陳慶 廖健淞 曾軍堂

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)后，全球各國(guó)對(duì)于節(jié)能、環(huán)保問題愈加重視，紛紛鼓勵(lì)清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中氫燃料電池作為清潔能源重要的一部分，發(fā)展非常迅速。本文主要針對(duì)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用和工程化現(xiàn)狀進(jìn)行研究和分析，探討氫燃料電池應(yīng)用方面的不足和未來的發(fā)展方向。

氫燃料電池早在20世紀(jì)60年代就因其體積小、容量大的特點(diǎn)而成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫燃料電池也逐步被運(yùn)用于常規(guī)發(fā)電和新能源汽車?，F(xiàn)如今，伴隨各類電子智能設(shè)備的崛起以及新能源汽車的風(fēng)靡，氫燃料電池主要應(yīng)用于3大領(lǐng)域：運(yùn)輸領(lǐng)域、固定發(fā)電領(lǐng)域、便攜式領(lǐng)域。其中，運(yùn)輸領(lǐng)域主要為車載型燃料電池，應(yīng)用于叉車、乘用車方面，需要燃料電池盡可能輕型化、穩(wěn)定化，大部分為質(zhì)子交換膜燃料電池；固定發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用集中在發(fā)電站、固定電源、熱電聯(lián)產(chǎn)方面，以固體氧化物燃料電池為主；便攜式領(lǐng)域則是小型3C電池，特別是手機(jī)、筆記本電腦、相機(jī)等小型電池。目前燃料電池在固定發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展最好，近年來在運(yùn)輸領(lǐng)域也有一定的突破，在便攜式領(lǐng)域基本處于停滯狀態(tài)。

2 燃料電池在運(yùn)輸領(lǐng)域的主要應(yīng)用及工程化現(xiàn)狀

2.1 燃料電池在叉車上的應(yīng)用

燃料電池叉車與現(xiàn)有燃油叉車和電動(dòng)叉車相比，具有節(jié)能、環(huán)保、高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別是在使用和維護(hù)上，比現(xiàn)有的鉛酸蓄電池叉車更加方便快捷。

自2009年美國(guó)國(guó)防后勤局與加拿大巴拉德能源系統(tǒng)公司（Ballard）合作研發(fā)的燃料電池叉車投入使用以來，可口可樂、聯(lián)邦快遞、沃爾瑪?shù)却笮推髽I(yè)也相繼對(duì)原有的叉車進(jìn)行升級(jí)換代。截至2018年年底，美國(guó)國(guó)內(nèi)投入使用的燃料電池叉車已經(jīng)超過3萬輛，其燃料電池系統(tǒng)85%以上都是由普拉格能源（Plug Power）公司提供，其他生產(chǎn)企業(yè)包括努威拉燃料電池（Nuvera Fuel Cells）和Oorja Protonics等[1]也在迅速擴(kuò)張市場(chǎng)。

在歐洲市場(chǎng)方面，燃料電池叉車的接受程度相對(duì)較低。截至2015年，歐洲燃料電池叉車的保有量不超過1 000輛，其大部分由各國(guó)的物流公司所有，而歐洲最大的叉車制造廠家德國(guó)林德（Linde）公司的生產(chǎn)重心仍然放在傳統(tǒng)蓄電池叉車和燃油叉車上，在2008年德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上推出燃料電池叉車樣車后，由于市場(chǎng)因素和成本制約，并未進(jìn)一步推廣。

在亞洲市場(chǎng)方面，由于日本的“氫能戰(zhàn)略”，在國(guó)家政策推動(dòng)下燃料電池相關(guān)的下游產(chǎn)品推廣相對(duì)較快，主要集中港口、工廠、物流中心等大型工作區(qū)域，其市場(chǎng)接受度和普及率相對(duì)較高，但在與傳統(tǒng)叉車的競(jìng)爭(zhēng)上仍未取得較大優(yōu)勢(shì)。其主要生產(chǎn)商為豐田（TOYOTA），目前已經(jīng)成為世界上最大的燃料電池叉車生產(chǎn)廠商。

在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，燃料電池行業(yè)才剛剛起步，距離產(chǎn)業(yè)元年僅僅2年左右的時(shí)間，加上新能源汽車方向的高補(bǔ)貼，叉車領(lǐng)域少有問津。目前生產(chǎn)企業(yè)不到10家，大多集中在江浙、沿海一帶，尚未形成規(guī)模。

