孟春江，石 光

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300030）

可持續(xù)發(fā)展理念下，人們要求優(yōu)化能源使用結(jié)構(gòu)，即應在規(guī)范使用清潔能源的基礎上，減少石化能源的用量；進而在保證產(chǎn)業(yè)效益的基礎上，消除石化生產(chǎn)所帶來的能源及環(huán)境危機，確保工業(yè)產(chǎn)業(yè)清潔化、綠色化生產(chǎn)。氫燃料電池技術是基于這一背景產(chǎn)生的全新技術形態(tài)，其通過清潔能力的開發(fā)和商業(yè)利用，有效地促進了石化產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)了能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 氫燃料電池技術原理和用途

1.1 技術原理

燃料電池本質(zhì)上是一種發(fā)電裝置，其能通過電化學反應，將電池中燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能。單體電池不僅包含正負兩個電極，而且涉及電解質(zhì)等物質(zhì)；在整個電化學反應中，電解質(zhì)隔膜兩側(cè)會進行一系列的物質(zhì)轉(zhuǎn)換，具體反應過程包含氫氧化反應與氧化還原反應；經(jīng)此反應后，電子能通過外電路通道做功，由此產(chǎn)生一定的電能。

1.2 主要用途

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，能量轉(zhuǎn)化效率是衡量能源利用效果的重要因素，對于氫燃料電池而言，其該參數(shù)值保持在40%～60%；當電池電化學反應存在差異，或電池工作條件不同時，其實際的能量轉(zhuǎn)化也有較大區(qū)別。從氫燃料電池應用過程來看，此類電能轉(zhuǎn)化過程的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益較為突出，有效地滿足了新時期清潔能源的營養(yǎng)需要?；诖耍瑲淙剂想姵氐膽梅秶粩鄶U大；交通運輸業(yè)是氫燃料電池的主要應用領域，除此之外，在一些固定領域和便攜式領域中，氫燃料電池也得到一定的推廣和應用。

2 氫燃料電池技術應用現(xiàn)狀及問題

2.1 應用現(xiàn)狀

基于氫燃料電池突出的技術優(yōu)勢、經(jīng)濟優(yōu)勢和生態(tài)優(yōu)勢，其在全球范圍內(nèi)的應用規(guī)模不斷擴大。據(jù)統(tǒng)計，早在2017 年，全球氫燃料電池的出貨量就已經(jīng)達到了7.26 萬套，同比增長幅度高達15%。在我國，氫燃料電池應用技術處于持續(xù)創(chuàng)新階段，從技術專利層面來看，我國在氫燃料電池領域的技術專利位居世界第五，技術的創(chuàng)新有效地拓寬了氫燃料電池的適用范圍，增加了氫燃料電池的使用數(shù)量。氫燃料電池汽車是氫燃料電池技術商業(yè)化應用的重要內(nèi)容，相比于發(fā)達國家，我國氫燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展尚處于起步階段，該領域落后國外5～10 年（見表1）。不可否認的是，我國現(xiàn)階段氫燃料電池技術發(fā)展應用尚存在一定問題，有必要深化技術創(chuàng)新，消除這些障礙因素，為氫燃料電池的發(fā)展和應用奠定良好基礎。

表1 國內(nèi)外氫燃料電池性能對比

2.2 應用問題

結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際可知，氫燃料電池技術商業(yè)化應用中尚存在較多問題。

（1）制備氫氣是氫燃料電池大規(guī)模、商業(yè)化使用的技術前提，現(xiàn)階段，制氫技術具有多樣性的特征，常見的制氫手段不僅包含水電解，而且涉及甲醇裂解，此外，氨分解和氯堿工業(yè)尾氣處理的都是制氫的重要方式。但不可否認的是，工業(yè)制氫的成本較高，而且其在商業(yè)化運作中仍有較高的污染物排放。

（2）氣氫輸送、液氫輸送是氫氣運輸?shù)膬煞N基本模式，而在具體運輸方式層面，集裝格、長管拖車、管道、槽車、鐵路等都是氫氣運輸?shù)闹饕绞?，但在具體運輸方式選擇中，尚缺乏科學有效的運輸體系，有必要結(jié)合氫氣運輸方式，進行氫氣運輸量、氫氣應用情況的深入分析。另外現(xiàn)階段氫燃料電池技術應用中還存在一定的儲氫障礙，即氫氣在儲存中存在泄漏、蒸發(fā)等缺陷，這不僅浪費了社會資源，而且對周圍環(huán)境具有較大影響，此外，泄漏氫氣危機泄漏區(qū)居民安全。

（3）氫燃料電池使用中會使用一定的催化劑，但現(xiàn)階段，我國氫燃料電池催化劑的原材料儲備不斷建設，這對于氫燃料電池的制備生產(chǎn)和商業(yè)應用造成較大沖擊。

（4）除經(jīng)濟風險外，政策的變化也會影響氫燃料電池應用。經(jīng)濟風險控制中，應進一步深化氫燃料電池技術創(chuàng)新，降低電池制造成本，提升電池發(fā)電效率。而在政策層面，國家應通過政策支持的方式，加大對燃料電池技術商業(yè)化應用的引導，為氫燃料電池技術創(chuàng)新和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。

