中國(guó)氫燃料電池技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀研究

＊侯緒凱 趙田田 孫榮峰* 耿文廣 員冬玲

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）能源與動(dòng)力工程學(xué)院（能源研究所）山東 250014 2.山東省能效與低碳工程實(shí)驗(yàn)室 山東 250014）

1.氫燃料電池基本原理及分類

(1)基本原理

燃料電池作為一種能量轉(zhuǎn)化裝置，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)伴隨著熱量和產(chǎn)物（H2O）的生成。單體電池作為燃料電池的核心部分，主要由正極（氧化劑電極）、負(fù)極（燃料電極）以及電解質(zhì)三部分組成。燃料電池工作時(shí)，氧化氣送入到正極（陰極），燃料送入到負(fù)極（陽(yáng)極），從而產(chǎn)生氫氧化反應(yīng)和氧化反應(yīng)（兩種反應(yīng)分別位于電解質(zhì)隔膜的兩側(cè)），對(duì)外提供電能。燃料電池與熱汽輪機(jī)不同，工作不經(jīng)過(guò)熱機(jī)過(guò)程，而是直接通過(guò)燃料的化學(xué)能產(chǎn)生電能，從根本上擺脫卡諾循環(huán)的限制，因此燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率很高。燃料電池若采用純H2（或高純度H2）作為燃料，反應(yīng)產(chǎn)物僅為H2O，不會(huì)產(chǎn)生SOX、NOX等污染物，從而響應(yīng)“雙碳”政策。

(2)分類

燃料電池常見(jiàn)的類型有很多，通常根據(jù)電池電解質(zhì)的種類對(duì)其進(jìn)行區(qū)分：堿性燃料電池（Alkaline Auel Cell，AFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）等[1]。

不同類型燃料電池的工作溫度不同，故也可以根據(jù)工作溫度將燃料電池劃分為不同的種類。AFC和PEMFC工作溫度不超過(guò)200℃，屬于低溫型燃料電池；PAFC為中溫燃料電池（工作溫度介于200～750℃）；SOFC屬于高溫燃料電池（工作溫度超過(guò)750℃）[2]。

除此之外，燃料電池所使用燃料的種類也較為廣泛，常見(jiàn)的有：CH4、CH4O、C2H6O以及H2等。所以也可以根據(jù)燃料名稱及種類對(duì)燃料電池進(jìn)行分類。

2.各主流燃料電池工作原理

(1)AFC

燃料電池的電解質(zhì)為堿性時(shí)，燃料的滲透率會(huì)更低，電解質(zhì)的電流密度會(huì)更大，電解質(zhì)通常為氫氧化鉀溶液。AFC通常使用金屬元素鉑（Pt）作為催化劑。對(duì)合金催化劑而言，催化劑的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性因其載體種類、分散度、負(fù)載量等因素的差異而受到不同程度的影響。通過(guò)摻雜修飾劑可以較好提高其催化劑性能[3]。一般地堿性燃料電池正負(fù)極反應(yīng)如下：

陽(yáng)極：2H2+4OH-=4H2O+4e-

陰極：O2+2H2O+4e-=4OH

AFC一般工作在80℃環(huán)境下具有相對(duì)較好的工作性能，具有啟動(dòng)響應(yīng)非常迅速的特點(diǎn)，但其能量密度卻只有PEMFC的十幾分之一。AFC電解質(zhì)為堿性，故在實(shí)際工作中，氧化劑必須使用純氧。若氧化劑采用空氣，實(shí)際壽命會(huì)因空氣中的CO2大大降低，故使商業(yè)應(yīng)用成本大幅度增加[4]。AFC目前也只是在軍用領(lǐng)域上得到應(yīng)用，其他應(yīng)用領(lǐng)域較為罕見(jiàn)，其商業(yè)應(yīng)用率不高。

