中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：氫燃料電池是目前氫能產(chǎn)業(yè)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的核心產(chǎn)品之一，在全球積極應(yīng)對(duì)氣候變化并大力推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的背景下，氫燃料電池作為一種高效且清潔的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，成為各國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開展能源技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)方向，并推動(dòng)其在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和商業(yè)化進(jìn)程。根據(jù)電解質(zhì)的不同，氫燃料電池主要分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）。不同類型的氫燃料電池在工作溫度、電解質(zhì)特性、催化劑要求、燃料適應(yīng)性以及應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在差異，各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類燃料電池都在不斷優(yōu)化和改進(jìn)，以提高性能、降低成本，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。
當(dāng)前，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨諸多難題和挑戰(zhàn)，亟待各方合力破解。深入研究氫燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景及挑戰(zhàn)，對(duì)于把握其發(fā)展趨勢(shì)、政策制定及產(chǎn)業(yè)投資決策具有重要意義。
氫燃料電池的核心優(yōu)勢(shì)
零碳排放，全生命周期清潔
氫燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)使氫氣與氧氣結(jié)合，結(jié)果只產(chǎn)生水（H2O），而不會(huì)排放氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）或顆粒物（PM）。如果搭配可再生能源制氫(綠氫)，可以實(shí)現(xiàn)“從制氫到用氫”的全鏈條零碳，而傳統(tǒng)電動(dòng)汽車通過大網(wǎng)電充電時(shí)，依然存在間接碳排放。
高效能與長(zhǎng)壽命
氫燃料電池系統(tǒng)效率可達(dá)50%~60%，遠(yuǎn)超燃煤發(fā)電（30%~40%）和內(nèi)燃機(jī)（20%~35%）。如果與廢熱回收相結(jié)合，可以將綜合效率提高到80%以上。燃料電池電堆壽命已突破3萬(wàn)小時(shí)（商用車場(chǎng)景），儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)超1萬(wàn)次，遠(yuǎn)高于鋰電池（約5000次），適合長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的場(chǎng)景。
燃料來(lái)源廣泛，適配多元場(chǎng)景
氫能可通過多種方式獲取，如化石燃料重整(藍(lán)氫，配套碳捕集)、工業(yè)副產(chǎn)提純氫、可再生能源電解水(綠氫)等，以適應(yīng)不同區(qū)域的資源稟賦。燃料電池系統(tǒng)可在-30攝氏度至80攝氏度的寬溫域運(yùn)行，低溫啟動(dòng)性能優(yōu)于鋰電池，適合高寒地區(qū)或高溫高濕場(chǎng)景。
基礎(chǔ)設(shè)施兼容性與擴(kuò)展性
氫氣可通過管道、槽車、船舶等方式運(yùn)輸，與天然氣管道網(wǎng)絡(luò)兼容（摻氫比例可達(dá)15%~20%），降低基礎(chǔ)設(shè)施改造成本。燃料電池技術(shù)可衍生至氨燃料、甲醇重整制氫等領(lǐng)域，為未來(lái)“氫能-氨能-甲醇”多元能源體系提供技術(shù)儲(chǔ)備。
氫燃料電池的應(yīng)用前景
交通運(yùn)輸領(lǐng)域
燃料電池汽車。氫燃料電池汽車的特點(diǎn)是零排放，并且加氫時(shí)間較短，通常僅需3到5分鐘。因其加油時(shí)間與傳統(tǒng)燃油車相似、續(xù)航里程較長(zhǎng)（部分車型續(xù)航可達(dá)到500~800公里甚至更長(zhǎng)）等優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)汽車被視為未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要抓手。在乘用車領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐步降低，越來(lái)越多的汽車制造商推出了燃料電池汽車車型。在商用車領(lǐng)域，無(wú)論是長(zhǎng)途物流運(yùn)輸還是城市巴士，燃料電池車都有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，可顯著降低碳排放，減少對(duì)石油的依賴，且在續(xù)航里程和加氫時(shí)間上更具優(yōu)勢(shì)，能夠滿足長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)男枨?。在城市公交領(lǐng)域，燃料電池公交車具有零排放、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，可有效改善城市空氣質(zhì)量，提升居民的出行環(huán)境。