燃料電池叉車在世界范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化形勢(shì)已經(jīng)逐漸明朗，北美以Plug Power和巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)（Ballard Power Systems）公司的合作占據(jù)了絕大部分現(xiàn)有市場(chǎng)，歐洲市場(chǎng)尚未完全開發(fā)，日本則是由TOYOTA領(lǐng)頭，在國(guó)家扶持下先行對(duì)大型作業(yè)區(qū)域進(jìn)行更新?lián)Q代。然而現(xiàn)有的燃料電池叉車應(yīng)用大多在大型企業(yè)或國(guó)家扶持下，這是因?yàn)樵趯?shí)際使用過程中，電池及其輔助設(shè)施的高成本是燃料電池叉車的推廣中一個(gè)最大的障礙[2]，特別是在中小型企業(yè)中，很難負(fù)擔(dān)高昂的設(shè)備成本。這種技術(shù)在叉車及類似機(jī)械上的應(yīng)用表明，氫燃料在這類巨大的細(xì)分市場(chǎng)中具有顯著的潛力。

2.2 燃料電池在乘用車上的應(yīng)用

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為主要?jiǎng)恿碓吹匿囯姵刂饾u體現(xiàn)出難以解決的重要缺陷，特別是在續(xù)航里程和電堆安全性方面，受到一系列的質(zhì)疑和詬病?？梢杂行Ы鉀Q這2大核心問題的燃料電池再次被提上日程，作為下一代新能源汽車動(dòng)力電池而備受矚目。

日本在氫能和燃料電池方向浸淫已久，早在1985年就申請(qǐng)了第一件關(guān)于燃料電池方面的專利。日本TOYOTA在2013年將其在全國(guó)的約5 680件專利無償公開[3]，旨在推動(dòng)全球的化石能源向氫能轉(zhuǎn)型，并于2014年發(fā)售了全球首款燃料電池汽車“Mirai”，本田緊隨其后推出“Clarity”。韓國(guó)現(xiàn)代則于2018年推出燃料電池SUV型汽車“Nexo”，針對(duì)的主要市場(chǎng)是美國(guó)、日本和韓國(guó)本土，而且在2018年年底開始逐步打開歐洲市場(chǎng)。

歐洲地區(qū)和北美地區(qū)在燃料電池技術(shù)上具有自主研發(fā)、生產(chǎn)的能力，但由于外部原因并未對(duì)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)加以重視，傳統(tǒng)車企更加偏向于鋰電池的新能源汽車，對(duì)于燃料電池乘用車接受度并不高。目前，歐美地區(qū)只有德國(guó)戴姆勒公司生產(chǎn)GLC型燃料電池汽車，但由于價(jià)格昂貴，并未面向市場(chǎng)銷售，僅僅用于出租，其他公司目前尚無燃料電池汽車面世。

國(guó)內(nèi)自2015年新能源汽車補(bǔ)貼風(fēng)向轉(zhuǎn)變后，部分廠家開始尋求向燃料電池領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變，在燃料電池汽車領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，推向市場(chǎng)的燃料電池汽車主要為在商用車特別是大型客車，車企通過示范運(yùn)營(yíng)等方式拉動(dòng)了燃料電池產(chǎn)業(yè)的需求。根據(jù)高工產(chǎn)研氫電研究所的數(shù)據(jù)，2018年國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車產(chǎn)量為1 619輛，其中專用車909輛，客車710輛。其銷售區(qū)域主要集中在氫燃料電池生產(chǎn)區(qū)域，如陜西、上海、江浙滬、廣東、北京等地，車企主體分別為上汽大通、福田汽車、金華青年、宇通客車等，乘用車僅有上汽榮威950系列用于租賃業(yè)務(wù)[4]。

2.3 燃料電池在運(yùn)輸領(lǐng)域的現(xiàn)狀分析

我國(guó)氫燃料電池汽車目前確定的發(fā)展目標(biāo)為：到2020年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車技術(shù)規(guī)模化示范運(yùn)行，示范車輛達(dá)到5 000輛。到2025年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車技術(shù)的推廣應(yīng)用，商用車達(dá)到萬輛規(guī)模，乘用車規(guī)模達(dá)到4萬輛。到2030年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，氫燃料電池汽車產(chǎn)銷規(guī)模達(dá)到50萬輛。