(2)PAFC

PAFC電解質(zhì)和催化劑分別為濃磷酸和鉑，通常工作在200℃左右，屬于中溫燃料電池[5]。PAFC不僅可以采用氫氣為燃料，還可以直接使用天然氣、甲醇、天然氣等廉價(jià)材料，相比于堿性燃料電池而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要專門處理CO2的設(shè)備，故反應(yīng)氣體可以直接使用空氣。PAFC的燃料采用重整氣，將其應(yīng)用在固定電站等相關(guān)領(lǐng)域，具有極大地優(yōu)勢(shì)和潛力。

PAFC反應(yīng)原理為：改質(zhì)器中通入燃料氣體，燃料在800℃反應(yīng)溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[CXHY+XH2O→XCO+（X+Y/2）H2]被轉(zhuǎn)化為H2、CO和水蒸氣混合物；與此同時(shí)，H2O和CO經(jīng)催化劑的催化作用在移位反應(yīng)器中生成H2O和CO2。最后，燃料經(jīng)處理進(jìn)入負(fù)極的燃料堆，同時(shí)空氣中的O2在燃料堆的正極（空氣極）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并通過(guò)催化劑的催化，從而產(chǎn)生電能和熱能[6]，其電極反應(yīng)如圖1所示。反應(yīng)過(guò)程為：

圖1 磷酸燃料電池電極反應(yīng)圖

陽(yáng)極：H2+2e-→2H+

陰極：1/2O2+2H+→H2O+2e-

總反應(yīng)：1/2O2+H2→H2O

PAFC最初研究和開(kāi)發(fā)是為了控制電網(wǎng)的用電平衡，20世紀(jì)末，其重心側(cè)重于向公民住宅、醫(yī)院、商場(chǎng)、旅館等提供熱電聯(lián)產(chǎn)服務(wù)[7]。此外，PAFC還可以用于車輛電源和可移動(dòng)式電源等。

(3)MCFC

通常采用金屬Li、K、Na、Cs的碳酸鹽混合物作為MCFC的電解質(zhì)。隔膜材料（多孔陶瓷電解質(zhì)）LiAiO2多孔陶瓷陰極（氧化鎳）、多孔金屬陽(yáng)極（多孔鎳）、金屬極板等結(jié)構(gòu)與電解質(zhì)一同組成MCFC基本結(jié)構(gòu)。MCFC因工作溫度較高（650～700℃），所以反應(yīng)速度加快；而且采用液體電解質(zhì)，操作簡(jiǎn)單；重要的是該燃料電池對(duì)燃料的純度要求相對(duì)較低，不需要貴金屬催化劑，極大地降低了成本。MCFC一般應(yīng)用于區(qū)域性供電。

電解質(zhì)隔膜材料為L(zhǎng)iAiO2，添加鋰的氧化鎳為正極，多孔鎳為負(fù)極，這種材料會(huì)在650℃時(shí)發(fā)生相變產(chǎn)生，并與H2結(jié)合從而產(chǎn)生H2O、CO2和電子[8]。化學(xué)反應(yīng)如下：

總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O+電能

圖2 MCFC工作原理圖

(4)SOFC

在常見(jiàn)的幾種燃料電池中，固體氧化物燃料電池（SOFC）在理論上能量密度是最高的一種。SOFC的電解質(zhì)為固體陶瓷，單體電池由兩個(gè)多孔的電極和夾在中間的緊密電解質(zhì)層構(gòu)成。SOFC工作時(shí)溫度非常高，最高運(yùn)行溫度能達(dá)到800～1000℃，所以其電解質(zhì)具有傳遞O2-、分隔氧化劑和燃料[10]的作用。氧氣分子在陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生O2-。因在隔膜兩側(cè)存在電勢(shì)差和氧濃度較差的影響下，O2-會(huì)定向躍遷到陽(yáng)極側(cè)與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)[10]。

SOFC在工作時(shí)，陰極側(cè)的氧氣因得到電子被還原成氧離子，氧離子因分壓受壓差作用下通過(guò)電解質(zhì)層中的氧空位輸送到陽(yáng)極側(cè)，并與燃料發(fā)生氧化反應(yīng)從而失去電子[11]，其工作原理如圖3所示。