燃料電池船舶。船舶運(yùn)輸是全球貨物運(yùn)輸?shù)闹饕绞街?，但傳統(tǒng)船舶大多以柴油為燃料，排放的污染物和溫室氣體對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。氫燃料電池應(yīng)用于船舶領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種清潔高效的動(dòng)力源。燃料電池船能有效降低對(duì)港口及沿海地區(qū)的環(huán)境污染，具有零排放、低噪音、低振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。另外，燃料電池船具有較高的能源轉(zhuǎn)換效率，可以減少營(yíng)運(yùn)費(fèi)用。目前，一些小型燃料電池船舶，如觀光船、渡輪等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，而大型遠(yuǎn)洋燃料電池船舶的研發(fā)也在積極推進(jìn)中。
燃料電池軌道交通。在軌道交通領(lǐng)域，氫燃料電池同樣顯示出其潛在的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)的電力牽引軌道交通相比，燃料電池軌道交通具有不受接觸網(wǎng)限制、可實(shí)現(xiàn)靈活編組和運(yùn)營(yíng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，燃料電池軌道交通車輛在運(yùn)行過程中零排放，有助于改善城市空氣質(zhì)量。目前燃料電池軌道交通的示范項(xiàng)目已在一些國(guó)家和地區(qū)開展，如氫燃料電池電車已在德國(guó)部分城市投入使用，為燃料電池在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化，未來(lái)燃料電池軌道交通有望得到更大的普及。
燃料電池航空。在全球運(yùn)輸體系中，航空運(yùn)輸是重要的一環(huán)，也是主要的溫室氣體排放源之一。作為一項(xiàng)清潔能源技術(shù)，氫燃料電池提供了可持續(xù)發(fā)展的航空業(yè)新方案，能夠明顯降低航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，具有零排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的航空燃油相比，氫氣的能量密度更高，理論上可以使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程。目前，燃料電池在航空領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，主要集中在小型無(wú)人機(jī)和輕型飛機(jī)的研發(fā)和試驗(yàn)中。
分布式發(fā)電領(lǐng)域
熱電聯(lián)供應(yīng)系統(tǒng)?？赏瑫r(shí)提供家庭所需的電力和熱水，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。該系統(tǒng)通常以天然氣或氫氣為燃料，在加熱生活熱水或室內(nèi)采暖時(shí)，將化學(xué)能量通過燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為滿足家庭用電需求的電能，同時(shí)將燃料電池產(chǎn)生的廢熱回收再利用。與傳統(tǒng)的集中供電和供熱方式相比，家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有更高的能源利用效率（可達(dá)80%以上）、減少輸電損失、降低對(duì)電網(wǎng)的依賴，并且能夠?qū)崿F(xiàn)分布式能源供應(yīng)等優(yōu)勢(shì)。例如日本在家庭熱電聯(lián)供體系的推廣上成績(jī)斐然，大量的家庭都安裝了燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置，使家庭能效得到有效提高，能耗和碳排放量都得到了降低。
小型商業(yè)電站。針對(duì)一些對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性有較高需求的小型商業(yè)用戶，例如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心和酒店等，氫燃料電池小型商業(yè)電站是一個(gè)理想的備用電源或分布式發(fā)電解決方案。燃料電池小型商業(yè)電站可以在電網(wǎng)停電時(shí)迅速啟動(dòng)，為關(guān)鍵設(shè)備提供持續(xù)的電力供應(yīng)，保障商業(yè)運(yùn)營(yíng)的正常進(jìn)行。同時(shí)，燃料電池發(fā)電站也可作為分布式電源，在電網(wǎng)正常供電的情況下接入電網(wǎng)，將多余電量輸送至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電力雙向流動(dòng)。隨著可再生能源制氫技術(shù)的發(fā)展，使用綠氫作為燃料的燃料電池小型商業(yè)電站可以實(shí)現(xiàn)全生命周期的零碳排放，更加符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
