程一步

（中國石油化工集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100029）

1 氫燃料電池基本原理和用途

1.1 基本原理

燃料電池是把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。單體電池由正負(fù)兩個(gè)電極（燃料電極、氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧還原反應(yīng)，電子通過外電路作功，產(chǎn)生電能。只要有燃料和氧化劑（純氧或空氣）不斷輸入，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能，因此燃料電池兼具電池和熱機(jī)的特點(diǎn)，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染物排放、可低溫快速啟動(dòng)、振動(dòng)和噪聲等級(jí)低等特點(diǎn)。燃料電池根據(jù)分類方法的不同分為相應(yīng)的種類，如按其電解質(zhì)不同，常用的燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）等。理論上燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)90%，由于在工作時(shí)受各種條件限制，目前各類燃料電池的實(shí)際能量轉(zhuǎn)化效率為40%～60%。當(dāng)燃料電池以純氫氣為燃料時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物僅為水，從根本上消除了CO、NOx、SOx、粉塵等大氣污染物的排放，可實(shí)現(xiàn)零排放，同時(shí)由于燃料電池生成水的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，在工作中還會(huì)產(chǎn)生大量熱水、蒸汽，所以不僅可以供電，還可以供暖，同時(shí)具有清潔、可靠、能移動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，只有燃料電池本體還不能工作，燃料電池必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

1.2 主要用途

早在20世紀(jì)60年代燃料電池就因其體積小、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)用于發(fā)電和汽車。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)用于固定領(lǐng)域、運(yùn)輸領(lǐng)域、便攜式領(lǐng)域等三大領(lǐng)域。從市場(chǎng)的觀點(diǎn)來看，燃料電池因其穩(wěn)定性和無污染的特質(zhì)，既適宜用于集中發(fā)電，建造大、中型電站和區(qū)域性分散電站，也可用作各種規(guī)格的分散電源、電動(dòng)車、不依賴空氣推進(jìn)的潛艇動(dòng)力源和各種可移動(dòng)電源，同時(shí)也可作為手機(jī)、筆記本電腦等供電的優(yōu)選小型便攜式電源。

2 氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

日本和美國是當(dāng)前燃料電池市場(chǎng)的主要統(tǒng)治者。

1）日本

自上世紀(jì)90年代以來，在政府支持下，由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省推動(dòng)，日本開展了燃料電池汽車所需的共用新技術(shù)、設(shè)備的研究。目前日本在燃料電池各主要技術(shù)領(lǐng)域處于絕對(duì)的領(lǐng)先地位，而且技術(shù)最為全面。2014年6月，日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)省發(fā)布了到2040年的“氫社會(huì)”戰(zhàn)略路線圖。該路線圖指出，日本到2020年主要著力于擴(kuò)大本國固定式燃料電池和燃料電池汽車的使用量，以占據(jù)氫燃料電池世界市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。到2030年，進(jìn)一步擴(kuò)大氫燃料的需求和應(yīng)用范圍，使氫加入傳統(tǒng)的“電、熱”能源而構(gòu)建全新的二次能源結(jié)構(gòu)。到2040年，氫燃料生產(chǎn)采用CO2捕獲和封存組合技術(shù)，建立起CO2零排放的氫供應(yīng)系統(tǒng)。2017年12月26日，日本政府發(fā)布了“氫能源基本戰(zhàn)略”，進(jìn)一步確定了2050年氫能社會(huì)建設(shè)的目標(biāo)以及到2030年的具體行動(dòng)計(jì)劃。

2）美國

美國政府將氫能和燃料電池確定為維系經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全的、至關(guān)重要的、必須發(fā)展的技術(shù)之一。美國能源部當(dāng)前的特定目標(biāo)主要有3個(gè)，即從現(xiàn)有的和未來的資源中獲取氫能、自由汽車計(jì)劃、燃料電池研究。美國國防部的研究則主要集中于氫能和燃料電池在軍事方面的應(yīng)用，研究的重點(diǎn)是質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池。

3）德國

目前，全球超過70%的氫能和燃料電池示范項(xiàng)目落戶歐洲。其中，德國在這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化方面處于領(lǐng)先地位?；钴S在這一領(lǐng)域的德國公司與科研機(jī)構(gòu)超過350家。從燃料電池專利申請(qǐng)數(shù)量來看，德國排名第三。從技術(shù)細(xì)節(jié)來看，德國重點(diǎn)關(guān)注燃料電堆、燃料制備與存儲(chǔ)；從技術(shù)分類來看，德國和美國一樣比較關(guān)注固體氧化物燃料電池技術(shù)；從技術(shù)應(yīng)用方面來看，德國更為關(guān)注燃料電池在車輛上的應(yīng)用。

