氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望
——?dú)淙剂想姵叵到y(tǒng)與氫燃料電池汽車和發(fā)電

廣東寰球廣業(yè)工程有限公司 廣州 510655

氫氣燃燒產(chǎn)生的產(chǎn)物是水，無(wú)環(huán)境污染，因此，氫能被視為21世紀(jì)具有極大發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。氫燃料電池堆HFCR(Hydrogen Fuel Cell Reactor)是將氫與氧化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，它以能量轉(zhuǎn)化率高、排放低、能量和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是適應(yīng)未來(lái)能源和環(huán)境要求的理想動(dòng)力源之一，有助于解決能源危機(jī)、全球氣候變暖以及環(huán)境污染問(wèn)題。氫燃料電池汽車FCV(Fuel Cell Vehicle)是通過(guò)氫燃料電池堆產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)行駛的汽車。

因此，美國(guó)、德國(guó)、日本以及歐盟各國(guó)均積極布局氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，特別是日本提出了構(gòu)建“氫能社會(huì)”的戰(zhàn)略及其發(fā)展路線圖，在氫能技術(shù)和發(fā)展利用領(lǐng)域走在了世界的前列。我國(guó)也在“十三五”規(guī)劃、《中國(guó)制造2025》、《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》等多個(gè)文件中，明確將“氫能與氫燃料電池”作為新興產(chǎn)業(yè)在戰(zhàn)略規(guī)劃和重點(diǎn)任務(wù)上大力發(fā)展。

目前，氫能源產(chǎn)業(yè)正處于將氫氣從工業(yè)原料向大規(guī)模能源開(kāi)發(fā)利用的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)折點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展空間巨大，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈將得到長(zhǎng)足發(fā)展。氫能源產(chǎn)業(yè)主要包括制氫及儲(chǔ)輸氫能，氫燃料電池系統(tǒng)及氫燃料電池汽車/發(fā)電。下面就我國(guó)在氫燃料電池系統(tǒng)與氫燃料電池汽車和發(fā)電等技術(shù)方面做簡(jiǎn)單交流。

1 氫燃料電池系統(tǒng)

1.1 工作原理

氫燃料電池主要由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路等四個(gè)組成部分。原理見(jiàn)圖1。

圖1 氫燃料電池通過(guò)電化學(xué)方式取得能量圖示

氫燃料電池的陰、陽(yáng)兩極兼具電子傳導(dǎo)及催化劑的作用，燃料氣(氫氣)由陽(yáng)極通入，反應(yīng)放出的電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極，再與氧化氣(空氣)結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成一個(gè)完整的回路產(chǎn)生電流。在此過(guò)程中，氫燃料電池由于自身的電化學(xué)反應(yīng)以及內(nèi)阻，會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，主要產(chǎn)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(zhì)類型作分類，見(jiàn)表1。

氫燃料電池產(chǎn)品主要應(yīng)用在車用領(lǐng)域、固定式電源領(lǐng)域以及便攜式領(lǐng)域。氫燃料電池堆/系統(tǒng)、燃料電池乘用車和商用車、氫氣車載儲(chǔ)存和加氫站產(chǎn)業(yè)化初現(xiàn)端倪。特別是氫燃料電池汽車(FCV)的快速發(fā)展和商業(yè)化推進(jìn)，尤其是自從2014年日本豐田公司發(fā)布“未來(lái)”(Miria)氫燃料電池汽車后，引起全球資本投資和汽車業(yè)界的高度關(guān)注，使之成為當(dāng)今交通領(lǐng)域和新能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也帶動(dòng)發(fā)展了氫燃料電池在備用電源、家用熱電聯(lián)供、分布式能源等領(lǐng)域的發(fā)展。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

目前小于5kW功率等級(jí)的氫燃料電池主要作為移動(dòng)備用電源、應(yīng)急供電及便攜式電源等，以堿性氫燃料電池、質(zhì)子交換膜氫燃料電池為主；5kW～200kW功率等級(jí)的氫燃料電池主要用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、乘用轎車、公共汽車、物流車、游艇以及家用等的動(dòng)力電源，以質(zhì)子交換膜氫燃料電池為主；200kW～2MW功率等級(jí)的氫燃料電池多用于家用、社區(qū)、商業(yè)寫(xiě)字樓、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)作為熱電聯(lián)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(fā)電效率高、污染物排放少、燃料適應(yīng)性廣、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，將在分布式供電/熱和高性能動(dòng)力電源方面發(fā)揮重要的作用；大于2MW的氫燃料電池則主要用于大中型發(fā)電站或區(qū)域性分布式發(fā)電站。

