徐洪流

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氫燃料電池技術應用現狀及發(fā)展趨勢分析

徐洪流

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京 210000）

在全球氣候開始變暖和面臨石油危機、氣候危機、環(huán)境危機等問題的背景下，世界各個國家開始將目光紛紛投向清潔能源，氫燃料電池技術由此應運而生，一時間成為了大家熱議的對象。氫燃料電池技術由于效率高、零排量的特點，被一直認為是未來新能源汽車發(fā)展的重要方向之一。從目前的形勢上看，國內外在氫燃料電池技術的應用上，已經在商用車上實現了突破，同時也在一些沿海城市與國內發(fā)達地區(qū)實現了規(guī)模性的推廣應用。但是，氫燃料電池技術還存在成本高、技術設施配套不完善的缺陷，這樣就給能源行業(yè)的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。這個時候，就需要秉承科學發(fā)展觀的思想，介入新能源汽車產業(yè)鏈，在政策的引導下，完成石化產業(yè)鏈的轉型與調整，促進氫燃料電池技術的應用與可持續(xù)發(fā)展。

氫燃料；電池技術；環(huán)境污染；新興產業(yè)

1 氫燃料電池的主要原理與用途

1.1 主要原理

燃料電池可以將化學能轉變?yōu)殡娔埽罱K達到應用電能的目的。由于燃料電池兼具電池和熱機兩個方面的特征，因此具有能量轉化效率高、排放后無污染、噪聲小、震動頻率低、可低溫快速啟動等特點[1]。根據電解質的不同，電解質隔膜兩側可以發(fā)生氫氧化反應和氧還原反應，最終產生電能。從理論的角度進行探究，燃料電池的能量轉化效率可以達到90%以上，但是在各種因素的影響下，其工業(yè)條件受到限制，實際轉化率只能達到40%～60%.如果將純氫氣作為燃料電池，那么可以消除CO、NOx、SOx、粉塵等污染，也可以達到無排量，這時化學產物僅僅為水[2]，體現出其清潔、可靠、能移動、壽命長等特征，同時也可以在供電的基礎上，實現有效的供暖。

1.2 用途

最初的時候，燃料電池由于其體積小、容量較大，出現到大家的視野當中，并主要應用于航天領域。隨著科技的進一步發(fā)展，氫燃料電池也開始應用到發(fā)電與汽車行業(yè)，現在新能源汽車風靡全球。從目前的形勢上看，氫燃料電池主要應用于便攜式領域、固定領域、運輸領域，且正在向大、中型電站，小型便攜式電源延伸。

2 氫燃料電池技術應用現狀

2.1 從國外技術現狀進行分析

從日本技術現狀進行探究，日本在政府的支持下，在20世紀90年代的時候開展燃料電池汽車的研發(fā)，并以絕對的優(yōu)勢實現了安全性的成果研究。2014年，日本相關產業(yè)也發(fā)布了2040年“氫社會”戰(zhàn)略路線圖[3]。2017年年底，日本政府發(fā)布了2050年“氫能源基本戰(zhàn)略”。在分解探析中，2020年主要是達到燃料電池汽車的使用量，并占據優(yōu)勢地位。2030年進一步擴大需求，實現“電、熱”能源的二次能源結構應用[4]。2040年，構想將氫燃料技術與CO2捕獲技術、封存組合技術等相互結合。

從美國技術現狀進行探究，美國政府主要制定了三個能源目標，并在計劃中主要探究氫能和燃料電池在軍事方面的主要應用。

從德國技術現狀進行分析，德國在燃料電池上的研究過程中，申請專利的數量已經在全球范圍內排名前三。不管是技術的細節(jié)，還是技術的分類上，更加關注固體氧化物燃料電池技術，尤其是該技術在車輛中的應用。

從韓國技術現狀進行分析，韓國已經成立了“氫能研發(fā)中心”，并圍繞這個中心，規(guī)劃了三個階段。從專利的角度進行分析，韓國的技術主要傾向于甲醇和熔融碳酸鹽燃料電池技術與燃料電池便攜式的主要應用。

2.2 從國內技術現狀進行分析

從國內技術現狀來看，我國在技術細節(jié)上更加關注電極與催化劑的探究。在技術分類上，目前主要探究的是質子交換膜燃料電池技術。從專利的角度看，申請數量較少。核心技術沒有形成，成本居高不下，未能形成有效的產業(yè)化能力。氫燃料電池汽車相對于發(fā)達國家來講也落后很多。從全球的應用現狀進行分析，2017年全球燃料電池出貨功率為670 MW，呈現出明顯的增長趨勢[5]。

3 氫燃料電池技術應用遇到的挑戰(zhàn)

3.1 氫燃料的制取成本和排放達不到要求

從商業(yè)化的角度來看，氫氣制備需要在原有的基礎上實現大規(guī)模的構建。從目前的形勢來看，可以實現制氫技術的大規(guī)模應用，但是氫燃料電池成本和污染物排放達不到相關要求。

3.2 氫氣運輸體系不夠完善

從加氫站網絡化分布上看，運輸水平還需要上升一個很大的臺階。從目前的形勢來看，還不能有效解決運輸方面的問題。在一些發(fā)達國家，氫氣管道總長度已超過16 000 km，但在我國，運輸的范圍受限，遠距離運輸還沒有形成一種常態(tài)，不適合大規(guī)模的商業(yè)化應用[6]。

3.3 儲氫技術需要進一步突破

氫在常溫狀態(tài)下是氣態(tài)的，且密度較小。這個時候，氫燃料的安全性與存儲的高效性就成為了發(fā)展道路上的一個重要挑戰(zhàn)。例如，在大容量的運輸當中，存在著泄漏和氫脆等安全隱患。

