氫燃料電池的發展現狀
國外氫能與燃料電池發展現狀及分析
全球范圍來看，世界主要發達國家從資源、環保等角度出發，都十分看重氫能的發展，目前氫能和燃料電池已在一些細分領域初步實現了商業化。2017年全球燃料電池的裝機量達到670兆瓦，移動類裝機量455.7兆瓦，固定式裝機量213.5兆瓦。截至2017年12月，全球燃料電池乘用車銷售累計接近6000輛。豐田Mirai共計銷售5300輛，其中美國2900輛，日本2100輛，歐洲200輛，占全球燃料電池乘用車總銷量的九成以上。截至2017年年底，全球共有328座加氫站，歐洲擁有139座正在運行的加氫站，亞洲擁有118座，北美擁有68座。目前氫燃料電池及氫燃料電池汽車的研發與商業化應用在日本、美國、歐洲迅速發展，在制氫、儲氫、加氫等環節持續創新。
1、美國氫能與燃料電池發展現狀
美國氫能的生產和儲運有Air Products、Praxair等世界先進的氣體公司，并且有技術領先的質子膜純水電解制氫公司，同時還掌握著液氫儲氣罐、儲氫罐等核心技術。液氫方面，美國在液氫生產規模、液氫產量、價格方面都具有絕對優勢。美國燃料電池乘用車和叉車保有量領先全球：豐田Mirai在美國銷售了超過2900輛燃料電池汽車。美國擁有世界最大的燃料電池叉車企業Plug Power，目前已有超過2萬輛燃料電池叉車，進行了超過600萬次加氫操作。加氫站建設方面，目前北美分布的68座加氫站僅1座位于加拿大，其余全部分布在美國，其加州地區集中度最高。美國燃料電池汽車液氫使用量非常高，全年液氫市場需求量的14%都被用于燃料電池車。
2、日本氫能與燃料電池發展現狀
日本由于資源短缺，政府對氫能和燃料電池的推廣力度在世界范圍內都是最大的。目前，日本在家庭用燃料電池熱電聯供固定電站和燃料電池汽車商業化運作方面都是最成功的。早在2014年4月制定的“第四次能源基本計劃”，日本政府就明確提出了加速建設和發展“氫能社會”的戰略方向。所謂“氫能社會”是指將氫能廣泛應用于社會日常生活和經濟產業活動之中，與電力、熱力共同構成二次能源的三大支柱。據此，2014年6月，日本經濟產業省制定了“氫能與燃料電池戰略路線圖”，提出了實現“氫能社會”目標分三步走的發展路線圖：到2025年要加速推廣和普及氫能利用的市場；到2030年要建立大規模氫能供給體系并實現氫燃料發電；到2040年要完成零碳氫燃料供給體系建設。截至2018年1月，日本燃料電池乘用車保有量約2000臺，燃料電池大巴預計2020年增加到100臺。從目前的燃料電池汽車價格、保有量和加注站數量來看，日本尚處于燃料電池汽車社會的搖籃期，預計2050年將是日本燃油汽車全面向燃料電池汽車過渡之年。
3、歐洲氫能與燃料電池發展現狀
近期，歐洲燃料電池和氫能事業聯合組織（FCH JU）發布了“歐洲氫能路線圖”（圖1）。該路線圖提出了歐洲氫能未來30年的發展規劃，并得到歐洲17家氫能公司和組織的支持。該報告認為，氫是歐洲能源轉型的重要元素，到2050年可占最終能源需求的24%并提供540萬個工作崗位。為了實現歐洲二氧化碳減排目標，必須發展氫能。對于諸如天然氣網、運輸（特別是重型車輛）關鍵部分的規模脫碳、高級燃料和化學原料需要大量使用氫氣。
圖 1 歐洲氫能未來市場需求
此外，氫氣可以解決大規模整合可再生能源以及實現低成本季節性儲能和跨區域有效清潔能源運輸中的技術難題。報告認為，到2050年，氫能將在各個領域發揮重要作用，并為了實現歐洲2050年氫能產業目標，設置了短期和中期目標。報告預測，到2050年，歐洲10%—18%建筑的供暖和供電可以由氫能提供；工業中23%的高級熱能可由氫能提供。報告指出，氫能的使用將帶來巨大的社會、經濟和環境效益。到2030年，氫能的預計部署將為歐盟公司的燃料和相關設備創造約1300億歐元的產業；到2050年達到8200億歐元。氫能將為歐盟工業創造一個本地市場，作為在全球氫能經濟中競爭的跳板。2030年的出口潛力估計將達到700億歐元，凈出口額將達到500億歐元。
