氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析

孟春江，石 光

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300030）

可持续发展理念下，人们要求优化能源使用结构，即应在规范使用清洁能源的基础上，减少石化能源的用量；进而在保证产业效益的基础上，消除石化生产所带来的能源及环境危机，确保工业产业清洁化、绿色化生产。氢燃料电池技术是基于这一背景产生的全新技术形态，其通过清洁能力的开发和商业利用，有效地促进了石化产业链的转型，实现了能源产业的可持续发展。

1 氢燃料电池技术原理和用途

1.1 技术原理

燃料电池本质上是一种发电装置，其能通过电化学反应，将电池中燃料的化学能转化为电能。单体电池不仅包含正负两个电极，而且涉及电解质等物质；在整个电化学反应中，电解质隔膜两侧会进行一系列的物质转换，具体反应过程包含氢氧化反应与氧化还原反应；经此反应后，电子能通过外电路通道做功，由此产生一定的电能。

1.2 主要用途

现代工业生产中，能量转化效率是衡量能源利用效果的重要因素，对于氢燃料电池而言，其该参数值保持在40%～60%；当电池电化学反应存在差异，或电池工作条件不同时，其实际的能量转化也有较大区别。从氢燃料电池应用过程来看，此类电能转化过程的经济效益、环境效益较为突出，有效地满足了新时期清洁能源的营养需要。基于此，氢燃料电池的应用范围不断扩大；交通运输业是氢燃料电池的主要应用领域，除此之外，在一些固定领域和便携式领域中，氢燃料电池也得到一定的推广和应用。

2 氢燃料电池技术应用现状及问题

2.1 应用现状

基于氢燃料电池突出的技术优势、经济优势和生态优势，其在全球范围内的应用规模不断扩大。据统计，早在2017 年，全球氢燃料电池的出货量就已经达到了7.26 万套，同比增长幅度高达15%。在我国，氢燃料电池应用技术处于持续创新阶段，从技术专利层面来看，我国在氢燃料电池领域的技术专利位居世界第五，技术的创新有效地拓宽了氢燃料电池的适用范围，增加了氢燃料电池的使用数量。氢燃料电池汽车是氢燃料电池技术商业化应用的重要内容，相比于发达国家，我国氢燃料电池汽车的商业化发展尚处于起步阶段，该领域落后国外5～10 年（见表1）。不可否认的是，我国现阶段氢燃料电池技术发展应用尚存在一定问题，有必要深化技术创新，消除这些障碍因素，为氢燃料电池的发展和应用奠定良好基础。

表1 国内外氢燃料电池性能对比

2.2 应用问题

结合工业生产实际可知，氢燃料电池技术商业化应用中尚存在较多问题。

（1）制备氢气是氢燃料电池大规模、商业化使用的技术前提，现阶段，制氢技术具有多样性的特征，常见的制氢手段不仅包含水电解，而且涉及甲醇裂解，此外，氨分解和氯碱工业尾气处理的都是制氢的重要方式。但不可否认的是，工业制氢的成本较高，而且其在商业化运作中仍有较高的污染物排放。

（2）气氢输送、液氢输送是氢气运输的两种基本模式，而在具体运输方式层面，集装格、长管拖车、管道、槽车、铁路等都是氢气运输的主要方式，但在具体运输方式选择中，尚缺乏科学有效的运输体系，有必要结合氢气运输方式，进行氢气运输量、氢气应用情况的深入分析。另外现阶段氢燃料电池技术应用中还存在一定的储氢障碍，即氢气在储存中存在泄漏、蒸发等缺陷，这不仅浪费了社会资源，而且对周围环境具有较大影响，此外，泄漏氢气危机泄漏区居民安全。

（3）氢燃料电池使用中会使用一定的催化剂，但现阶段，我国氢燃料电池催化剂的原材料储备不断建设，这对于氢燃料电池的制备生产和商业应用造成较大冲击。

（4）除经济风险外，政策的变化也会影响氢燃料电池应用。经济风险控制中，应进一步深化氢燃料电池技术创新，降低电池制造成本，提升电池发电效率。而在政策层面，国家应通过政策支持的方式，加大对燃料电池技术商业化应用的引导，为氢燃料电池技术创新和新能源产业的发展创造良好环境。