3.4 國內催化劑原料資源不多

據不完全統(tǒng)計，鉑族元素的世界存儲量較少。我國催化劑原料資源也不是很多。到2030年的時候，如果需要內燃料電池車達到200萬輛的話，那么就需要消耗40 t金屬電催化劑，這對能源的需求是巨大的。

3.5 經濟性較差，政策風險較大

從燃料電池的角度進行探究，鉑的用量是巨大的，但是轉化率卻較低。燃料電池主要使用得是石墨雙極板。此種技術還不能得到很好的應用，并且機械性較強。從政策的角度看，基礎設施還不夠完善，成本較高。因此，我國更加傾向于電網系統(tǒng)，主要推進純電動汽車的應用與發(fā)展。

4 氫燃料電池技術的發(fā)展趨勢

4.1 國外氫燃料電池技術的發(fā)展趨勢

在一些發(fā)達的歐美國家中，已經加快了加氫站的建設步伐，燃料電池汽車開始進入商業(yè)化的示范階段。從《全球加氫站統(tǒng)計報告》中可以看出，2017年，歐洲有106座加氫站，亞洲有101座加氫站，北美有64座加氫站，還有個別分布在其他區(qū)域。從每年的增長量上看，日本最多，然后就是歐洲的國家。從近幾年的整體趨勢上看，很多國家已經開始加快了加氫站建設的速度。

從燃料電池系統(tǒng)成本上看，美國等國家的能源部已經開始了對成本的預測，并在大規(guī)模的生產過程中進行了預算條件、預算結果、預算技術的構建。預計從2015年到2020年，技術成本又可以得到一次飛躍，實現每千瓦30美元的最終目標，并在時間的推移中，不斷壓縮技術成本。從全球燃料電池汽車發(fā)展的角度進行分析，美國預計到2030年，全球燃料電池汽車會從2016年的2 840輛提升至5 500輛。預計2030年與2020年相比，也有很大的增長趨勢。從美國的市場研究機構調查中發(fā)現，2018年燃料電池呈上升趨勢，無論是亞太地區(qū)、歐洲，還是北美地區(qū)，到2050年，燃料電池汽車的銷量數量將大幅提升，并在汽車市場中占據較大的比例。

4.2 國內氫燃料電池技術的發(fā)展趨勢

從目前的形勢上看，到2020年，我國氫氣產能的規(guī)?？梢赃_到648萬噸/年。規(guī)?？梢赃_到10億立方米/年至15億立方米/年，并建立標準規(guī)范體系。另外，我國沿海等發(fā)達地區(qū)的氫能與燃料電池產業(yè)也開始呈現大規(guī)模發(fā)展、應用狀態(tài)。到2030年，需要在此基礎上，實現氫氣產能900萬噸/年，氫產能規(guī)?？梢赃_到200億立方米/年，進一步擴大氫站的覆蓋面積[7]。從長遠的角度看，2050年，加氫站服務區(qū)域可以覆蓋全國范圍。

從氫燃料電池發(fā)展趨勢上看，我國主要計劃和戰(zhàn)略目標是：2020年示范運行，2030年大規(guī)模推廣應用，2050年普及應用。在2020年，我國燃料電池汽車已經實現了燃料電池和氫能的示范性運行。從商用車產業(yè)化或率先突破上看，我國燃料電池車輛以商用車為主。目前，京津冀、長三角、珠三角、武漢等地都已經開展過燃料電池示范運行，以期減少污染物的排放，實現氫能汽車的規(guī)模化推廣與應用。

5 結束語

新常態(tài)背景下，氫能源可能成為下一代的基礎能源。到2020年，氫燃料電池技術將進入示范應用階段，并于2030年實現大規(guī)模的推廣應用。從目前的形勢上看，氫燃料電池技術尚處于成本較高、基礎設施配套不完善、環(huán)境污染相對較大、制氫能耗較高的一個發(fā)展狀態(tài)。但是，在全球化技術的推動下，氫燃料電池技術開始與時俱進，不斷發(fā)展，給石化行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇，并一躍成為戰(zhàn)略性新興產業(yè)之一。因此，新能源汽車的發(fā)展要想從本質上上升一個臺階，就需要將輕量化材料和高端化材料開發(fā)介入新能源汽車的產業(yè)鏈發(fā)展中，在良好的協(xié)同下，秉承科學發(fā)展觀的主要思想，保證氫燃料電池技術的可持續(xù)發(fā)展。

［1］方瑜.基于中國專利的氫燃料電池發(fā)展趨勢分析［J］.長春師范大學學報（自然科學版），2017（5）：111-112.

［2］孫田田，王林，郭巧巧，等.純電動汽車與氫燃料電池汽車發(fā)展現狀及前景［J］.科技視界，2016（4）：163-164.

［3］黃振軍，武曉云，林志民.,燃料電池AIP潛艇用氫源技術的發(fā)展現狀及分析［J］.電源技術，2017（11）：158-160.

［4］張同林.日本新型氫燃料電池汽車及其產業(yè)發(fā)展前景［J］.上海節(jié)能，2016（2）：86-91.

［5］余本善，孫乃達，焦姣.儲能技術與產業(yè)現狀及發(fā)展趨勢［J］.石油科技論壇，2017（01）：61-65，71.

［6］汪廣溪.氫能利用的發(fā)展現狀及趨勢［J］.低碳世界，2017（29）：295-296.

［7］戴月領，賀云濤，劉莉，等.燃料電池無人機發(fā)展及關鍵技術分析［J］.戰(zhàn)術導彈技術，2018（5）：111-112.

2095－6835（2019）02－0160－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.160

〔編輯：王霞〕