4、韓國氫能與燃料電池發展現狀
韓國在氫能和燃料電池領域也有較強的規劃布局，但是其相關技術實力較歐、美、日略遜一籌。以現代等汽車企業為依托，韓國政府未來5年內用于氫燃料電池以及加氫站的補貼將達到20億歐元。目標是到2022年為15000輛燃料電池汽車和1000輛氫氣公交車提供資金。其中資助計劃包括310個新的氫氣加氣站，政府還將制定使用法規。韓國政府于2019年1月發布“氫能經濟發展路線圖”，旨在大力發展氫能產業，以引領全球氫燃料電池汽車和燃料電池市場發展。
根據該路線圖，韓國政府計劃到2040年氫燃料電池汽車累計產量由2018年的2000余輛增至620萬輛，氫燃料電池汽車充電站從現有的14個增至1200個。韓國政府表示將開始為燃料電池出租車和卡車提供補貼，到2022年燃料電池公交車數量將增加到2000輛，并預計在2021年開始用燃料電池車取代燃油警車。在固定式燃料電池方面，韓國目前的發展重點在于大型燃料電池發電站。韓國斗山集團是推動該項目建設的主體。2017年6月，該集團完成了韓國最大的氫能燃料電池發電站的建設，而該發電站的建設成本大約有3600萬美元。據報道，該發電站每年可生產144臺440千瓦的燃料電池系統，可以滿足市場的需求。
國內氫能與燃料電池發展現狀及分析
1、國內氫能產業鏈的結構分析
氫能產業鏈主要包括：氫的制取、儲存、運輸和應用等環節。氫既可廣泛應用于傳統領域，又可應用于新興的氫能車輛（包括乘用車、商用車、物流車、叉車、軌道車等）以及氫能發電（包括熱電聯供分布式發電、發電儲能、備用電源等）。為加快發展中國的氫能產業，依據目前的資源條件和能源產業狀況，應在加強氫安全的基礎上，積極推行氫源多元化及氫能多元化和規?；瘧谩?/p>
我國近年來每年純度99%以上氫氣的使用量約700億立方米（約600萬噸），年產值1200億元人民幣以上。目前國內發展氫能的生產方式，主要有煤制氫、天然氣制氫和工業副產氫，其中工業副產氫追溯其上游一次能源主要還是煤和天然氣。因此，目前國內氫能生產主要還是依靠化石能源，而電解水制氫僅占比2%—4%，占比較為有限。對于氫能的消費，國內大約90%或更多純度99%左右的氫氣都用于煉化產品生產過程中的加氫，以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領域，僅有2%—4%的氫氣作為工業氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細化工等行業的還原氣、保護氣、反應氣等，而在燃料電池汽車領域氫能的利用更少?？傮w看，目前我國具備一定的氫工業基礎，但是仍然還是以工業原料為主。氫作為能源消費的市場規模依然較小。
在氫能和燃料電池發展方面，我國也一直不落后。2016年10月，中國標準化研究院資源與環境分院和中國電器工業協會發布的《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》首次提出了我國氫能產業的發展路線圖（表1）。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發展目標進行了規劃?！吨袊圃?025》明確提出燃料電池汽車發展規劃，更是將發展氫燃料電池提升到了戰略高度。目前不論是國內的氫能技術，還是氫能產業基礎，雖然都具有一定的戰略規模，但是與國際最先進水平還有一定的差距。
2、我國燃料電池產業和技術發展現狀
國內燃料電池產業化現狀及問題
在我國中東部沿海經濟、技術實力較強的珠三角、長三角和北京等地區，聚集了我國燃料電池發展的主要企業。并且，近2年燃料電池投資熱度升溫，由幾年前的數家發展到現在的近千家燃料電池企業。與國外豐田、現代等燃料電池生產企業發展路線不同，中國氫燃料電池汽車企業主要分布在商用車領域——氫燃料電池商用車已實現量產。氫燃料電池乘用車還處于示范運行階段，其中上汽集團對燃料電池乘用車投入力度最大，2017年發布國內第一款商業化燃料電池輕型客車——大通V80。燃料電池叉車方面，我國已有東莞氫宇等企業布局，隨著氫能市場不斷成熟，我國叉車市場會是燃料電池另一個巨大的應用場景。