4）韓國

氫能研發(fā)是韓國政府“21世紀(jì)前沿科學(xué)計(jì)劃”的主攻技術(shù)領(lǐng)域之一。韓國政府成立了“氫能研發(fā)中心”，該中心針對(duì)韓國10年內(nèi)氫能的發(fā)展，將目標(biāo)分解為3個(gè)階段，每個(gè)階段均涉及氫能生產(chǎn)、氫能貯藏和氫能利用三方面的內(nèi)容，目前已經(jīng)進(jìn)入推廣執(zhí)行階段。燃料電池研究則在“能源技術(shù)研發(fā)的10年計(jì)劃”框架下展開。韓國的專利申請(qǐng)數(shù)量排名第四。從專利技術(shù)細(xì)節(jié)來看，韓國關(guān)注膜電極組件；從技術(shù)分類來看，韓國更為關(guān)注直接甲醇與熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)；在應(yīng)用方面韓國更為關(guān)注燃料電池便攜式應(yīng)用。

2.2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

我國的燃料電池技術(shù)專利數(shù)量全球排名第五。從技術(shù)細(xì)節(jié)方面來看，我國則更為關(guān)注電極和催化劑；從技術(shù)分類來看，我國關(guān)注質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。我國的專利申請(qǐng)主要集中在研究院所和高校，企業(yè)專利申請(qǐng)數(shù)量較少。

我國氫燃料電池技術(shù)水平與先進(jìn)國家相比差距較大，主要體現(xiàn)在：氫燃料電池總體尚處于工程化開發(fā)階段，功率特性、冷啟動(dòng)、可靠性等主要技術(shù)性指標(biāo)與世界標(biāo)桿產(chǎn)品相比還有很大差距；關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域所擁有的專利數(shù)目不少，但核心技術(shù)無幾；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還未形成體系；成本居高不下；催化劑、雙極板等關(guān)鍵材料和高壓儲(chǔ)氫罐、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件基本不具備產(chǎn)業(yè)化能力。相比國際氫燃料電池汽車開始商業(yè)化起步，我國氫燃料電池汽車大體落后5～10年。部分國家燃料電池技術(shù)情況見表1，國內(nèi)外燃料電池整體性能對(duì)比見表2。

2.3 全球應(yīng)用情況

根據(jù)Fuel Cell Industry Review 2017的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年全球燃料電池的出貨量約7.26萬套，同比增長(zhǎng)15%；出貨功率為670 MW，同比增長(zhǎng)了30%。全球燃料電池市場(chǎng)出貨量（按應(yīng)用領(lǐng)域）見表3，按類型見表4，按區(qū)域見表5。

3 氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用主要障礙

3.1 氫燃料的制取成本和排放較高

氫氣制備是氫燃料電池大規(guī)模商用化的基礎(chǔ)。目前，水電解、甲醇裂解、煤制氫、天然氣制氫、氨分解和氯堿工業(yè)尾氣處理等各種制氫技術(shù)已大規(guī)模使用，但氫燃料電池用高純氫成本和污染物排放仍較高。各類車購車及運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比見表6，各類汽車全生命周期（油井至車輪，WTW）CO2排放對(duì)比見表7。