2013年至2017年全球氫燃料電池汽車銷量?jī)H為6475輛[5]，其中大部分為豐田的Mirai系列，2018年有了較大幅度的增長(zhǎng)，合計(jì)銷售5 127輛，在美國(guó)的銷量約2 300輛，同比銷量比2017年略有下降[6]，市場(chǎng)反響并未達(dá)到預(yù)期增速；而國(guó)內(nèi)的燃料電池汽車從2016年的不足30輛迅速擴(kuò)張到2018年1 619輛。究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

2.3.1 燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尚未成型

燃料電池汽車的應(yīng)用對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的依賴相當(dāng)嚴(yán)重，而加氫站的建設(shè)成本極為高昂，難以大規(guī)模快速形成規(guī)模。目前美國(guó)的加氫站主要集中在舊金山灣區(qū)、加州洛杉磯和奧蘭治縣，因而燃料電池汽車在這幾個(gè)區(qū)域的銷售情況較好。

2.3.2 燃料電池本身成本較高

燃料電池需要大規(guī)模生產(chǎn)才能有效降低成本，但由于燃料電池的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是鋰電池，業(yè)內(nèi)也經(jīng)常會(huì)將燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車做比較，只是隨著兩者的不平衡發(fā)展，數(shù)據(jù)連連跳動(dòng)。2009年的時(shí)候，業(yè)界認(rèn)為續(xù)航150km以上，燃料電池將占成本優(yōu)勢(shì)，2016年的時(shí)候奔馳公司估計(jì)的平衡點(diǎn)變成了350km，而到了2018年韓國(guó)現(xiàn)代認(rèn)為就乘用車而言，要達(dá)到500km以上的續(xù)航，燃料電池對(duì)比純電動(dòng)汽車才能顯示出成本優(yōu)勢(shì)。這種惡性循環(huán)進(jìn)一步導(dǎo)致燃料電池難以擴(kuò)大規(guī)模侵占鋰電池市場(chǎng)。

2.3.3 國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)展迅猛主要由國(guó)家推動(dòng)

國(guó)內(nèi)的燃料電池發(fā)展速度較快主要是由于鄭州、張家口、佛山等公交線路的示范運(yùn)營(yíng)，加上奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)等熱點(diǎn)事件拉動(dòng)訂單，因此國(guó)內(nèi)的燃料電池汽車基本為商用型，加上國(guó)內(nèi)燃料電池起步較晚，在關(guān)鍵材料上與國(guó)外差距較大，國(guó)內(nèi)廠家很難突破國(guó)外的技術(shù)封鎖和壁壘，進(jìn)一步導(dǎo)致國(guó)內(nèi)的乘用型燃料電池汽車企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)難度。

我國(guó)氫燃料電池汽車目前確定的發(fā)展目標(biāo)為：到2020年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車技術(shù)規(guī)?；痉哆\(yùn)行，示范車輛達(dá)到5 000輛；到2025年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車技術(shù)的推廣應(yīng)用，商用車達(dá)到萬輛規(guī)模，乘用車規(guī)模達(dá)到4萬輛；到2030年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，氫燃料電池汽車產(chǎn)銷規(guī)模達(dá)到50萬輛。

3 固定式燃料電池的主要應(yīng)用及工程化現(xiàn)狀

3.1 固定式燃料電池的應(yīng)用

固定式燃料電池主要用于各種固定位置的電力供應(yīng)，包括主要應(yīng)用于發(fā)電站、樓宇、工程等領(lǐng)域的大型首要電源、備用電源或熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP），用于家庭住宅和商業(yè)的微型CHP，以及遠(yuǎn)程或基本應(yīng)用例如電訊塔的首要或備用電源。

3.2 固定式燃料電池的市場(chǎng)及工程化現(xiàn)狀

2017年，固定式燃料電池出貨量為213.5MW，主要由日本的ENEOS CellTech公司（由日本石油公司與日本三洋電氣公司聯(lián)合組建的合資公司）和美國(guó)的布魯姆能源（Bloom Energy）所把控；2018年美國(guó)在調(diào)整燃料電池相關(guān)稅收后，固定式燃料電池項(xiàng)目增多，加上韓國(guó)的大型固定式燃料電池工廠建設(shè)完成，出貨量超過300MW[7]。其中Bloom Energy主要為大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心提供能源系統(tǒng)，包括蘋果、谷歌、因特爾、沃爾瑪、AT&T、韓國(guó)韓東南電力公司等大型企業(yè)；受此影響，燃料電池能源（Fuel Cell Energy）公司的重心也由發(fā)電站項(xiàng)目向大型企業(yè)供電轉(zhuǎn)變。固定式燃料電池的主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品型號(hào)如表1所示。