加氫站方面，目前我國已形成了一批從加氫站設計到運營的企業，這些企業主要集中在北上廣地區。目前我國制氫、儲氫、加氫等環節的關鍵核心設備，還不能全部“國產化”，成本難降。我國建成可運行加氫站12個，在建19個，典型代表北京永豐加氫站和上海安亭加氫站均從國外引進核心設備和技術咨詢服務。我國示范性加氫站及燃料電池客車車載供氫系統尚處于35兆帕壓力技術水平。為與客車配套，現有加氫站采用45兆帕隔膜式壓縮機、45兆帕儲氫罐和35兆帕氫氣加注機等設備，壓力標準提升還有待未來70兆帕燃料電池汽車普及。
國內燃料電池技術現狀及問題
在系統方面，國內燃料電池開發以車用質子交換膜燃料電池為主，已經具有系統自主開發能力且生產能力較強。以新源動力、億華通、氟爾賽、重塑科技和國鴻重塑為代表的企業，具備年產萬臺燃料電池系統的批量生產能力。然而在燃料電池系統關鍵零部件方面，中國與國際先進水平差距較大，基本沒有成熟產品。
在電堆方面，國內燃料電池電堆正在逐漸起步，電堆及產業鏈企業數量逐漸增長，產能量級提升，到2018年國內電堆產能超過40萬千瓦。目前，國內電堆廠商主要有兩類：①自主研發，以新源動力、神力科技和明天氫能為代表；②引進國外成熟電堆技術，以廣東國鴻為代表，其余企業有濰柴動力、南通百應等。
在雙極板方面，由于機加工石墨板成本高，復合材料雙極板近年來開始走向應用，如石墨/樹脂復合材料、膨脹石墨/樹脂復合材料、不銹鋼/石墨復合材料等。國內新源動力開發的不銹鋼/石墨復合雙極板電堆已經應用于上汽大通V80輕型客車上。廣東國鴻引進加拿大Ballard公司膨脹石墨/樹脂復合雙極板生產技術，生產電堆已經裝備數百輛燃料電池車。乘用車燃料電池具有高能量密度需求，金屬雙極板相較于石墨及復合雙極板具有明顯優勢。金屬雙極板的設計及加工技術主要掌握在國外企業，國內企業尚處于小規模開發階段，但是明天氫能科技公司正在建設年產萬臺級自動化生產線。
在膜電極方面，以新源動力、武漢理工新能源為代表，初步具備了不同程度的生產線，年產能在數千平方米到萬平方米，但還需要開發以狹縫涂布為代表的大批量生產技術。市場上主要生產全氟磺酸膜的企業主要來自于美國、日本、加拿大及中國。我國已具備質子交換膜國產化能力，山東東岳集團質子交換膜性能出色，具備規?；a能力。目前，東岳DF260膜厚度可做到15μm，在OCV情況下耐久性大于600小時。
在催化劑方面，海外企業領先，國內正起步。國內尚處于研究階段的單位有兩類：①國內企業，如貴研鉑業。貴研鉑業主營汽車尾氣鉑催化劑，和上汽共同研發燃料電池催化劑。②研究機構，如中國科學院大連化學物理研究所、上海交通大學、清華大學等。例如，中國科學院大連化學物理研究所制備的Pt3Pd/C合金催化劑，已應用于新源動力生產的燃料電池發動機。
在碳紙產品方面，主要由日本Toray公司等幾個國際大生產商壟斷，國內碳紙產品尚處于研發及小規模生產階段。
在系統部件方面，氫氣循環泵主要依賴進口，空壓機還沒有能夠大批量生產，缺少低功耗高速無油空壓機產品。
總而言之，我國在整車、系統和電堆方面均已有所布局，但零部件方面的相關企業仍較少，特別是最基本的關鍵材料和部件，如質子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環泵等；國內雖有相關企業開始介入，但與國際先進產品相比，可靠性和耐久性仍存在較大差距，大部分關鍵零部件及關鍵材料仍依賴進口。
3、國內氫能燃料電池存在的問題及對策
關鍵材料與核心部件缺少批量生產技術
