氢燃料电池技术发展现状及未来展望

氢燃料电池技术发展现状及未来展望

刘眠

曲靖市德方纳米科技有限公司云南曲靖市655000

摘要：燃料电池技术具有能量转化率高、无环境污染、低噪音、可靠性高、氢燃料来源广泛等特点，已成为世界各国重点发展的技术之一。本文概述了氢燃料电池的应用现状和趋势。未来，氢燃料电池将大量投入到人们的生活当中，改变日常生活习惯。

关键词：氢燃料电池；发展现状；未来展望

引言：

在全球绿色低碳转型趋势下，氢气作为一种清洁的高效的可再生能源，已成为新一轮能源技术的变革方向，世界各国和地区正围绕氢能源加快全产业链布局。燃料电池是一种将燃料和氧化剂在催化剂的作用下，把两者电化学反应产生的能量直接转化为电能的装置，且能量转换效率高、无污染。

1、我国氢能发展现状

1.1制氢产业

2020年我国H2年产量约为2500万t。我国煤炭资源丰富，H2生产主要来源于石化和煤化工企业，化石燃料制氢和工业副产气提纯技术制氢量约占全国制氢总量的99%。中国煤炭工业协会数据显示，2020年我国的煤制氢量占比约62%，天然气制氢量占比约19%，工业副产气提纯制氢量占比约18%，电解水制氢量占比约1%，生物质制氢技术尚未完全成熟，其制氢占比可忽略不计。煤制氢是最成熟的制氢技术，具有成本低、工艺简单以及可大规模量产等特点，但是生产过程中会排放大量的CO2。目前，我国的CO2捕集、利用和封存技术，尚未完全成熟，碳捕集的投资成本较高。近年来，可再生能源电解水制氢技术的发展热度越来越高。索比光伏网公布的数据显示，2021年全球范围内电解水制氢项目高达50GW，全球相关项目计划总量高达80GW。

1.2燃料电池产业

燃料电池按电解质的种类可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池等。质子交换膜燃料电池具有能源转化效率高、可靠性高、启动快、结构简单及无污染等特点，被认为是燃料电池汽车和固定发电站的首选。燃料电池由电堆、空气压缩机、加湿器和H2循环泵等系统部件构成，其中电堆占燃料电池成本约60%。电堆由双极板、催化层、扩散层和质子交换膜部件等构成，其部件的材料决定了燃料电池的性能和使用寿命。我国致力于质子交换膜燃料电池技术的研究，开展了双极板、催化剂和质子交换膜等关键材料研究。目前，我国已实现石墨双极板自主化生产、金属双极板小规模生产，部分公司已将燃料电池功率密度提升到2KW/L以上。大连化物所和贵研铂业在低铂催化剂领域做了大量研究，并在降低铂含量方向取得了突破性进展，国内氢燃料电池催化剂的铂载量约0.3-0.4g/KW。我国在质子交换膜的制作工艺及新型材料上做了大量的研究，已初步具备了质子交换膜研发和生产的能力。

1.3氢能汽车产业

我国对氢能汽车制造的研究几乎与国外同步。2004年，亿华通公司参与《国家氢燃料电池汽车的相关科研》项目，开展氢能汽车的相关研究。2006年，金龙客车与上海交通大学联合研制出了国内第一台氢燃料电池电动公交车。2008年，金龙客车和清华大学共同参与新型氢能客车的研制，并且成功运行。2014年，东岳集团与加拿大AFCC公司签订了《联合开发车用燃料电池膜电极协议》，打破了国外车用膜电极技术垄断的局面。2018年，中国一汽首台自主研发氢能汽车成功点火，标志着我国在氢燃料电池汽车领域取得重大突破。随着氢能产业规模不断扩大，2018年之后国内众多车企开展了氢能汽车核心技术研究，在多个地区建立氢能汽车示范基地。上汽集团与上海市签订合作协议，结合上海市氢能产业发展规划，积极开展氢能汽车示范项目。

1.4加氢站产业

加氢站将H2压缩并储存在高压储气罐中，通过加氢机完成加注服务。2020年底我国已建设120余座加氢站，加氢站数量仅次于日本。目前，国内35MPa型加氢站技术较为成熟，仅能满足少部分氢能汽车的加注需求。70MPa型加氢站的储气瓶的材料尚未完全实现自主化生产，压缩机、加氢机及部分关键零部件依赖于进口，其建站投资成本超千万元。我国仅有如皋神华加氢站、上海驿蓝金山加氢站以及山东潍柴加氢站等部分加氢站具备35MPa和70MPa两种加注能力。将氢能与石油行业结合，可充分发挥石油行业现有的资源和技术优势，可通过对现有的油气管网和加油站等基础设施改造升级加快氢能产业布局。