圖3 SOFC工作原理圖

SOFC反應(yīng)過(guò)程為：

陽(yáng)極：H2+O2-=H2O+2e-

陰極：1/2O2+2e-=O2-

總反應(yīng)：H2+1/2O2=H2O

SOFC單體電池因?qū)嶋H功率有限，只能產(chǎn)生1V左右的電壓，因此必須將若干單體電池通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的方式組成電池組從而大幅度提高功率以滿足實(shí)際應(yīng)用的功率需求，方可具備實(shí)際應(yīng)用條件。SOFC通常用于中、小型固定式熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電，熱電材料的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新也使其經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高[12]。SOFC因工作溫度通常在650～1000℃，升溫速率過(guò)快會(huì)對(duì)電池組件造成損害，故還存在啟動(dòng)時(shí)間緩慢（65～200min）等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

(5)PEMFC

PEMFC用聚合膜作電解質(zhì)，又稱為聚合物電解質(zhì)燃料電池，同時(shí)與陰極、陽(yáng)極和外電路組成。目前PEMFC在電動(dòng)汽車和物料搬運(yùn)領(lǐng)域的應(yīng)用是最具潛力的。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子從陽(yáng)極穿過(guò)交換膜到達(dá)陰極，從而與外電路的電子構(gòu)成回路，為外界負(fù)載供電。PEMFC相比于其他電池工作溫度較低（一般低于100℃），同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際工作需求靈活調(diào)整輸出功率。同時(shí)燃料電池排放物是水和水蒸氣，能實(shí)現(xiàn)零污染；能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%～70%；工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和噪聲。此外，PEMFC還具有啟動(dòng)速度快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)勢(shì)。

PEMFC工作時(shí)，陽(yáng)極催化劑促使燃料（H2）離化為氫離子（H+），隨后氫離子（H+）穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極并釋放電子（e-），對(duì)外電路做功；催化劑使氧化劑還原，與H+、e-生成水。PEMFC工作原理圖如圖4所示。

圖4 PEMFC工作原理圖

PEMFC電化學(xué)反應(yīng)如下：

陽(yáng)極：4H++4e-=2H2

陰極：O2+4H++4e-=2H2O

總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O+熱量

PEMFC已經(jīng)在客車、輕型汽車以及叉車領(lǐng)域得到應(yīng)用。在近幾年，燃料電池汽車在性能方面取得了很大的突破與進(jìn)步[13]，其續(xù)航里程、最高時(shí)速等性能可與傳統(tǒng)的汽油車相匹敵。

3.氫燃料電池應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

(1)國(guó)外

美國(guó)早在60年代中期就開(kāi)始使用堿性燃料電池為宇宙飛船提供電能，但是該燃料電池所使用的燃料和催化劑分別為H2和O2，使用貴金屬鉑作為催化劑，由于成本過(guò)于昂貴，不適于民用[14]。隨后，美國(guó)開(kāi)展針對(duì)家用、小型工商業(yè)等天然氣燃料電池供電研究計(jì)劃，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司與諸多煤氣公司共同開(kāi)展并制定了1967—1975年美國(guó)燃料電池詳細(xì)研究與發(fā)展計(jì)劃。自從60年代磷酸燃料電池（PAFC）在美國(guó)也逐漸受到人們的重視，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始投入大量資金用于支持項(xiàng)目的研究[15]。20世紀(jì)70年代起，日本的煤氣公司和電力公司就已經(jīng)著手燃料電池的開(kāi)發(fā)，通過(guò)12.5kW、40kW等燃料電池發(fā)電站實(shí)驗(yàn)的成功示范；MW級(jí)的燃料電池電站的大規(guī)模引進(jìn)；促使日本在燃料電池的運(yùn)行、維修等方面取得豐富的經(jīng)驗(yàn)[16]。美國(guó)與日本合作建造了11MW級(jí)燃料電池電站，并成功運(yùn)行至1993年，共計(jì)6425h。日本在具備能夠獨(dú)自建造燃料電池電站的同時(shí)，還不斷購(gòu)買美國(guó)的燃料電池產(chǎn)品，這使得日本在較短時(shí)間內(nèi)掌握了制造和運(yùn)行PAFC電站的先進(jìn)技術(shù)。