表1 部分國家燃料電池技術(shù)情況

表2 國內(nèi)外燃料電池整體性能對(duì)比

表3 全球燃料電池市場(chǎng)出貨量（按應(yīng)用領(lǐng)域）千件

表4 全球燃料電池市場(chǎng)出貨量（按類型） 千件

表5 全球燃料電池市場(chǎng)出貨量（按區(qū)域） 千件

表6 各類車購車及運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

表7 各類汽車全生命周期（WTW）CO2排放對(duì)比g/km

3.2 氫氣運(yùn)輸體系尚不完善

加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布是氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商用化的基本保障，而解決加氫站網(wǎng)絡(luò)化分布的關(guān)鍵是解決氫氣運(yùn)輸問題。氫氣輸送方式主要有氣氫輸送、液氫輸送等。氣氫輸送分為管道輸送、長(zhǎng)管拖車和氫氣鋼瓶輸送。管道輸送一般用于輸送量大的場(chǎng)合，美國、加拿大及歐洲多個(gè)工業(yè)地區(qū)都有氫氣管道，目前氫氣管道總長(zhǎng)度已經(jīng)超過16 000 km，法國和比利時(shí)之間建有世界最長(zhǎng)的輸氫管道，長(zhǎng)約400 km。長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸距離不宜太遠(yuǎn)，用于輸送量不大的場(chǎng)合；氫氣鋼瓶則用于輸送量小且用戶比較分散的場(chǎng)合。液氫輸送一般采用罐車和船，可進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送。目前氫氣輸送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)尚不成熟，不利于氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商用化應(yīng)用。氫氣運(yùn)輸方式對(duì)比見表8。

表8 氫氣運(yùn)輸方式

3.3 儲(chǔ)氫技術(shù)有待突破

氫在常溫常壓下呈氣態(tài)，密度很小，僅為空氣的1/14。一直以來，氫燃料安全和高效存儲(chǔ)是氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商用化的瓶頸。儲(chǔ)氫技術(shù)是利用氫燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)所在。如高壓儲(chǔ)氫容器體積大，存在著泄漏和氫脆等安全隱患；液氫儲(chǔ)氫耗能大，液氫蒸發(fā)問題導(dǎo)致存在儲(chǔ)罐安全隱患；可逆金屬氫化物儲(chǔ)氫重量大等。

3.4 催化劑原料資源國內(nèi)不多

常用的貴金屬電催化劑包括各種低溫燃料電池常用的鉑、鈀、釕、銀和金等貴金屬。世界鉑礦產(chǎn)資源豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界鉑族元素礦產(chǎn)資源總儲(chǔ)量為3.1萬t，其中鉑金總儲(chǔ)量為1.4萬t。中國已探明的鉑族金屬只有310 t，其中鉑儲(chǔ)量為119 t，資源較少。目前氫燃料汽車單車（Mirai）鉑消耗量約20 g，假設(shè)2030年國內(nèi)燃料電池車保有量200萬輛，鉑消耗量約為40 t，對(duì)國內(nèi)鉑資源沖擊很大。

3.5 經(jīng)濟(jì)性差

燃料電池的高昂成本和壽命制約著其商業(yè)化應(yīng)用。燃料電池大都采用鉑催化劑作為電極，鉑用量大且利用率低。盡管近十幾年來，隨著新型三維有序化電極結(jié)構(gòu)的深入研究，使電極上鉑催化劑用量降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅降低了整個(gè)燃料電池成本，但其成本仍太高。燃料電池中大都采用由杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜。該膜是一種全氟磺酸膜，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，目前市場(chǎng)價(jià)格較為昂貴。此外，燃料電池主要采用石墨雙極板，其技術(shù)雖已相當(dāng)成熟，但機(jī)械強(qiáng)度差和加工成本高使其在工業(yè)上難以大規(guī)模應(yīng)用。目前電池堆成本構(gòu)成見圖1。

圖1 目前電池堆成本構(gòu)成（日本NEDO數(shù)據(jù)）

3.6 政策風(fēng)險(xiǎn)

氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前，尚存在著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不健全，成本過高，制氫、儲(chǔ)氫和輸氫技術(shù)存在安全風(fēng)險(xiǎn)等一系列問題。政府的支持是目前發(fā)展氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵因素。由于鋰電池起步早，商業(yè)化程度高，整車成本低，充電可以利用現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)，總體成本更低，因此現(xiàn)階段我國汽車行業(yè)主推純電動(dòng)汽車。燃料電池汽車商業(yè)化需要國家進(jìn)一步支持。

4 氫燃料電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 國外

1）加氫站建設(shè)加快

歐美日燃料電池汽車進(jìn)入商業(yè)化示范階段，加氫站建設(shè)提速。根據(jù)《全球加氫站統(tǒng)計(jì)報(bào)告》，截至2017年1月，全球正在運(yùn)營(yíng)的274座加氫站中，有106座位于歐洲、101座位于亞洲、64座位于北美、2座位于南美、1座位于澳大利亞。其中188座加氫站向公共開放，占全球總加氫站的2/3。2016年全球新增92座加氫站，比2015年增加了70%，創(chuàng)增長(zhǎng)新高，其中日本新增45座，位列加氫站增長(zhǎng)榜首；北美新增25座，其中20座位于加利福尼亞州；歐洲新增22座，其中6座位于德國。

