氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析

徐洪流



氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析

徐洪流

（南京康尼机电股份有限公司，江苏 南京 210000）

在全球气候开始变暖和面临石油危机、气候危机、环境危机等问题的背景下，世界各个国家开始将目光纷纷投向清洁能源，氢燃料电池技术由此应运而生，一时间成为了大家热议的对象。氢燃料电池技术由于效率高、零排量的特点，被一直认为是未来新能源汽车发展的重要方向之一。从目前的形势上看，国内外在氢燃料电池技术的应用上，已经在商用车上实现了突破，同时也在一些沿海城市与国内发达地区实现了规模性的推广应用。但是，氢燃料电池技术还存在成本高、技术设施配套不完善的缺陷，这样就给能源行业的发展带来了新的挑战。这个时候，就需要秉承科学发展观的思想，介入新能源汽车产业链，在政策的引导下，完成石化产业链的转型与调整，促进氢燃料电池技术的应用与可持续发展。

氢燃料；电池技术；环境污染；新兴产业

1 氢燃料电池的主要原理与用途

1.1 主要原理

燃料电池可以将化学能转变为电能，最终达到应用电能的目的。由于燃料电池兼具电池和热机两个方面的特征，因此具有能量转化效率高、排放后无污染、噪声小、震动频率低、可低温快速启动等特点[1]。根据电解质的不同，电解质隔膜两侧可以发生氢氧化反应和氧还原反应，最终产生电能。从理论的角度进行探究，燃料电池的能量转化效率可以达到90%以上，但是在各种因素的影响下，其工业条件受到限制，实际转化率只能达到40%～60%.如果将纯氢气作为燃料电池，那么可以消除CO、NOx、SOx、粉尘等污染，也可以达到无排量，这时化学产物仅仅为水[2]，体现出其清洁、可靠、能移动、寿命长等特征，同时也可以在供电的基础上，实现有效的供暖。

1.2 用途

最初的时候，燃料电池由于其体积小、容量较大，出现到大家的视野当中，并主要应用于航天领域。随着科技的进一步发展，氢燃料电池也开始应用到发电与汽车行业，现在新能源汽车风靡全球。从目前的形势上看，氢燃料电池主要应用于便携式领域、固定领域、运输领域，且正在向大、中型电站，小型便携式电源延伸。

2 氢燃料电池技术应用现状

2.1 从国外技术现状进行分析

从日本技术现状进行探究，日本在政府的支持下，在20世纪90年代的时候开展燃料电池汽车的研发，并以绝对的优势实现了安全性的成果研究。2014年，日本相关产业也发布了2040年“氢社会”战略路线图[3]。2017年年底，日本政府发布了2050年“氢能源基本战略”。在分解探析中，2020年主要是达到燃料电池汽车的使用量，并占据优势地位。2030年进一步扩大需求，实现“电、热”能源的二次能源结构应用[4]。2040年，构想将氢燃料技术与CO2捕获技术、封存组合技术等相互结合。

从美国技术现状进行探究，美国政府主要制定了三个能源目标，并在计划中主要探究氢能和燃料电池在军事方面的主要应用。

从德国技术现状进行分析，德国在燃料电池上的研究过程中，申请专利的数量已经在全球范围内排名前三。不管是技术的细节，还是技术的分类上，更加关注固体氧化物燃料电池技术，尤其是该技术在车辆中的应用。

从韩国技术现状进行分析，韩国已经成立了“氢能研发中心”，并围绕这个中心，规划了三个阶段。从专利的角度进行分析，韩国的技术主要倾向于甲醇和熔融碳酸盐燃料电池技术与燃料电池便携式的主要应用。

2.2 从国内技术现状进行分析

从国内技术现状来看，我国在技术细节上更加关注电极与催化剂的探究。在技术分类上，目前主要探究的是质子交换膜燃料电池技术。从专利的角度看，申请数量较少。核心技术没有形成，成本居高不下，未能形成有效的产业化能力。氢燃料电池汽车相对于发达国家来讲也落后很多。从全球的应用现状进行分析，2017年全球燃料电池出货功率为670 MW，呈现出明显的增长趋势[5]。

3 氢燃料电池技术应用遇到的挑战

3.1 氢燃料的制取成本和排放达不到要求

从商业化的角度来看，氢气制备需要在原有的基础上实现大规模的构建。从目前的形势来看，可以实现制氢技术的大规模应用，但是氢燃料电池成本和污染物排放达不到相关要求。

3.2 氢气运输体系不够完善

从加氢站网络化分布上看，运输水平还需要上升一个很大的台阶。从目前的形势来看，还不能有效解决运输方面的问题。在一些发达国家，氢气管道总长度已超过16 000 km，但在我国，运输的范围受限，远距离运输还没有形成一种常态，不适合大规模的商业化应用[6]。

3.3 储氢技术需要进一步突破

氢在常温状态下是气态的，且密度较小。这个时候，氢燃料的安全性与存储的高效性就成为了发展道路上的一个重要挑战。例如，在大容量的运输当中，存在着泄漏和氢脆等安全隐患。