美國(guó)是最先研究和發(fā)展PAFC技術(shù)的國(guó)家，而日本則是在PAFC技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展速度最快的國(guó)家，僅僅是10～15年的時(shí)間，日本就具備代表PAFC世界最高水平[17]。1981—1986年日本的“月光計(jì)劃”（即國(guó)家燃料電池發(fā)展計(jì)劃）預(yù)算4400萬(wàn)美元用于支持研發(fā)燃料電池有關(guān)項(xiàng)目，其中3000萬(wàn)美元用于發(fā)展PAFC。1987年“月光計(jì)劃”原10年計(jì)劃修改為15年計(jì)劃，總研發(fā)經(jīng)費(fèi)約為570億日元[18]。1989年9月11日成立的歐洲燃料電池集團(tuán)（EFCG），由22家公司組成并投資2500萬(wàn)歐元，同日本和美國(guó)在燃料電池技術(shù)等領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)[19]。EFCG購(gòu)買美國(guó)和日本生產(chǎn)的PAFC，然后從電池的工作性能、運(yùn)行狀態(tài)方面進(jìn)行研究，將學(xué)習(xí)和獲取的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與自身國(guó)家對(duì)PAFC的燃料處理和電能轉(zhuǎn)化等技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合。

20世紀(jì)末，許多國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始著手與PAFC的研究與開(kāi)發(fā)，例如意大利、印度等[20-24]。許多世界知名公司也開(kāi)始參與PAFC的開(kāi)發(fā)制造，例如東芝、富士機(jī)電等。美國(guó)和日本的PAFC技術(shù)領(lǐng)先于世界上其他國(guó)家。200kW PC25型產(chǎn)品，是由美國(guó)國(guó)際燃料公司（ONSI）和日本東芝公司聯(lián)合組建的，該產(chǎn)品在滿負(fù)荷狀態(tài)下，最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間可達(dá)9500h[25]；最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間將近4萬(wàn)h，基本接近商業(yè)化運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。FP-100型100kW PAFC可達(dá)到連續(xù)工作7000h，該產(chǎn)品是由富士電機(jī)研發(fā)制造[26]。

對(duì)于PAFC的制造成本方面，逐漸呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。ONSI公司于1995年推出的200kW PC 25C型PAFC制造成本僅為3000＄/kW，PC 25D型PAFC成本會(huì)降至1500＄/kW，體積大幅度減小的同時(shí)質(zhì)量?jī)H為14t[7]。1993年，大坂煤氣公司建造了主要以100kW PAFC供電的未來(lái)型試驗(yàn)住宅NECT 21。在1994年，第一輛以甲醇為燃料的PAFC公共汽車由美國(guó)H能源公司在美國(guó)圣第哥舉辦的第14屆燃料電池會(huì)議上展示[27]。該車配備有富士公司制造的50kW PAFC發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)Cd-Ni蓄電池作為輔助動(dòng)力。日本NTT公司開(kāi)發(fā)了一種便攜式250W PAFC作為通訊使用，質(zhì)量?jī)H為30kg，配備10.5L氫氣瓶，可實(shí)現(xiàn)滿載工作5h[28]。

在燃料電池領(lǐng)域，美國(guó)一直處于領(lǐng)先地位。美國(guó)計(jì)劃到2040年進(jìn)入“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。據(jù)美國(guó)《燃料電池技術(shù)市場(chǎng)報(bào)告》可知，美國(guó)研發(fā)重點(diǎn)為SOFC和PEMFC，該燃料電池的相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)盈利。2018年燃料電池汽車在全球發(fā)展迅速，據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2024年，燃料電池汽車銷量在美國(guó)將達(dá)到22.8萬(wàn)輛；到2030年，燃料電池汽車銷量達(dá)到350萬(wàn)輛；新能源汽車（燃料電池、純電、混動(dòng)）預(yù)計(jì)在2050年占據(jù)美國(guó)市場(chǎng)主體地位。