未來幾年，全球主要國家將加快加氫站建設(shè)。到2020年，全球加氫站保有量將超過435座，2025年有望超過1 000座，日本、德國和美國分別有320、400和100座。挪威、意大利和加拿大等國均有5～7座加氫站處于規(guī)劃之中。主要國家運(yùn)營(yíng)加氫站規(guī)劃見表9。

表9 主要國家運(yùn)營(yíng)加氫站規(guī)劃

2）燃料電池系統(tǒng)成本不斷下降

受益于技術(shù)進(jìn)步，燃料電池系統(tǒng)成本已大幅下降。美國能源部氫和燃料電池項(xiàng)目對(duì)每年氫燃料電池系統(tǒng)的成本進(jìn)行了測(cè)算，該測(cè)算以80 kW質(zhì)子交換膜燃料電池為樣本，以大規(guī)模生產(chǎn)（50萬個(gè)/年）為測(cè)算條件。測(cè)算結(jié)果表明，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫燃料電池系統(tǒng)成本已從2006年的124美元/kW降至2015年的53美元/kW，下降幅度近60%。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，成本有望在2020年降至40美元/kW，相比2015年下降幅度達(dá)到近25%。美國能源部的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)30美元/kW，約為目前成本的一半。

3）全球燃料電池汽車發(fā)展預(yù)期

美國汽車媒體預(yù)測(cè)，2023年全球燃料電池汽車年產(chǎn)量將從2016年的2 840輛增加到5 500輛，將占屆時(shí)汽車年產(chǎn)量1.067億輛的0.005%。預(yù)計(jì)2020年和2030年世界燃料電池汽車保有量分別為30萬輛和200萬輛，叉車達(dá)到2萬輛和4萬輛，家用燃料電池達(dá)到2萬臺(tái)和4萬臺(tái)，年耗氫量約分別為12.7萬t和63萬t。

美國市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)（Navigant）預(yù)測(cè)，燃料電池車將從2018年起進(jìn)入快速發(fā)展階段，在2024年的銷量將達(dá)到22.8萬輛，其中亞太地區(qū)占比將達(dá)到近40%，歐洲地區(qū)占比達(dá)到約33%，北美占比約25%。到2030年全球燃料電池汽車銷量將達(dá)到350萬輛，占電動(dòng)汽車銷量的10%；到2050年，純電動(dòng)、插電式混合電動(dòng)、燃料電池汽車銷量占比均達(dá)到30%，形成三分天下之勢(shì)。主要國家和地區(qū)運(yùn)營(yíng)氫燃料電池車輛和加氫站規(guī)劃見表10。

表10 運(yùn)營(yíng)氫燃料電池車輛和加氫站規(guī)劃

4.2 國內(nèi)

4.2.1 氫能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展預(yù)測(cè)

根據(jù)全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》（2016），我國氫能基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)近期、中期、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)如下：

1）近期

2020年，可用于氫能利用的氫氣產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到720億m3/年（648萬t/年），其中可再生能源制氫示范項(xiàng)目和工業(yè)副產(chǎn)含氫氣體回收氫氣產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到10億～15億 m3/年；基本建成與美國、日本等發(fā)達(dá)國家同等完善水平的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系；在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、武漢等氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)率先實(shí)現(xiàn)氫能汽車及加氫站的規(guī)?；茝V應(yīng)用，建成小規(guī)模的氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，加氫站總數(shù)達(dá)100座以上；固定式燃料發(fā)電達(dá)到20萬 kW，燃料電池運(yùn)輸車輛達(dá)到1萬輛；在京津冀、長(zhǎng)三角等地區(qū)，示范應(yīng)用用戶側(cè)熱電聯(lián)供（CHP）氫利用系統(tǒng)。

2）中期

2030年，可用于氫能利用的氫氣產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到1 000億 m3/年（900萬t/年），其中清潔和低碳制氫產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到200億 m3/年；馳放氣等工業(yè)副產(chǎn)含氫氣體回收利用效率大幅提高，產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到100億m3/年；累計(jì)建成3 000 km以上氫氣長(zhǎng)距離輸送管道；擴(kuò)大加氫站覆蓋面，重點(diǎn)構(gòu)建沿高速公路的加氫站點(diǎn)，連接重點(diǎn)區(qū)域，如形成京滬廣氫能高速公路，燃料電池車輛保有量達(dá)200萬輛，加氫站總數(shù)達(dá)1 000座以上，初步形成與燃料電池車輛保有量相匹配的供氫網(wǎng)絡(luò)；在京、滬、廣等重點(diǎn)區(qū)域推廣氫能軌道交通；固定式燃料電池發(fā)電規(guī)模達(dá)到10 000萬 kW，其中分布式發(fā)電規(guī)模達(dá)到5 000萬 kW。