由于日本政府大力推動(dòng)的能源農(nóng)場(chǎng)（Ene—Farm）計(jì)劃——全球規(guī)模最大的燃料電池項(xiàng)目，所以固定式燃料電池在日本的普及程度最廣。截至2017年5月，日本完成了20萬套固定式燃料電池的安裝，計(jì)劃在2020年完成140萬套，2030年安裝530萬套，參與這個(gè)項(xiàng)目的還有松下和東芝等大型企業(yè)。此外，印度在移動(dòng)基站方面大面積使用燃料電池作為能源，2015年初，Essential公司在印度裝機(jī)超過100MW，使用基站超過1萬個(gè)；英國(guó)的Intelligent Energy（IE）公司為超過27 400座通訊塔部署燃料電池作為備用電源[9]。

4 結(jié)語

燃料電池整體產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，固定式燃料電池通過日本政府的大力推動(dòng)，普及已經(jīng)初見成效，用于交通運(yùn)輸?shù)囊苿?dòng)式電池同樣在穩(wěn)步增長(zhǎng)，特別是許多大型汽車生產(chǎn)企業(yè)都計(jì)劃在2020年左右推出各自的燃料電池車。氫燃料電池作為全球能源可持續(xù)發(fā)展和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)路徑，目前已明確為全球能源和交通領(lǐng)域發(fā)力的重要支撐。國(guó)外有英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)都大力推出燃料電池汽車，并加大加氫站建設(shè)。我國(guó)也在大力推動(dòng)氫燃料電池汽車綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。未來，燃料電池有望在新能源汽車領(lǐng)域中占據(jù)重要的地位。目前，由于成本因素的制約和較高的核心技術(shù)壁壘使大多數(shù)中小型生產(chǎn)廠商進(jìn)展較慢，盡管氫燃料電池汽車的市場(chǎng)前景和潛力巨大，但是要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的市場(chǎng)化推廣和應(yīng)用，我國(guó)還有許多技術(shù)障礙需要解決，特別是在關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、零部件、電池系統(tǒng)集成以及批量穩(wěn)定制備能力等方面需要加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧震宇.氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈分析（4）下游應(yīng)用[EB/OL].（2018—03—13）.http：//www.istis.sh.cn/list/list.asp id=11255.

[2] 搜狐網(wǎng).叉車：燃料電池最可能爆發(fā)的領(lǐng)域！[EB/OL].（2018—11—12）. https：//www.sohu.com/a/274684970_99895708.

[3] 環(huán)球網(wǎng).豐田宣布開放燃料電池專利 擬大力推廣環(huán)保車型[EB/OL].（2015—01—06）.https：//auto.huanqiu.com/ article/9CaKrnJGqOe.

[4] OFweek鋰電網(wǎng).重磅！2017年中國(guó)燃料電池汽車市場(chǎng)區(qū)域分布圖[EB/OL].（2018—07—27）.https：//libattery.ofweek. com/2018—07/ART—36001—8420—30252591.html.

[5] Naqi Jaffery.2018年全球氫燃料電池車市場(chǎng)[R].Information Trends，2018.

[6] 能源界.美國(guó)的氫燃料電池汽車銷量在2018年僅為2300輛[EB/OL].（2018—07—27）.http：//www.nengyuanjie.net/ article/23236.html.

[7] EEWORLD電子工程世界.一篇文章看懂燃料電池[EB/OL].（2014—10—07）.http：//news.eeworld.com.cn/ qcdz/2014/1007/article_9787.html.

[8] 與非網(wǎng).一文讀懂2018年全球固定式燃料電池市場(chǎng)[EB/OL].（2018—07—04）.https：//www.eefocus.com/analog—power/414998.

[9] 中國(guó)氫能源網(wǎng).印度通訊基站使用英國(guó)Intelligent Energy新一代燃料電池供電[EB/OL].（2015—02—05）http：//www. shujubang.com/Htmls/NewsInfo/NewsInfo_3681.html.