、更快发展。目前看来，我国的燃料电池距离大规模使用还有很长的路要走，主要受限于制造和使用成本较高、制氢和氢能储运技术不成熟等问题。相信随着燃料电池和氢能源技术的不断提高与快速发展，同时在国家和政府的大力支持下，有望实现2030年大规模推广以及2050年普及应用。