表1 燃料電池分類

注：資料來(lái)源于公開(kāi)資料整理。

1.4 成本

目前國(guó)際上車用氫燃料電池主要采用質(zhì)子交換膜氫燃料電池(PEMFC)。要實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的商業(yè)化，主要是要降低氫燃料電池成本和解決氫源問(wèn)題。

氫燃料電池體系成本主要決定于氫燃料電池堆和相應(yīng)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(zhì)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(guò)高一直阻礙氫燃料電池的發(fā)展，為了降低成本，需進(jìn)一步降低鉑催化劑的使用量，并尋求廉價(jià)的替代催化劑。質(zhì)子交換膜應(yīng)具有較強(qiáng)的氧化和還原穩(wěn)定性，目前均使用全氟磺酸膜(PFSAs，業(yè)內(nèi)稱納菲薄膜)，氫燃料電池所用的納菲薄膜主要依靠進(jìn)口，其價(jià)格在600美元/m2左右。因此，要實(shí)現(xiàn)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化，降低質(zhì)子交換膜的價(jià)格迫在眉睫。雙極板應(yīng)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(jīng)過(guò)2500℃以上的石墨化，并經(jīng)過(guò)多次浸漬、炭化處理以達(dá)到不透性。而且由塊狀石墨加工成雙極板，需采用精密的機(jī)械加工，加工成本高，加工時(shí)間長(zhǎng)，不易批量生產(chǎn)。因此，需進(jìn)一步改善替代產(chǎn)品——金屬雙極板的性能，實(shí)現(xiàn)制備精度高、成本低、壽命長(zhǎng)等需求。

而氫燃料電池堆組件主要由壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵、加濕器及其他配件構(gòu)成，以壓縮機(jī)為主的其他組件同樣占有較大成本空間，如果壓縮機(jī)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(yīng)的組件成本基本各占一半，量產(chǎn)下材料以外的生產(chǎn)成本約占1/4，那么氫燃料電池的生產(chǎn)成本可以控制在100美元/kW，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2 氫燃料電池汽車

2007年起，聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署協(xié)助中國(guó)的“中國(guó)氫燃料電池公共汽車商業(yè)化示范項(xiàng)目”在北京和上海示范運(yùn)行氫能源公共汽車：在北京示范運(yùn)行3輛氫燃料電池公共汽車，安全運(yùn)行7萬(wàn)多公里，載客近4萬(wàn)人次，在2008年奧運(yùn)會(huì)上示范運(yùn)行，成為“科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)”的一個(gè)亮點(diǎn)；上海在2010年世博會(huì)期間示范運(yùn)行6輛氫燃料電池公共汽車，累計(jì)運(yùn)行2.6萬(wàn)公里，運(yùn)送乘客10萬(wàn)多人次，在上海2010年世博會(huì)期間示范運(yùn)行，充分體現(xiàn)了“城市讓生活更美好”主題。《中國(guó)制造2025》對(duì)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)制定了發(fā)展規(guī)劃，2025年實(shí)現(xiàn)加氫站等氫能配套基礎(chǔ)設(shè)施的完善，氫燃料電池汽車發(fā)展規(guī)模在2020年和2025年將分別達(dá)到5000輛和10萬(wàn)輛的規(guī)模，在2030年將會(huì)形成1百萬(wàn)輛的保有量，配套加氫站數(shù)量達(dá)4500座以上。自《中國(guó)制造2025》、《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布以后，氫燃料電池汽車得到迅猛發(fā)展。上海、廣東、河北等地先后出臺(tái)了支持氫燃料電池汽車發(fā)展的文件，上海宣布了多項(xiàng)計(jì)劃，包括《上海市氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等，將通過(guò)增加氫燃料站、補(bǔ)貼企業(yè)開(kāi)發(fā)氫燃料電池技術(shù)和建立研發(fā)設(shè)施來(lái)促進(jìn)氫燃料電池汽車的發(fā)展。上海市規(guī)劃到2020年，聚集超過(guò)100家氫燃料電池汽車相關(guān)企業(yè)，于2025年建成50座加氫站，到2030年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車技術(shù)和制造總體達(dá)到國(guó)外同等水平；廣東省也出臺(tái)多項(xiàng)計(jì)劃，包括《廣東省氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作方案》等，廣東省佛山、云浮兩市超前布局發(fā)展具有全球領(lǐng)先水平的氫燃料電堆動(dòng)力系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)化制氫裝備，大力推動(dòng)加氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，努力構(gòu)筑氫能與氫燃料電池產(chǎn)業(yè)體系，在氫能汽車應(yīng)用示范方面走在了全國(guó)前列，引進(jìn)巴拉德最新一代FC-9SSL氫燃料電池技術(shù)年產(chǎn)20000套、30萬(wàn)kW電堆生產(chǎn)線項(xiàng)目于2019年正式投產(chǎn)；河北省也出臺(tái)多個(gè)支持氫能發(fā)展文件，河北省張家口市以服務(wù)2022年冬奧會(huì)為契機(jī)，正打造我國(guó)北方氫能產(chǎn)業(yè)示范基地，張家口市的億華通科技有限公司規(guī)劃產(chǎn)能1萬(wàn)臺(tái)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)基地，首臺(tái)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)于2017年10月正式下線。