3）長(zhǎng)期

2050年，加氫站服務(wù)區(qū)域覆蓋全國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，參照加油站分布狀況及要求，完成高速公路加氫站布局；燃料電池車輛保有量達(dá)到1 000萬輛。我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)發(fā)展路線見表11。

表11 我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)發(fā)展路線

4.2.2 氫燃料電池發(fā)展趨勢(shì)

1）2020年示范運(yùn)行，2030年大規(guī)模推廣應(yīng)用，2050年普及應(yīng)用

2016年10月，工業(yè)和信息化部委托中國汽車工程學(xué)會(huì)牽頭完成的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》正式發(fā)布。提出的氫能燃料電池汽車產(chǎn)品路線為：①近期以小功率燃料電池與大容量動(dòng)力電池的動(dòng)力構(gòu)型為技術(shù)特征，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車在特定地區(qū)的公共服務(wù)用車領(lǐng)域萬輛規(guī)模示范應(yīng)用；②中期以大功率燃料電池與中等容量動(dòng)力電池的電電混合為特征，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的較大區(qū)域十萬輛規(guī)模批量應(yīng)用；③遠(yuǎn)期以全功率燃料電池為動(dòng)力特征，在私人乘用車、大型商用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)百萬輛規(guī)模的商業(yè)推廣；以可再生能源為主的氫能供應(yīng)體系建設(shè)與規(guī)模擴(kuò)大支撐燃料電池汽車規(guī)?；l(fā)展。氫能燃料電池汽車產(chǎn)品路線圖見表12。

2016年，國家發(fā)改委和能源局印發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》，明確了氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新目標(biāo)與路線。技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)在氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)及加氫站、先進(jìn)燃料電池及燃料電池分布式發(fā)電?？傮w目標(biāo)是到2020年，實(shí)現(xiàn)燃料電池和氫能的示范運(yùn)行；2030年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用；2050年實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。具體目標(biāo)是到2030年：①實(shí)現(xiàn)工業(yè)和交通部門的革命性減排，并推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展；突破制氫關(guān)鍵技術(shù)；開展新一代煤催化氣化制氫和甲烷重整/部分氧化制氫技術(shù)。②電池壽命超過5 000 h，實(shí)現(xiàn)數(shù)十立方米/小時(shí)的可再生能源電解水制氫示范和推廣應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模制氫、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、應(yīng)用一體化，實(shí)現(xiàn)加氫站現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氫、制氫模式的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣應(yīng)用。③接近質(zhì)子膜燃料電池操作溫度、儲(chǔ)氫容量高于5%（w）的儲(chǔ)氫材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大規(guī)模液態(tài)氫儲(chǔ)存與運(yùn)輸技術(shù)。④PEMFC電源系統(tǒng)額定輸出功率50～100 kW，系統(tǒng)比能量≥300 Wh/kg，使用壽命5 000 h以上，其中電堆比功率≥3 kW/L。⑤MFC電源系統(tǒng)額定輸出功率5～10 kW，系統(tǒng)比能量≥345 Wh/kg，使用壽命3 000 h以上。⑥PEMFC系統(tǒng)使用壽命10 000 h以上、SOFC系統(tǒng)使用壽命40 000 h以上、MeAFC系統(tǒng)使用壽命10 000 h以上，實(shí)現(xiàn)千瓦至百千瓦級(jí)PEMFC系統(tǒng)推廣應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)百千瓦至兆瓦級(jí)SOFC發(fā)電分布式能源系統(tǒng)示范應(yīng)用，發(fā)電效率60%以上；實(shí)現(xiàn)MeAFc 系統(tǒng)示范運(yùn)行或規(guī)模應(yīng)用。我國氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新路線圖見表13。