歐洲在氫能和燃料電池項(xiàng)目方面占據(jù)全球約70%左右，德國(guó)在技術(shù)和商業(yè)化領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，超過(guò)350家公司和科研機(jī)構(gòu)廣泛活躍于該領(lǐng)域。相比之下，德國(guó)在技術(shù)方面重點(diǎn)關(guān)注燃料電池電堆、燃料的制造與存儲(chǔ)；對(duì)于應(yīng)用方面，德國(guó)更關(guān)注及擅長(zhǎng)燃料電池在車輛中的應(yīng)用。

同樣在燃料電池技術(shù)處于領(lǐng)先地位的日本，在政府的大力支持與扶持下，日本的燃料電池技術(shù)發(fā)展全面。日本于2014年發(fā)布了“氫社會(huì)”戰(zhàn)略路線，該戰(zhàn)略詳細(xì)指出了截止到2040年日本的氫能源和燃料電池產(chǎn)業(yè)分三步走的相關(guān)發(fā)展方向和規(guī)劃等[29]。大力推廣燃料電池和燃料電池汽車在日本本國(guó)的使用量；到2030年，為滿足日本對(duì)氫燃料的巨大需求，將氫能源與“電、熱”能源協(xié)調(diào)配合形成全新二次能源結(jié)構(gòu)[30]。到2040年，氫燃料完全實(shí)現(xiàn)“零”碳排放。

韓國(guó)在政府的鼎力支持下創(chuàng)立了“氫能研發(fā)中心”，主要圍繞氫能源的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、利用三方面進(jìn)行展開(kāi)，且目前已經(jīng)進(jìn)入推廣執(zhí)行階段。相比之下，韓國(guó)更加側(cè)重于MCFC技術(shù)的研究，主要包括電池的膜電極組件性能、技術(shù)細(xì)節(jié)和便攜性等方面。

(2)國(guó)內(nèi)

我國(guó)目前在氫燃料電池技術(shù)上處于開(kāi)發(fā)階段，電池的膜電極性能、電功率、啟停特性、使用壽命及可靠性等核心技術(shù)較國(guó)外領(lǐng)先集團(tuán)還存在一定差距。近些年，我國(guó)在燃料電池相關(guān)研究領(lǐng)域的專利數(shù)量逐年增加，專利數(shù)量位居全球第五。從專利申請(qǐng)情況不難看出，大部分發(fā)明專利來(lái)自于高校和研究所，企業(yè)專利申請(qǐng)數(shù)量很少。此外，對(duì)于燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)研究較成熟，但在關(guān)鍵領(lǐng)域及核心技術(shù)上較為薄弱，且還未形成可供參考和成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系。

在技術(shù)細(xì)節(jié)上，我國(guó)對(duì)電極和催化劑更為關(guān)注；在技術(shù)分類上，較關(guān)注PEMFC技術(shù)。目前需要認(rèn)清的現(xiàn)狀是，我國(guó)氫燃料電池成本依舊居高不下，在燃料電池的催化劑、電池極板等材料生產(chǎn)方面，還有很大的進(jìn)步空間；對(duì)氫氣的存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及循環(huán)等設(shè)備零件的量產(chǎn)能力，還需不斷完善和提升；我國(guó)的燃料電池汽車整體技術(shù)水平還需5～10年才能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。國(guó)內(nèi)外燃料電池整體性能對(duì)比見(jiàn)表1。2017年，全球燃料電池出貨功率增長(zhǎng)顯著，為670MW[31]。相信隨著政策的不斷扶持，我國(guó)燃料電池的核心技術(shù)（例如電池電堆技術(shù)、系統(tǒng)集成與整體制造技術(shù)）將快速進(jìn)步，逐漸縮小差距。