我國(guó)各大汽車制造商均積極研發(fā)氫燃料電池汽車，氫燃料電池汽車呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展景象。目前，我國(guó)氫燃料電池壽命已經(jīng)超過(guò)5000小時(shí)，基本滿足車輛運(yùn)行條件；氫燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度已達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)水平；氫燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程達(dá)到750公里；氫燃料電池低溫啟動(dòng)溫度達(dá)-30℃，車輛整體適用范圍基本達(dá)到傳統(tǒng)車水平。

盡管國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車風(fēng)生水起，然而在氫燃料電池與車輛控制技術(shù)等方面還與國(guó)際上存在差距，主要體現(xiàn)在：① 氫燃料電池耐久性有待提高，目前，我國(guó)乘用車氫燃料電池壽命約為5000小時(shí)左右，與國(guó)際上的10000小時(shí)以上還有不小差距；② 國(guó)內(nèi)企業(yè)在氫燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)、氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)集成控制技術(shù)等方面與國(guó)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(shù)和材料還需要進(jìn)口，國(guó)內(nèi)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(chǔ)設(shè)施

3.1 國(guó)內(nèi)外加氫站建設(shè)情況

加氫站是為氫燃料電池汽車加注氫燃料的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)和商業(yè)化與氫燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展有著密不可分的關(guān)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(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)迪拜有1座私人加氫站。其中227座可以像傳統(tǒng)加油站一樣，不需預(yù)約直接使用；24座需要預(yù)約才可使用，其余的加氫站則主要為特定巴士或車隊(duì)提供氫氣燃料。

公開(kāi)資料顯示，未來(lái)5年，全球主要國(guó)家將加快加氫站建設(shè)，到2020年，全球加氫站保有量將超過(guò)435座，2025年有望超過(guò)1000座，日本、德國(guó)和美國(guó)分別有320、400和100座。

據(jù)了解，我國(guó)目前投入或即將運(yùn)營(yíng)的加氫站僅為14座。已建加氫站情況見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)已建加氫站情況

另外，上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)、深圳大運(yùn)會(huì)所建臨時(shí)加氫站已經(jīng)拆除。

從表2可以看出，我國(guó)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，也是制約氫燃料電池汽車發(fā)展的重要瓶頸。

截止2018年7月份，我國(guó)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(guó)各地很多城市也都正在規(guī)劃建設(shè)加氫站。按照《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(shū)(2016)》，到2020年，加氫站數(shù)量達(dá)到100座；氫燃料電池車輛達(dá)到10000輛；到2030年，加氫站數(shù)量達(dá)到1000座，氫燃料電池車輛保有量達(dá)到200萬(wàn)輛。

3.2 影響加氫站建設(shè)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(jiàn)圖2。

圖2 加氫站流程示意圖

依照《輕型汽車氣態(tài)氫加注協(xié)議》SAE-J2601，加氫站加注氫能分為35MPa和70MPa兩個(gè)加注壓力等級(jí)，相對(duì)應(yīng)的加氫站儲(chǔ)氫設(shè)備工作壓力為45MPa和98 MPa，為超高壓設(shè)備。由于我國(guó)受高強(qiáng)度炭纖維生產(chǎn)技術(shù)水平的限制，目前70MPa加注壓力等級(jí)纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶組仍處于研發(fā)試用階段，生產(chǎn)成本較高。另外，氫壓縮、質(zhì)量流量計(jì)、超高壓閥門(mén)組件等仍然依賴進(jìn)口，使得加氫站建設(shè)成本較大。

