氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

孟春江，石 光

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300030）

可持續(xù)發(fā)展理念下，人們要求優(yōu)化能源使用結(jié)構(gòu)，即應(yīng)在規(guī)范使用清潔能源的基礎(chǔ)上，減少石化能源的用量；進(jìn)而在保證產(chǎn)業(yè)效益的基礎(chǔ)上，消除石化生產(chǎn)所帶來的能源及環(huán)境危機(jī)，確保工業(yè)產(chǎn)業(yè)清潔化、綠色化生產(chǎn)。氫燃料電池技術(shù)是基于這一背景產(chǎn)生的全新技術(shù)形態(tài)，其通過清潔能力的開發(fā)和商業(yè)利用，有效地促進(jìn)了石化產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 氫燃料電池技術(shù)原理和用途

1.1 技術(shù)原理

燃料電池本質(zhì)上是一種發(fā)電裝置，其能通過電化學(xué)反應(yīng)，將電池中燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。單體電池不僅包含正負(fù)兩個電極，而且涉及電解質(zhì)等物質(zhì)；在整個電化學(xué)反應(yīng)中，電解質(zhì)隔膜兩側(cè)會進(jìn)行一系列的物質(zhì)轉(zhuǎn)換，具體反應(yīng)過程包含氫氧化反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)；經(jīng)此反應(yīng)后，電子能通過外電路通道做功，由此產(chǎn)生一定的電能。

1.2 主要用途

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，能量轉(zhuǎn)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(shù)值保持在40%～60%；當(dāng)電池電化學(xué)反應(yīng)存在差異，或電池工作條件不同時，其實(shí)際的能量轉(zhuǎn)化也有較大區(qū)別。從氫燃料電池應(yīng)用過程來看，此類電能轉(zhuǎn)化過程的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益較為突出，有效地滿足了新時期清潔能源的營養(yǎng)需要。基于此，氫燃料電池的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大；交通運(yùn)輸業(yè)是氫燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域，除此之外，在一些固定領(lǐng)域和便攜式領(lǐng)域中，氫燃料電池也得到一定的推廣和應(yīng)用。

2 氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

基于氫燃料電池突出的技術(shù)優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和生態(tài)優(yōu)勢，其在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計，早在2017 年，全球氫燃料電池的出貨量就已經(jīng)達(dá)到了7.26 萬套，同比增長幅度高達(dá)15%。在我國，氫燃料電池應(yīng)用技術(shù)處于持續(xù)創(chuàng)新階段，從技術(shù)專利層面來看，我國在氫燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)專利位居世界第五，技術(shù)的創(chuàng)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(shù)量。氫燃料電池汽車是氫燃料電池技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的重要內(nèi)容，相比于發(fā)達(dá)國家，我國氫燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展尚處于起步階段，該領(lǐng)域落后國外5～10 年（見表1）。不可否認(rèn)的是，我國現(xiàn)階段氫燃料電池技術(shù)發(fā)展應(yīng)用尚存在一定問題，有必要深化技術(shù)創(chuàng)新，消除這些障礙因素，為氫燃料電池的發(fā)展和應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

表1 國內(nèi)外氫燃料電池性能對比

2.2 應(yīng)用問題

結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際可知，氫燃料電池技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用中尚存在較多問題。

（1）制備氫氣是氫燃料電池大規(guī)模、商業(yè)化使用的技術(shù)前提，現(xiàn)階段，制氫技術(shù)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(yè)尾氣處理的都是制氫的重要方式。但不可否認(rèn)的是，工業(yè)制氫的成本較高，而且其在商業(yè)化運(yùn)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(yùn)輸?shù)膬煞N基本模式，而在具體運(yùn)輸方式層面，集裝格、長管拖車、管道、槽車、鐵路等都是氫氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，但在具體運(yùn)輸方式選擇中，尚缺乏科學(xué)有效的運(yùn)輸體系，有必要結(jié)合氫氣運(yùn)輸方式，進(jìn)行氫氣運(yùn)輸量、氫氣應(yīng)用情況的深入分析。另外現(xiàn)階段氫燃料電池技術(shù)應(yīng)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(fā)等缺陷，這不僅浪費(fèi)了社會資源，而且對周圍環(huán)境具有較大影響，此外，泄漏氫氣危機(jī)泄漏區(qū)居民安全。

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

（4）除經(jīng)濟(jì)風(fēng)險外，政策的變化也會影響氫燃料電池應(yīng)用。經(jīng)濟(jì)風(fēng)險控制中，應(yīng)進(jìn)一步深化氫燃料電池技術(shù)創(chuàng)新，降低電池制造成本，提升電池發(fā)電效率。而在政策層面，國家應(yīng)通過政策支持的方式，加大對燃料電池技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的引導(dǎo)，為氫燃料電池技術(shù)創(chuàng)新和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。

3 氫燃料電池技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 技術(shù)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大