氫燃料電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
技術(shù)瓶頸
氫燃料電池陰極需要使用大量鉑基催化劑來(lái)催化氧還原反應(yīng)，雖然目前主流的鉑基催化劑具有很高的活性，但鉑金資源的稀缺性和昂貴使得燃料電池的成本大大提高。盡管非鉑基催化劑研發(fā)已經(jīng)取得進(jìn)展，如過渡金屬氮化物等新型催化劑，但在活性和穩(wěn)定性方面仍與鉑基催化劑存在較大差距。非鉑基催化劑在實(shí)際工況下，易受環(huán)境因素影響，造成活性衰減快、壽命短，難以滿足長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的需要，使氫燃料電池的大量使用受到限制。
現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜，雖然性能較好但費(fèi)用較高，質(zhì)子傳導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性在高溫、高濕度或低濕度的環(huán)境下會(huì)下降，從而導(dǎo)致膜失水、溶脹、降解，使燃料電池的性能和可靠性受到影響。高性能、低價(jià)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的質(zhì)子交換膜材料的研制工作，依然是當(dāng)務(wù)之急。
電池系統(tǒng)集成同樣存在諸多問題，如系統(tǒng)能量管理策略不完善，導(dǎo)致能量利用效率低下；各子系統(tǒng)之間接口不統(tǒng)一，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造難度；系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性有待提高，在復(fù)雜工況下易出現(xiàn)故障，影響燃料電池的正常運(yùn)行和使用壽命。
成本高昂
從氫氣的制備來(lái)看，無(wú)論是化石能源制氫的高污染和后續(xù)處理成本，還是電解水制氫依賴低價(jià)電力而沒有實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀，以及生物制氫技術(shù)的不成熟，都使得氫氣的成本難以降低。同時(shí)，催化劑、質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵材料由于資源稀缺、制備工藝復(fù)雜，導(dǎo)致價(jià)格昂貴，且短期內(nèi)難以找到低成本替代方案。此外，雙極板、氣體擴(kuò)散層等其他關(guān)鍵材料的性能提升與成本控制之間的矛盾，也進(jìn)一步加劇了原材料成本問題。
另外，生產(chǎn)設(shè)備投資大且更新?lián)Q代快，企業(yè)需不斷投入資金購(gòu)置先進(jìn)設(shè)備，增加了固定成本。組裝工藝的復(fù)雜性使得自動(dòng)化程度難以快速提升，人工組裝效率低、導(dǎo)致制造與組裝環(huán)節(jié)成本難以有效控制。
從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的角度來(lái)看，加氫站、儲(chǔ)氫設(shè)施以及氫氣輸送管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都需要巨大的資金投入，而設(shè)備利用率低則是因?yàn)槭袌?chǎng)需求沒有得到充分釋放，難以通過規(guī)模效應(yīng)來(lái)分?jǐn)偨ㄔO(shè)成本。運(yùn)輸氫氣主要是靠長(zhǎng)管拖車，而且沒有適用于大規(guī)模的、長(zhǎng)距離的運(yùn)輸，運(yùn)輸效率低，成本高。管道輸氫雖具有大規(guī)模運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，但建設(shè)成本高、周期長(zhǎng)，且面臨技術(shù)和安全等問題。在貯藏方面，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是低密度、低溫液態(tài)的儲(chǔ)氫，并且低溫液體儲(chǔ)氫對(duì)裝備的要求很苛刻，目前還沒有商業(yè)化的應(yīng)用，比如金屬氫化物儲(chǔ)氫等新技術(shù)。氫氣運(yùn)輸與儲(chǔ)存設(shè)施的不完善，限制了氫氣的供應(yīng)范圍和靈活性，增加了氫氣供應(yīng)成本，不利于氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
安全與標(biāo)準(zhǔn)問題
氫氣在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過程中存在較大的安全隱患，如氫氣易燃、易爆、密度小、擴(kuò)散速度快等特點(diǎn)。漏氫會(huì)造成人員、財(cái)產(chǎn)的安全受到嚴(yán)重的威脅，從而引起爆炸和火災(zāi)事故的發(fā)生。此外，電擊、燙傷等燃料電池系統(tǒng)中的高壓電元件和高溫元件也存在著一定的安全隱患。如何確保氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的安全運(yùn)行，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。