另外一個(gè)影響加氫站建設(shè)的是氫氣成本，目前工業(yè)制氫的售價(jià)基本在40～45元/kg，加氫站銷售價(jià)格60～70元/kg，按氫燃料電池汽車(小轎車)百公里耗氫1.1kg計(jì)，氫燃料電池汽車(小轎車)百公里使用費(fèi)用約66～77元左右，與目前2.0L排量的燃油汽車相當(dāng)，但加氫站加氫規(guī)模不大，難以收回成本。如果能夠充分利用工業(yè)副產(chǎn)氫氣的低成本，將加氫站的銷售價(jià)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(jìng)爭(zhēng)力。因此，廣東省在《廣東省氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作方案》中明確提出：支持和推進(jìn)東莞巨正源120萬(wàn)噸/年丙烷脫氫制聚丙烯副產(chǎn)15萬(wàn)噸/年高純度氫氣項(xiàng)目建設(shè)，滿足約50萬(wàn)輛氫燃料電池乘用車運(yùn)行需求。

4 燃料電池發(fā)電

最近幾年，日本推出氫燃料電池系統(tǒng)，為微型氫能熱電聯(lián)供機(jī)組或裝置，主要以質(zhì)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(gè)系統(tǒng)由氫燃料電池和儲(chǔ)熱水箱兩部分組成，氫燃料電池主要作為發(fā)電單元，儲(chǔ)熱水箱則儲(chǔ)存發(fā)電余熱產(chǎn)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(tǒng)，產(chǎn)生的電和熱被同時(shí)利用，綜合能源利用效率達(dá)到90%左右。

目前國(guó)際上氫燃料電池分布式能源發(fā)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(chǔ)能容量大、供電時(shí)間長(zhǎng)的新能源儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰等領(lǐng)域，且適用于熱電聯(lián)供的場(chǎng)合，當(dāng)前國(guó)際上大型固定式氫燃料電池發(fā)電站主要分布在北美、韓國(guó)和日本，北美主要被美國(guó)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(jù)，2015年這三家公司的總交付量超過(guò)70MW；韓國(guó)的POSCO Energy已經(jīng)在韓國(guó)累計(jì)建設(shè)了超過(guò)150MW的氫燃料電池發(fā)電站，日本的Fuji Electric的氫燃料電池發(fā)電站主要應(yīng)用于醫(yī)院、寫(xiě)字樓、污水處理廠等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)氫燃料電池發(fā)電站項(xiàng)目主要還在示范性階段，2015年，營(yíng)口營(yíng)創(chuàng)三征與荷蘭MTSA Technopower，Nedstack Fuel Cell Technology，Akzo Nobel Industrial Chemicals簽署合作協(xié)議，由營(yíng)創(chuàng)三征引進(jìn)荷蘭三方氫燃料電池裝置技術(shù)，利用營(yíng)創(chuàng)三征氯堿副產(chǎn)氫氣資源，建造全球首套2MW氫燃料電池發(fā)電站，該電站已于2019年建成投運(yùn)。

分布式能源發(fā)電站領(lǐng)域是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，隨著世界能源結(jié)構(gòu)的變化，分布式能源發(fā)電站領(lǐng)域的市場(chǎng)將會(huì)越來(lái)越大，氫燃料電池分布式能源發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)在分布式能源發(fā)電站領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的作用，氫燃料電池分布式發(fā)電市場(chǎng)前景更是被普遍看好。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著氫能利用技術(shù)發(fā)展成熟，以及應(yīng)對(duì)氣候變化壓力持續(xù)增大，氫能在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注。我國(guó)氫能資源豐富，供應(yīng)渠道多樣，可以通過(guò)氫燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)氫能的利用是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和棄電、棄水、棄風(fēng)、棄光等互補(bǔ)的重要手段。

制約我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要有兩大瓶頸：一是氫能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括氫能加注及氫安全等。目前，高壓氫氣瓶和儲(chǔ)罐技術(shù)已取得重大突破；氫能加注基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展滯后，但近幾年來(lái)呈現(xiàn)快速遞增趨勢(shì)，氫安全技術(shù)發(fā)展緊跟國(guó)際先進(jìn)水平。二是氫燃料電池核心技術(shù)和材料，關(guān)鍵材料尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，催化劑、質(zhì)子交換膜以及石墨雙極板等材料需要進(jìn)口，且多數(shù)為國(guó)外所壟斷，價(jià)格較高；關(guān)鍵組件制備工藝急需提升，膜電極、雙極板、壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵等與國(guó)外存在較大差距。但我國(guó)隨著氫燃料電池及氫能行業(yè)的發(fā)展，一是加大對(duì)氫燃料電池體系技術(shù)的研發(fā)投入，提升我國(guó)從關(guān)鍵原材料到氫燃料電池堆到控制系統(tǒng)等方面的可靠性、耐久性，降低成本，縮小與先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)差距；二是通過(guò)商業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范運(yùn)行，促進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，形成氫能供應(yīng)發(fā)展體系，大幅度降低氫能使用成本。相信在不久的將來(lái)，氫能將成為我們生活中不可缺少的能源之一。