3.4 国内催化剂原料资源不多

据不完全统计，铂族元素的世界存储量较少。我国催化剂原料资源也不是很多。到2030年的时候，如果需要内燃料电池车达到200万辆的话，那么就需要消耗40 t金属电催化剂，这对能源的需求是巨大的。

3.5 经济性较差，政策风险较大

从燃料电池的角度进行探究，铂的用量是巨大的，但是转化率却较低。燃料电池主要使用得是石墨双极板。此种技术还不能得到很好的应用，并且机械性较强。从政策的角度看，基础设施还不够完善，成本较高。因此，我国更加倾向于电网系统，主要推进纯电动汽车的应用与发展。

4 氢燃料电池技术的发展趋势

4.1 国外氢燃料电池技术的发展趋势

在一些发达的欧美国家中，已经加快了加氢站的建设步伐，燃料电池汽车开始进入商业化的示范阶段。从《全球加氢站统计报告》中可以看出，2017年，欧洲有106座加氢站，亚洲有101座加氢站，北美有64座加氢站，还有个别分布在其他区域。从每年的增长量上看，日本最多，然后就是欧洲的国家。从近几年的整体趋势上看，很多国家已经开始加快了加氢站建设的速度。

从燃料电池系统成本上看，美国等国家的能源部已经开始了对成本的预测，并在大规模的生产过程中进行了预算条件、预算结果、预算技术的构建。预计从2015年到2020年，技术成本又可以得到一次飞跃，实现每千瓦30美元的最终目标，并在时间的推移中，不断压缩技术成本。从全球燃料电池汽车发展的角度进行分析，美国预计到2030年，全球燃料电池汽车会从2016年的2 840辆提升至5 500辆。预计2030年与2020年相比，也有很大的增长趋势。从美国的市场研究机构调查中发现，2018年燃料电池呈上升趋势，无论是亚太地区、欧洲，还是北美地区，到2050年，燃料电池汽车的销量数量将大幅提升，并在汽车市场中占据较大的比例。

4.2 国内氢燃料电池技术的发展趋势

从目前的形势上看，到2020年，我国氢气产能的规模可以达到648万吨/年。规模可以达到10亿立方米/年至15亿立方米/年，并建立标准规范体系。另外，我国沿海等发达地区的氢能与燃料电池产业也开始呈现大规模发展、应用状态。到2030年，需要在此基础上，实现氢气产能900万吨/年，氢产能规模可以达到200亿立方米/年，进一步扩大氢站的覆盖面积[7]。从长远的角度看，2050年，加氢站服务区域可以覆盖全国范围。

从氢燃料电池发展趋势上看，我国主要计划和战略目标是：2020年示范运行，2030年大规模推广应用，2050年普及应用。在2020年，我国燃料电池汽车已经实现了燃料电池和氢能的示范性运行。从商用车产业化或率先突破上看，我国燃料电池车辆以商用车为主。目前，京津冀、长三角、珠三角、武汉等地都已经开展过燃料电池示范运行，以期减少污染物的排放，实现氢能汽车的规模化推广与应用。

5 结束语

新常态背景下，氢能源可能成为下一代的基础能源。到2020年，氢燃料电池技术将进入示范应用阶段，并于2030年实现大规模的推广应用。从目前的形势上看，氢燃料电池技术尚处于成本较高、基础设施配套不完善、环境污染相对较大、制氢能耗较高的一个发展状态。但是，在全球化技术的推动下，氢燃料电池技术开始与时俱进，不断发展，给石化行业带来了新的挑战与机遇，并一跃成为战略性新兴产业之一。因此，新能源汽车的发展要想从本质上上升一个台阶，就需要将轻量化材料和高端化材料开发介入新能源汽车的产业链发展中，在良好的协同下，秉承科学发展观的主要思想，保证氢燃料电池技术的可持续发展。

［1］方瑜.基于中国专利的氢燃料电池发展趋势分析［J］.长春师范大学学报（自然科学版），2017（5）：111-112.

［2］孙田田，王林，郭巧巧，等.纯电动汽车与氢燃料电池汽车发展现状及前景［J］.科技视界，2016（4）：163-164.

［3］黄振军，武晓云，林志民.,燃料电池AIP潜艇用氢源技术的发展现状及分析［J］.电源技术，2017（11）：158-160.

［4］张同林.日本新型氢燃料电池汽车及其产业发展前景［J］.上海节能，2016（2）：86-91.

［5］余本善，孙乃达，焦姣.储能技术与产业现状及发展趋势［J］.石油科技论坛，2017（01）：61-65，71.

［6］汪广溪.氢能利用的发展现状及趋势［J］.低碳世界，2017（29）：295-296.

［7］戴月领，贺云涛，刘莉，等.燃料电池无人机发展及关键技术分析［J］.战术导弹技术，2018（5）：111-112.

2095－6835（2019）02－0160－02

TM911.4

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.160

〔编辑：王霞〕