表12 氫能燃料電池汽車產(chǎn)品路線圖

2015年，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，提出了燃料電池汽車的戰(zhàn)略目標(biāo)及研究方向。到2020年，我國逐步實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料和零部件國產(chǎn)化、燃料電池堆和整車性能提升、燃料電池汽車運(yùn)行規(guī)模擴(kuò)大。通過對(duì)關(guān)鍵材料、電池堆系統(tǒng)及通用化技術(shù)等重點(diǎn)領(lǐng)域的研究，到2020年實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2025年完成商業(yè)化產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運(yùn)行。《中國制造2025》關(guān)于燃料電池汽車戰(zhàn)略目標(biāo)見表14。

2009年，中國科學(xué)院頒布《中國至2050年能源科技發(fā)展路線圖》，提出我國氫燃料電池汽車不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的科技目標(biāo)是：2020年，燃料電池汽車達(dá)到小規(guī)模商業(yè)化階段，產(chǎn)量達(dá)到當(dāng)年汽車產(chǎn)量的1%；2035年，燃料電池汽車達(dá)到商業(yè)化推廣應(yīng)用階段，產(chǎn)量達(dá)到當(dāng)年汽車產(chǎn)量的5%～8%，總?cè)剂想姵仄嚤Ｓ辛窟_(dá)1 000萬輛；2050年，燃料電池汽車處于商業(yè)化推廣應(yīng)用階段，產(chǎn)量達(dá)到當(dāng)年汽車產(chǎn)量的1/3，總?cè)剂想姵仄嚤Ｓ辛砍^5 000萬輛。

表13 我國氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新路線圖

表14 《中國制造2025》關(guān)于燃料電池汽車戰(zhàn)略目標(biāo)

綜上所述，初步預(yù)測(cè)我國燃料電池汽車2020年實(shí)現(xiàn)燃料電池和氫能的示范運(yùn)行，2030年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，2050年實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。

2）商用車產(chǎn)業(yè)化或率先突破

由于純氫燃料電池車的運(yùn)營(yíng)成本顯著高于純電動(dòng)車和燃油汽車，我國燃料電池巴士與歐美相比發(fā)展較慢。但自2015年起，我國對(duì)空氣質(zhì)量的日漸重視和一系列燃料電池政策都在推動(dòng)燃料電池巴士的發(fā)展。全球領(lǐng)先的氫燃料電池研發(fā)和供應(yīng)商加拿大巴拉德公司看好我國的市場(chǎng)潛力，期望通過短期的產(chǎn)品銷售，進(jìn)而在中期完成技術(shù)許可與制造的本地化，最終實(shí)現(xiàn)本土電堆銷售，并獲得專利的長(zhǎng)期授權(quán)費(fèi)，其已與我國多家企業(yè)簽署協(xié)議，提供巴士燃料電池和技術(shù)解決方案。如目前廣東佛山（云?。┊a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目建成氫能產(chǎn)業(yè)與新材料發(fā)展研究院，引入了加拿大巴拉德公司氫能研發(fā)人才；加拿大巴拉德公司與園內(nèi)企業(yè)合作共建廣東國鴻氫能科技有限公司的最新一代FC-9SSL燃料電池生產(chǎn)線（一期規(guī)模30萬kW）2017年投產(chǎn)；年產(chǎn)5 000輛氫能源汽車整車生產(chǎn)基地（佛山飛馳汽車制造公司）已經(jīng)竣工投產(chǎn)，首批生產(chǎn)的28輛氫能城市公交車（配套進(jìn)口氫燃料電池）已在佛山、云浮兩市運(yùn)行；園區(qū)內(nèi)建成一座加氫站，氫氣購自附近法液空和化工廠，純度99.999%，采用高壓（25 MPa）氣態(tài)汽車（管束車）運(yùn)輸。園區(qū)與建行廣東省分行合作，設(shè)立30億元的佛山（云浮）氫能源產(chǎn)業(yè)基金，對(duì)云浮氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)進(jìn)行投資。此外據(jù)調(diào)研，2016年全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)預(yù)測(cè)，到2020年我國燃料電池車輛以商用車為主。

因此，初步判斷近期我國燃料電池汽車有望首先在商用車如公交車應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)突破。

3）京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、武漢等地率先實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V應(yīng)用