表1 國(guó)內(nèi)外燃料電池整體性能對(duì)比

2016年10月，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，該路線圖主要闡述了燃料汽車的發(fā)展規(guī)劃問(wèn)題。中國(guó)于2020年3月就已經(jīng)完成到2020年燃料汽車保有量5000輛的階段性目標(biāo)，并為汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新[32]奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。王曉莉，張志文等[33]收集整理了國(guó)外燃料電池電動(dòng)汽車銷售情況數(shù)據(jù)，分析了國(guó)外燃料電池汽車市場(chǎng)，從而結(jié)合了中國(guó)的政策、環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)得出我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)量、銷量呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢(shì)。我國(guó)目前新能源汽車整體技術(shù)水平顯著提升，車輛電池續(xù)航逐步提高，整車動(dòng)力及穩(wěn)定性能不斷增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性和綜合效益水平持續(xù)優(yōu)化，在國(guó)際遙遙領(lǐng)先。基于燃料電池轎車和動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出多款新產(chǎn)品并完成示范；智能汽車也逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。我國(guó)汽車關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破[34]。沿海等發(fā)達(dá)地區(qū)也開(kāi)始大規(guī)模發(fā)展氫燃料電池產(chǎn)業(yè)，氫氣產(chǎn)能及規(guī)模預(yù)計(jì)到2030年分別可以達(dá)到900萬(wàn)t/a和200億m3/a，氫能覆蓋面積從而將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大[36]。目前，燃料電池在我國(guó)京津冀、湖北武漢、長(zhǎng)三角等諸多地區(qū)已經(jīng)示范運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和未來(lái)市場(chǎng)前景分析可以初步推斷，我國(guó)到2050年可以實(shí)現(xiàn)加氫站在全國(guó)各地大規(guī)模覆蓋，實(shí)現(xiàn)氫能源汽車規(guī)模化應(yīng)用。

(3)全球氫燃料電池應(yīng)用情況

2017年，據(jù)Fuel Cell Industry Review統(tǒng)計(jì)，全球燃料電池市場(chǎng)出貨情況較為可觀。表2、表3、表4分別從不同角度列出全球燃料電池出貨情況。

表2 全球燃料電池市場(chǎng)出貨量（按應(yīng)用領(lǐng)域）（單位千件）

表3 全球燃料電池市場(chǎng)出貨量（按類型）（單位千件）

表4 全球燃料電池市場(chǎng)出貨量（按區(qū)域）（單位千件）

4.中國(guó)氫燃料電池應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

(1)制氫成本高

氫氣的制取技術(shù)及成本是氫燃料電池在中國(guó)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化及規(guī)模化發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。工業(yè)制氫技術(shù)的復(fù)雜和制氫成本的昂貴制約著氫氣的價(jià)格，所以要想在中國(guó)大力發(fā)展燃料電池技術(shù)，首要問(wèn)題就落在電池的燃料成本上。

目前制取氫氣較為常見(jiàn)和普遍使用的方法有：電解水、水煤氣法、石油裂解以及天然氣重整等[36]。除此之外，近些年來(lái)許多新技術(shù)也不斷問(wèn)世，例如：煤炭超臨界水氣化制氫[37-38]、天然氣聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲酸工藝[39]以及生物質(zhì)制氫[40]等。但是諸多制氫方法中，制氫成本高、氫氣純度和污染物排放達(dá)不到要求等問(wèn)題還有待解決。

(2)儲(chǔ)氫技術(shù)不成熟

氫氣是世界上已知密度最小的氣體，其密度只有空氣的1/14。氫氣在存儲(chǔ)過(guò)程中受安全性、儲(chǔ)能密度等技術(shù)要求制約，從而限制了氫燃料電池的大規(guī)模使用。當(dāng)前儲(chǔ)氫方法有加壓壓縮儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、空心玻璃微球儲(chǔ)氫以及金屬氫化物儲(chǔ)氫等[41]。但是在氫氣存儲(chǔ)過(guò)程中依舊存在安全性低、成本高、易泄露、存儲(chǔ)密度小等問(wèn)題。現(xiàn)階段儲(chǔ)氫在技術(shù)、材料等方面還有很長(zhǎng)的路要走。