目前，全球范圍內(nèi)氫燃料電池相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善，不同國(guó)家和地區(qū)在氫氣質(zhì)量、加氫站建設(shè)、燃料電池性能測(cè)試等方面的標(biāo)準(zhǔn)存在差異，缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。由于標(biāo)準(zhǔn)體系不健全，不利于行業(yè)規(guī)范發(fā)展和國(guó)際貿(mào)易，導(dǎo)致產(chǎn)品良莠不齊，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)無(wú)序。同時(shí)，也增加了企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)成本，阻礙了技術(shù)的交流與合作。
氫燃料電池發(fā)展建議
加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新
攻克汽車燃料電池催化劑等質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層碳紙等關(guān)鍵材料和核心部件的技術(shù)難關(guān)，降低進(jìn)口依存度，提高國(guó)產(chǎn)化率；加大在非貴金屬催化劑方面的研發(fā)投入，降低對(duì)昂貴金屬的依賴，如鉑金等，推動(dòng)催化劑成本降低；探索膜材料應(yīng)用納米材料和復(fù)合材料，提高質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電性和耐久性；優(yōu)化設(shè)計(jì)燃料電池系統(tǒng)，提高整體效率和可靠性，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，如熱管理和水管理，降低能量損耗。通過優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的精確調(diào)控，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。
完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
制定加氫站建設(shè)規(guī)劃，在加氫站和物流園區(qū)重點(diǎn)區(qū)域合理布點(diǎn)加氫，提高加氫站的覆蓋率，增加加氫站建設(shè)投入；鼓勵(lì)企業(yè)參與加氫車站建設(shè)運(yùn)營(yíng)，出臺(tái)相關(guān)政策，簡(jiǎn)化加氫站建設(shè)審批流程，降低建設(shè)成本；提高氫氣儲(chǔ)運(yùn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，積極發(fā)展多種氫氣貯運(yùn)技術(shù)，如高壓氣態(tài)儲(chǔ)存、液態(tài)存儲(chǔ)和金屬氫化物儲(chǔ)存；為降低運(yùn)輸成本，建設(shè)氫氣運(yùn)輸管道網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)氫氣長(zhǎng)途、規(guī)?；\(yùn)輸。
加大政策支持力度
建議政府制定和完善氫燃料電池技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣的相關(guān)政策，明確氫燃料電池在能源體系中的定位和發(fā)展目標(biāo)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供政策引導(dǎo)和保障，包括在財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、產(chǎn)業(yè)基金等方面給予支持。建立健全氫燃料電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量和安全要求，加強(qiáng)對(duì)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的監(jiān)管，確保產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
拓展市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域
持續(xù)推動(dòng)氫燃料電池在汽車、船舶和軌道交通等運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在中重型車輛和長(zhǎng)途運(yùn)輸方面，充分利用氫燃料電池具有續(xù)航里程長(zhǎng)和加氫時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。鼓勵(lì)在城市公共交通、物流配送和港口運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域推廣使用氫燃料電池車輛。積極研究氫燃料電池在分布式發(fā)電、儲(chǔ)能和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，例如在工業(yè)園區(qū)、數(shù)據(jù)中心等地點(diǎn)建立氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。推進(jìn)氫儲(chǔ)能在可再生能源利用和電網(wǎng)調(diào)節(jié)等領(lǐng)域的示范應(yīng)用，打造“風(fēng)電和光伏發(fā)電結(jié)合氫儲(chǔ)能”的新型一體化應(yīng)用模式。