京津冀地區(qū)是我國政治文化中心，降低煤炭等傳統(tǒng)化石資源消耗、減少污染物排放的需求迫切，此外，京津冀也是氫燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的前沿陣地，2008年氫燃料電池客車已在奧運(yùn)會(huì)期間進(jìn)行了示范運(yùn)行。長(zhǎng)三角地區(qū)有豐富的工業(yè)副產(chǎn)氫資源，匯聚了一批國內(nèi)領(lǐng)先的燃料電池研發(fā)、生產(chǎn)、制造與測(cè)試企業(yè)，同時(shí)上海、如皋、鹽城等地已有較好的氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，燃料電池汽車經(jīng)歷過2010年世博會(huì)示范應(yīng)用。珠三角地區(qū)深圳、廣州、佛山、云浮都開展過燃料電池示范運(yùn)行，已引進(jìn)國外燃料電池技術(shù)及生產(chǎn)線。因此，初步判斷上述地區(qū)有望率先實(shí)現(xiàn)氫能汽車規(guī)?；茝V應(yīng)用。

5 結(jié)論

1）氫能源有望成為下一代的基礎(chǔ)能源

至今為止，人類歷史上已發(fā)生過兩次能源革命。第一次能源革命是煤炭取代木材成為主導(dǎo)能源，第二次能源革命是石油取代煤炭成為主導(dǎo)能源。盡管目前化石能源仍居于主導(dǎo)地位，但是考慮到隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，世界化石能源資源的緊缺性日益突顯，如根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)2017》的數(shù)據(jù)，全球石油、天然氣、煤炭?jī)?chǔ)采比分別為50.6年、52.5年、153年?；茉吹牟豢沙掷m(xù)性以及對(duì)環(huán)境和生態(tài)的破壞性日益被人們認(rèn)識(shí)，并受到世界各國高度重視，以利用可再生能源為標(biāo)志的第三次能源革命正在到來。氫能可用于從可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）長(zhǎng)距離傳遞能量，并大量貯存。此外，從人類過去百年的能源進(jìn)化史看，本質(zhì)上就是碳?xì)浔鹊恼{(diào)整史，氫含量不斷提高，能量密度也隨之不斷提高。氫氣基礎(chǔ)能量密度是汽油的3倍，優(yōu)勢(shì)明顯。因此，未來從碳能源轉(zhuǎn)向氫能源是大勢(shì)所趨，氫能源有望成為下一代的基礎(chǔ)能源。

2）氫燃料電池技術(shù)2020年前處于示范應(yīng)用階段，2030年后大規(guī)模推廣應(yīng)用

目前氫燃料電池技術(shù)存在應(yīng)用成本高、基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善及建設(shè)成本高、制氫能耗高和對(duì)環(huán)境污染大、政策引導(dǎo)不夠等問題，應(yīng)用內(nèi)在動(dòng)力不足，極大制約了其技術(shù)商業(yè)化推廣應(yīng)用。只有隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，電池效率和使用壽命進(jìn)一步提高，造價(jià)進(jìn)一步降低，基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，可再生能源在技術(shù)上的大規(guī)模利用，才可能大規(guī)模推廣利用。

3）氫燃料電池技術(shù)快速發(fā)展，給石化行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

發(fā)展新能源汽車可有效降低交通環(huán)境污染，提高能源利用效率，是對(duì)傳統(tǒng)能源汽車的有效接替，也是中國加快培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。我國目前電動(dòng)汽車的發(fā)展雖然較快，但純電動(dòng)汽車存在鋰電池能量密度提升受限、充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航里程短等問題，目前中國電動(dòng)汽車的發(fā)展主要依賴國家補(bǔ)貼政策的激勵(lì)，核心技術(shù)研發(fā)進(jìn)展緩慢。氫燃料電池在能量密度和快速充氫上具有優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景較好，但目前存在氫氣和電池（催化劑）生產(chǎn)成本高、儲(chǔ)氫材料量產(chǎn)及其成本降低難以實(shí)現(xiàn)突破等主要問題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)終將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，新能源汽車的發(fā)展將從根本上改變目前以石油為基礎(chǔ)的交通能源格局，給石化行業(yè)油品市場(chǎng)帶來一定沖擊，石化行業(yè)的重心將從燃油生產(chǎn)轉(zhuǎn)向化工原料或其他產(chǎn)品加工。同時(shí)，新能源汽車發(fā)展也給石化行業(yè)帶來了發(fā)展機(jī)遇，石化企業(yè)可在氫氣供應(yīng)、加油（氣）/充電/加氫一體化運(yùn)營(yíng)以及汽車輕量化材料、高端化材料開發(fā)方面適時(shí)介入新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)石化產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型與調(diào)整，培育未來新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。