(3)氫氣運(yùn)輸體系不完善

氫氣目前主要采用的運(yùn)輸方式為氣氫運(yùn)輸和液氫運(yùn)輸。管道輸送是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送的重要方式，同時(shí)也是最經(jīng)濟(jì)的方式。國(guó)外較早地就提出氫氣管道長(zhǎng)距離輸送標(biāo)準(zhǔn)，CGA G-5.6-2005（R2013）《氫氣管道系統(tǒng)》由歐洲壓縮氣體協(xié)會(huì)提出；ASME B31.12-2014《氫用管道系統(tǒng)和管道》由美國(guó)工程師協(xié)會(huì)編制；除此之外還有亞洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)的AIGA 033/14《氫氣管道系統(tǒng)》。不足的是，相對(duì)內(nèi)容上，以上諸多標(biāo)準(zhǔn)并不全面，僅僅是為了提出參考[42]。GB 50177《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50177-2005）《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》（GB 4962-2008）是我國(guó)提出的有關(guān)氫氣管道的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在有關(guān)氫氣站、工廠及車間氫氣管道設(shè)計(jì)與建設(shè)方面，GB 50177是最適用的，但是該標(biāo)準(zhǔn)并不適用于氫氣長(zhǎng)輸管道。GB 4962也僅僅適用于氣態(tài)氫的使用、存儲(chǔ)、壓縮、灌裝以及安全防護(hù)和緊急情況處理等方面的技術(shù)要求。所以目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)氫氣長(zhǎng)輸管道的標(biāo)準(zhǔn)體系。

(4)國(guó)內(nèi)催化劑原料資源短缺

催化劑是氫燃料電池的核心部件之一，由于鉑元素稀缺，使得催化劑成為燃料電池核心部件中成本最高的部件。若想使燃料電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，這對(duì)金屬電催化劑的需求是巨大的。要想解決對(duì)能源的嚴(yán)重依賴，就迫切需要研發(fā)與探索新型催化劑。

(5)燃料電池經(jīng)濟(jì)性較差

燃料電池目前還沒(méi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用的主要原因之一是由于高昂的成本，尤其是電極和催化劑材料成本昂貴。通過(guò)氫燃料電池發(fā)電，成本要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)發(fā)電形式，目前預(yù)計(jì)價(jià)格為2.5～3元/kW·h。關(guān)于燃料電池成本問(wèn)題可以著手從燃料重整技術(shù)和燃料的類型兩方面進(jìn)行努力。一些研究已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)合成氣和各種碳?xì)浠衔镒鳛轵?qū)動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的燃料。其他研究集中在燃料電池電解質(zhì)的新材料上，以降低投資成本，增加壽命周期[44]。

5.結(jié)論

隨著化石燃料的資源有限和大量開(kāi)采，當(dāng)今世界新能源的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。氫燃料電池因其高效率、高可靠性、運(yùn)行無(wú)噪音等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源領(lǐng)域以及集中式或分散式電站；為商場(chǎng)、醫(yī)院、酒店、工廠車間等諸多場(chǎng)所提供電能和實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)等。

中國(guó)對(duì)于燃料電池的研究起步較晚，在燃料電池電極、電解質(zhì)以及催化劑等主要核心部件及材料的研發(fā)方面較行業(yè)領(lǐng)先國(guó)家還有一定的差距。通過(guò)對(duì)行業(yè)領(lǐng)先國(guó)家的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程和共性問(wèn)題進(jìn)行研究，可以給中國(guó)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程完善思路和提供創(chuàng)新想法，促進(jìn)中國(guó)氫燃料電池更好、更快發(fā)展。目前看來(lái)，我國(guó)的燃料電池距離大規(guī)模使用還有很長(zhǎng)的路要走，主要受限于制造和使用成本較高、制氫和氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不成熟等問(wèn)題。相信隨著燃料電池和氫能源技術(shù)的不斷提高與快速發(fā)展，同時(shí)在國(guó)家和政府的大力支持下，有望實(shí)現(xiàn)2030年大規(guī)模推廣以及2050年普及應(yīng)用。