3 氢燃料电池技术发展趋势

3.1 技术规模将持续扩大

相比传统的石化工艺，氢燃料电池技术具有极为突出的技术优势，一方面，使用氢燃料电池技术能有效解决从传统石化生产所带来的能源短缺问题，深化新能源在现代工业产业中的应用；另一方面，氢然燃料本身具有清洁性的特点，使用氢燃料电池能减少对环境的污染。此外，氢能源电池技术不断成熟，电池生产应用的经济效益不断突出。基于这些优势，氢能源识别得到广泛应用。能源创新计划指出了氢能源与燃料电池技术的发展方向和目标。在规划中，要求在氢燃料电池领域研究中，不仅要注重氢制取、存储、运输方式的优化，而且应深化在先进燃料电池及燃料电池分布式发电等层面的进一步研究。并且从整体发展目标来看，预计到2030 年时，我国要实现氢能源电池的但规模推广；而当达到2050 年时，要求氢能源电池已经全面普及。基于这个目标要求，在氢能源电池技术发展中，还需要注重以下4 个要点的创新。

（1）制氢工艺直接关系着电池的应用效果，故而在这一领域，应深化煤催化气化制氢等新技术的应用，以此来减少当前强能源电池应用的能耗和排放，同时降低制氢的经济效益。

（2）为进一步扩大氢燃料电池的使用范围，要求进一步延长氢能源电池的使用寿命，即新研发电池的使用寿命应超过5000h。

（3）除制氢技术外，氢输送、存储对于氢燃料电池技术的应用具有深刻影响，对此还应重视输氢、储氢材料的选择应用，实现氢气的长距离、大规模运输和存储。

（4）应重视氢燃料电池技术实际输出功率的控制，确保其满足新时期工业生产需要。

3.2 交通领域或将实现率先突破

除固定领域、便携式领域外，交通领域是氢燃料电池技术应用的重要方向。相比与其他领域，交通领域氢燃料电池技术的应用更加深入。这是因为氢燃料电池的能耗较小，据统计，在各类型车辆中，氢燃料电池车的百公里能耗为1kg 氢气，实际明显低于其他车辆；而且使用过程更加环保，从这一层面来看，在交通领域使用氢燃料电池，符合绿色环保要求，顺应网络社会可持续发展趋势。相比于纯电动车和燃油汽车，氢燃料电池车的运营成本较高，这在一定程度上阻碍了氢燃料电技术的发展。现阶段，氢燃料电池的转化效率仍有待提升，这是因为经理论研究，其能量转化效率最高可达到90%，结合应用实际可知，氢燃料电池技术仍有较大的发展潜力。面对着环境污染日益严重的问题，我国从2015 年开始逐步推广氢燃料电池在巴士中的应用，并且近年来，不断立法保护新能源汽车发展，这在一定程度上为氢燃料电池技术在交通运输领域的发展奠定了良好基础；受此影响，在氢燃料电池技术商业化应用中，有望在交通运输领域取得率先突破。

3.3 经济中心地带将率先使用全新技术成果

步入新时期以来，我国氢燃料电池技术在多个层面取得了全新突破，如制氢、储氢、氢能源转化，能源电池应用等。相比经济欠发达地区，注入京津冀、长三角、珠三角等地区将率先使用氢燃料电池新技术，推动氢燃料电池技术的商业化、规模化应用。一方面，这些地区工业发达，化石资源消耗严重，且环境污染相对严重，其迫切需要新能源、新技术来打破当前发展困局。另一方面，从氢燃料电池技术大规模推广过程来看，经济发达地区的资金优势明显，基于这一优势，区域内聚集了一大批先进的研发、生产、制造与测试企业，这为氢燃料电池技术的推广和商业应用创造了有利条件。

4 结语

新能源产业发展背景下，氢燃料电池技术应用具有极为明显的经济优势、节能优势和环保优势，其能有效解决石化生产所带来的能源、环境问题。新时期，人们只有充分掌握氢燃料电池技术原理和应用方向，在分析该技术应用现状的基础上，把握氢燃料电池技术发展趋势，这样能有效提升氢燃料电池技术应用水平，促进新能源产业的持续、稳定发展。