3 氫燃料電池技術發(fā)展趨勢

3.1 技術規(guī)模將持續(xù)擴大

相比傳統(tǒng)的石化工藝，氫燃料電池技術具有極為突出的技術優(yōu)勢，一方面，使用氫燃料電池技術能有效解決從傳統(tǒng)石化生產(chǎn)所帶來的能源短缺問題，深化新能源在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)中的應用；另一方面，氫然燃料本身具有清潔性的特點，使用氫燃料電池能減少對環(huán)境的污染。此外，氫能源電池技術不斷成熟，電池生產(chǎn)應用的經(jīng)濟效益不斷突出?；谶@些優(yōu)勢，氫能源識別得到廣泛應用。能源創(chuàng)新計劃指出了氫能源與燃料電池技術的發(fā)展方向和目標。在規(guī)劃中，要求在氫燃料電池領域研究中，不僅要注重氫制取、存儲、運輸方式的優(yōu)化，而且應深化在先進燃料電池及燃料電池分布式發(fā)電等層面的進一步研究。并且從整體發(fā)展目標來看，預計到2030 年時，我國要實現(xiàn)氫能源電池的但規(guī)模推廣；而當達到2050 年時，要求氫能源電池已經(jīng)全面普及。基于這個目標要求，在氫能源電池技術發(fā)展中，還需要注重以下4 個要點的創(chuàng)新。

（1）制氫工藝直接關系著電池的應用效果，故而在這一領域，應深化煤催化氣化制氫等新技術的應用，以此來減少當前強能源電池應用的能耗和排放，同時降低制氫的經(jīng)濟效益。

（2）為進一步擴大氫燃料電池的使用范圍，要求進一步延長氫能源電池的使用壽命，即新研發(fā)電池的使用壽命應超過5000h。

（3）除制氫技術外，氫輸送、存儲對于氫燃料電池技術的應用具有深刻影響，對此還應重視輸氫、儲氫材料的選擇應用，實現(xiàn)氫氣的長距離、大規(guī)模運輸和存儲。

（4）應重視氫燃料電池技術實際輸出功率的控制，確保其滿足新時期工業(yè)生產(chǎn)需要。

3.2 交通領域或?qū)崿F(xiàn)率先突破

除固定領域、便攜式領域外，交通領域是氫燃料電池技術應用的重要方向。相比與其他領域，交通領域氫燃料電池技術的應用更加深入。這是因為氫燃料電池的能耗較小，據(jù)統(tǒng)計，在各類型車輛中，氫燃料電池車的百公里能耗為1kg 氫氣，實際明顯低于其他車輛；而且使用過程更加環(huán)保，從這一層面來看，在交通領域使用氫燃料電池，符合綠色環(huán)保要求，順應網(wǎng)絡社會可持續(xù)發(fā)展趨勢。相比于純電動車和燃油汽車，氫燃料電池車的運營成本較高，這在一定程度上阻礙了氫燃料電技術的發(fā)展。現(xiàn)階段，氫燃料電池的轉(zhuǎn)化效率仍有待提升，這是因為經(jīng)理論研究，其能量轉(zhuǎn)化效率最高可達到90%，結(jié)合應用實際可知，氫燃料電池技術仍有較大的發(fā)展?jié)摿?。面對著環(huán)境污染日益嚴重的問題，我國從2015 年開始逐步推廣氫燃料電池在巴士中的應用，并且近年來，不斷立法保護新能源汽車發(fā)展，這在一定程度上為氫燃料電池技術在交通運輸領域的發(fā)展奠定了良好基礎；受此影響，在氫燃料電池技術商業(yè)化應用中，有望在交通運輸領域取得率先突破。

3.3 經(jīng)濟中心地帶將率先使用全新技術成果

步入新時期以來，我國氫燃料電池技術在多個層面取得了全新突破，如制氫、儲氫、氫能源轉(zhuǎn)化，能源電池應用等。相比經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，注入京津冀、長三角、珠三角等地區(qū)將率先使用氫燃料電池新技術，推動氫燃料電池技術的商業(yè)化、規(guī)?；瘧?。一方面，這些地區(qū)工業(yè)發(fā)達，化石資源消耗嚴重，且環(huán)境污染相對嚴重，其迫切需要新能源、新技術來打破當前發(fā)展困局。另一方面，從氫燃料電池技術大規(guī)模推廣過程來看，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的資金優(yōu)勢明顯，基于這一優(yōu)勢，區(qū)域內(nèi)聚集了一大批先進的研發(fā)、生產(chǎn)、制造與測試企業(yè)，這為氫燃料電池技術的推廣和商業(yè)應用創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)語

新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，氫燃料電池技術應用具有極為明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢、節(jié)能優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢，其能有效解決石化生產(chǎn)所帶來的能源、環(huán)境問題。新時期，人們只有充分掌握氫燃料電池技術原理和應用方向，在分析該技術應用現(xiàn)狀的基礎上，把握氫燃料電池技術發(fā)展趨勢，這樣能有效提升氫燃料電池技術應用水平，促進新能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。