相比傳統(tǒng)的石化工藝，氫燃料電池技術(shù)具有極為突出的技術(shù)優(yōu)勢，一方面，使用氫燃料電池技術(shù)能有效解決從傳統(tǒng)石化生產(chǎn)所帶來的能源短缺問題，深化新能源在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用；另一方面，氫然燃料本身具有清潔性的特點(diǎn)，使用氫燃料電池能減少對環(huán)境的污染。此外，氫能源電池技術(shù)不斷成熟，電池生產(chǎn)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益不斷突出。基于這些優(yōu)勢，氫能源識別得到廣泛應(yīng)用。能源創(chuàng)新計劃指出了氫能源與燃料電池技術(shù)的發(fā)展方向和目標(biāo)。在規(guī)劃中，要求在氫燃料電池領(lǐng)域研究中，不僅要注重氫制取、存儲、運(yùn)輸方式的優(yōu)化，而且應(yīng)深化在先進(jìn)燃料電池及燃料電池分布式發(fā)電等層面的進(jìn)一步研究。并且從整體發(fā)展目標(biāo)來看，預(yù)計到2030 年時，我國要實(shí)現(xiàn)氫能源電池的但規(guī)模推廣；而當(dāng)達(dá)到2050 年時，要求氫能源電池已經(jīng)全面普及?；谶@個目標(biāo)要求，在氫能源電池技術(shù)發(fā)展中，還需要注重以下4 個要點(diǎn)的創(chuàng)新。

（1）制氫工藝直接關(guān)系著電池的應(yīng)用效果，故而在這一領(lǐng)域，應(yīng)深化煤催化氣化制氫等新技術(shù)的應(yīng)用，以此來減少當(dāng)前強(qiáng)能源電池應(yīng)用的能耗和排放，同時降低制氫的經(jīng)濟(jì)效益。

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

（3）除制氫技術(shù)外，氫輸送、存儲對于氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用具有深刻影響，對此還應(yīng)重視輸氫、儲氫材料的選擇應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)氫氣的長距離、大規(guī)模運(yùn)輸和存儲。

（4）應(yīng)重視氫燃料電池技術(shù)實(shí)際輸出功率的控制，確保其滿足新時期工業(yè)生產(chǎn)需要。

3.2 交通領(lǐng)域或?qū)?shí)現(xiàn)率先突破

除固定領(lǐng)域、便攜式領(lǐng)域外，交通領(lǐng)域是氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用的重要方向。相比與其他領(lǐng)域，交通領(lǐng)域氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用更加深入。這是因?yàn)闅淙剂想姵氐哪芎妮^小，據(jù)統(tǒng)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(shí)際明顯低于其他車輛；而且使用過程更加環(huán)保，從這一層面來看，在交通領(lǐng)域使用氫燃料電池，符合綠色環(huán)保要求，順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)社會可持續(xù)發(fā)展趨勢。相比于純電動車和燃油汽車，氫燃料電池車的運(yùn)營成本較高，這在一定程度上阻礙了氫燃料電技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，氫燃料電池的轉(zhuǎn)化效率仍有待提升，這是因?yàn)榻?jīng)理論研究，其能量轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)到90%，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際可知，氫燃料電池技術(shù)仍有較大的發(fā)展?jié)摿?。面對著環(huán)境污染日益嚴(yán)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(yīng)用，并且近年來，不斷立法保護(hù)新能源汽車發(fā)展，這在一定程度上為氫燃料電池技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)；受此影響，在氫燃料電池技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用中，有望在交通運(yùn)輸領(lǐng)域取得率先突破。

3.3 經(jīng)濟(jì)中心地帶將率先使用全新技術(shù)成果

步入新時期以來，我國氫燃料電池技術(shù)在多個層面取得了全新突破，如制氫、儲氫、氫能源轉(zhuǎn)化，能源電池應(yīng)用等。相比經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，注入京津冀、長三角、珠三角等地區(qū)將率先使用氫燃料電池新技術(shù)，推動氫燃料電池技術(shù)的商業(yè)化、規(guī)?；瘧?yīng)用。一方面，這些地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，化石資源消耗嚴(yán)重，且環(huán)境污染相對嚴(yán)重，其迫切需要新能源、新技術(shù)來打破當(dāng)前發(fā)展困局。另一方面，從氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模推廣過程來看，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的資金優(yōu)勢明顯，基于這一優(yōu)勢，區(qū)域內(nèi)聚集了一大批先進(jìn)的研發(fā)、生產(chǎn)、制造與測試企業(yè)，這為氫燃料電池技術(shù)的推廣和商業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)語

新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用具有極為明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢、節(jié)能優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢，其能有效解決石化生產(chǎn)所帶來的能源、環(huán)境問題。新時期，人們只有充分掌握氫燃料電池技術(shù)原理和應(yīng)用方向，在分析該技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，把握氫燃料電池技術(shù)發(fā)展趨勢，這樣能有效提升氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用水平，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。