近年來，我國氫能燃料電池技術整體上取得了長足的發展，但關鍵材料、核心部件的批量生產技術尚未形成，催化劑、隔膜、碳紙、空壓機、氫氣循環泵等仍主要依靠進口，這嚴重制約了我國氫能燃料電池產業的自主可控發展。應當看到，我國在高活性催化劑、高強度高質子電導率復合膜、碳紙、低鉑電極、高功率密度雙極板等方面的技術水平目前已經達到甚至超過了國外的商業化產品，但多停留于實驗室和樣品階段，還沒有形成大批量生產技術。因此，亟待加強上述關鍵材料核心部件的技術轉化，加快形成具有完全自主知識產權的批量制備技術和建立產品生產線，全面實現關鍵材料核心部件的國產化與批量生產。同時，進一步提高電堆比功率，降低電堆鉑用量，才能大幅降低燃料電池產品的成本。
電堆和系統可靠性與耐久性有待提高
目前，我國燃料電池堆和系統可靠性與耐久性等與國際先進水平仍存在差距，在全工況下的可靠性與耐久性有待提高。燃料電池系統可靠性與壽命不完全由電堆決定，還依賴于系統配套，包括燃料供給、氧化劑供給、水熱管理和電控等。因此，需加強燃料電池系統整體的過程機理及控制策略研究。這方面我國已取得一定的成果，如中國科學院大連化學物理研究所采用“電-電”混合的基礎上，還采用限電位控制、膜電極在線水監測、氫側循環等控制策略和技術方法，有效提升了燃料電池系統的壽命和耐久性。因此，應在已有基礎上，進一步加強車載工況、低溫、雜質等實際運行環境下的衰減機理與環境適應性研究，大幅提升燃料電池產品的可靠性與耐久性。
加氫站建設成本高、加氫費用高
目前，加氫站建設成本高，氫氣運輸成本較高，造成加氫費用高，同時加氫站等基礎設施不完善，直接制約了氫燃料電池汽車的發展、商業化示范運行和大規模應用。加快加氫站建設，建立其建設審批程序和運營監管標準成為當務之急。通過加強加氫站關鍵材料、核心部件及技術國產化，進一步降低加氫站建設成本。通過發展氫儲運技術，如液氫儲運、氫的管道運輸以及新型儲氫材料如有機液體儲氫等，降低氫氣儲運成本。在此基礎上，通過選擇有廉價氫源的地區先行開展氫燃料電池汽車的商業化運營，將有效地促進加氫站技術的提升和逐步降低氫氣使用成本，進而通過技術提升、市場輻射，帶動我國氫能燃料電池產業的整體技術進步和產業發展。此外，對于暫時無加氫站或邊遠地區不宜建加氫站的情況，車載甲醇制氫的燃料電池車具有一定優勢，可以進行示范。同時，也應布點發展汽柴油車載制氫技術，為發展特種應用的燃料電池車奠定基礎。
技術標準、檢測體系不健全、不完善
目前氫能燃料電池方面的標準遠不能滿足產業快速發展的需求，表現在支撐行業發展的氫制備、儲運、加注及實際工況下氫燃料電池從部件到系統的評價檢測體系等仍不健全，使得產業全鏈條下的產品推廣受到嚴重的制約和限制。亟待完善氫能燃料電池技術標準體系，建立完整的材料、部件、系統的有效檢測體系，為氫能燃料電池的技術發展、產品應用提供基礎保障。
氫燃料電池的前景
由于多方面原因，與飛速發展的動力電池產業相比，氫燃料電池的市場發展并不迅速。據中國電池聯盟數據，氫燃料電池需求有限，2018年全球燃料電池汽車銷量為5177輛，在2019年，整個燃料電池車出貨量在6700臺左右，多集中在公交車和物流用貨車方面。預計近年市場不會有特別大的爆發式增長。
盡管目前氫燃料電池市場不大，但國內外研究機構對未來氫能的能源化利用預期非常高。日本、美國、韓國等國均有各類導向政策，其中，日本豐田的氫燃料汽車已完成初步產業化。我國也于2014年起開始扶持氫燃料電池，在公交和物流領域已有不少應用范例。
發改委能源研究所劉堅表示，氫能燃料汽車續航能力較電動汽車好，更適合大功率貨運汽車應用，又能夠實現與純電動汽車相近的環境效應，仍是未來比較理想的車用能源的技術選擇。因此，國際能源署對氫能燃料汽車市場占比有較高的預期，有機會與純電動汽車、插電式混合動力汽車實現三分天下。
上海大學可持續能源研究院院長張久俊表示，中國氫能產業集群已經初步形成，但燃料電池產業鏈非常不完善，部分技術存在瓶頸，資金也有缺口。而在氫燃料電池市場尚不大的現在，張久俊認為，這些問題還需要政府牽頭來解決。
目前，國內氫能直接面對是儲運和加注的問題。劉堅建議，我國應明確氫能加注站的審批流程，完善政策體系，同時也要做好技術方面的研發工作，做好氫能產能爆發增長的準備。
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