2、产业未来展望

2.1制氢产业

目前，我国的化石能源制氢和工业副产氢等技术相对成熟，具备大规模制备的产业基础，其主要以煤气化、煤焦化、甲醇裂解、天然气重整及工业副产气提纯等方式生产H2。但是生产过程中会排放大量的CO2，与我国“30碳达峰、60碳中和”的战略目标不符。传统的化石能源制氢技术与CCUS技术相结合，可有效降低制氢过程中CO2的排放量。目前，CCUS技术存在CO2捕集困难、建设成本高、能耗高、风险不确定等缺点，难以在短时间实现大规模应用。我国可再生能源丰富，应积极探索氢能与可再生能源耦合技术。随着可再生能源装机总量增加，利用弃风、弃光量制氢，不仅能提高可再生能源的利用率，还能降低电解水制氢的生产成本。未来绿氢将成为我国氢能源的重要组成部分。

2.2燃料电池产业

我国的燃料电池产业尚处于初级发展阶段，燃料电池在整体性能和造价成本等方面与国际还存在一定的差距。我国的H2循环泵、空压机及增湿器等关键部件均处于应用示范阶段，高压储氢材料和循环设备尚未实现大规模量产。燃料电池产业仍面临关键部件及材料依赖进口、使用寿命短、可靠性差、体积较大、生产成本高、电压波动对使用寿命影响大等问题。国内核心技术缺失制约了燃料电池产业的发展，同时导致我国氢能汽车制造成本居高不下。未来随着高性能材料及核心技术的突破，燃料电池汽车将成为最具发展潜力的汽车产业。

2.3氢能汽车产业

目前，我国的氢能汽车产业尚处于起步阶段，氢能汽车以商用车和物流车为主。数据显示，2020年全国累计运行氢能汽车7000余辆，与燃油汽车相比氢能汽车的占比可忽略不计。我国氢能汽车发展受到诸多因素的限制，一方面氢能汽车技术不成熟，导致生产成本过高；另一方面氢能汽车的产能较低，尚不具备大规模生产的能力。现阶段，燃料电池系统和储氢系统约占整车生产成本65%，扣除国家和地方出台的购置补贴，购买氢能汽车的价格依然超过锂电池汽车。降低生产成本是氢能汽车行业最急需解决的问题。此外，氢能汽车还存在车载储氢罐体积大、耐久性和可靠性差、控制系统开发尚未完全实现国产化、安全性监测难等问题。

2.4加氢站产业

加氢站建设是我国氢能产业发展的基础。我国加氢站布局主要集中在经济发达城市，尚未形成大规模产业布局。一方面，国内可提供H2输送能力的管道较少，使得H2输运成本偏高。另一方面，国内尚未建立一套完整的行业标准和技术规范，难以满足现阶段加氢站建设的需要。目前，加氢站配套的压缩机、储氢罐、加氢机等零部件大多依赖进口，其中购买压缩机的费用约占建站总成本30%。国内加氢站参数以35MPa为主，其建站成本约为1500万-2000万元。建站的主要问题是关键零部件尚未实现自主化生产，投资建设成本高；建站周期较长，短期收益低且加注能力偏低；h2运输成本高、安全性待评估、建站审批流程复杂且不一致等。

3、结语：

在“碳达峰、碳中和”大趋势下，氢能源是最具潜力的新一代能源。氢燃料电池是一项能源转换效率高、环保、低噪音的革新技术，随着国家、地方政府的各项产业政策的引导、支持及示范应用推广，氢燃料电池技术必将迎来技术的全面进步、成本的大幅降低、电池可靠性和使用寿命的显著提高及基础应用设施的逐步完善。

参考文献：

[1] 侯明，衣宝廉．燃料电池技术发展现状与展望［J］．电化学,2002，18（1）：9－12．

[2] 高鹏然．氢燃料电池应用进展研究［J］．石化技术，2020（6）：115－116.

[3] 刘宗巍，史天泽，郝瀚，等．中国燃料电池汽车发展问题研究［J］．汽车技术，2018，（1）：1－9．