氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析.doc

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1、氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析摘要：调研了国内外氢燃料电池技术应用现状、存在的主要障碍等，对氢燃料电池技术应用趋势进行了分析，认为目前氢燃料电池技术存在应用成本高、基础设施配套不完善等问题，制约了其技术商业化推广应用。2020年前氢燃料电池技术处于示范应用阶段。随着技术不断进步，造价进一步降低，基础设施逐渐完善，2030年后氢燃料电池技术开始大规模推广应用。初步判断近期我国燃料电池汽车首先在商用车如公交车应用上实现突破，京津冀、长三角、珠三角、武汉等地率先实现规模化推广应用。氢燃料技术快速发展，给能源行业带来新的挑战和机遇。石化企业可在氢气供应、加油/充电/加氢一体化运营以及汽车轻量化材

2、料开发方面适时介入新能源汽车产业链，实现石化产业链的转型与调整。1氢燃料电池基本原理和用途1.1基本原理燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。单体电池由正负两个电极（燃料电极、氧化剂电极）以及电解质组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，产生电能。只要有燃料和氧化剂（纯氧或空气）不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此燃料电池兼具电池和热机的特点，具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点。燃料电池根据分类方法的不同分为相应的种类，如按其电解质不同，常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMF

3、C）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）等。理论上燃料电池的能量转化效率可高达90%，由于在工作时受各种条件限制，目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%60%。当燃料电池以纯氢气为燃料时，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了CO、NOx、SOx、粉尘等大气污染物的排放，可实现零排放，同时由于燃料电池生成水的反应是放热反应，在工作中还会产生大量热水、蒸汽，所以不仅可以供电，还可以供暖，同时具有清洁、可靠、能移动、寿命长等优点。此外，只有燃料电池本体还不能工作，燃料电池必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排

4、热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。1.2主要用途早在20世纪60年代燃料电池就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入70年代后，随着技术的不断进步，氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。如今伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料电池主要应用于固定领域、运输领域、便携式领域等三大领域。从市场的观点来看，燃料电池因其稳定性和无污染的特质，既适宜用于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。2氢燃料电池技术应用现状2.1国外技

5、术现状日本和美国是当前燃料电池市场的主要统治者。1）日本自上世纪90年代以来，在政府支持下，由经济产业省推动，日本开展了燃料电池汽车所需的共用新技术、设备的研究。目前日本在燃料电池各主要技术领域处于绝对的领先地位，而且技术最为全面。2014年6月，日本产业经济省发布了到2040年的“氢社会”战略路线图。该路线图指出，日本到2020年主要着力于扩大本国固定式燃料电池和燃料电池汽车的使用量，以占据氢燃料电池世界市场的领先地位。到2030年，进一步扩大氢燃料的需求和应用范围，使氢加入传统的“电、热”能源而构建全新的二次能源结构。到2040年，氢燃料生产采用CO2捕获和封存组合技术，建立起CO2零排放

6、的氢供应系统。2017年12月26日，日本政府发布了“氢能源基本战略”，进一步确定了2050年氢能社会建设的目标以及到2030年的具体行动计划。2）美国美国政府将氢能和燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的、至关重要的、必须发展的技术之一。美国能源部当前的特定目标主要有3个，即从现有的和未来的资源中获取氢能、自由汽车计划、燃料电池研究。美国国防部的研究则主要集中于氢能和燃料电池在军事方面的应用，研究的重点是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。3）德国目前，全球超过70%的氢能和燃料电池示范项目落户欧洲。其中，德国在这项技术的商业化方面处于领先地位。活跃在这一领域的德国公司与科研机构超过35

7、0家。从燃料电池专利申请数量来看，德国排名第三。从技术细节来看，德国重点关注燃料电堆、燃料制备与存储；从技术分类来看，德国和美国一样比较关注固体氧化物燃料电池技术；从技术应用方面来看，德国更为关注燃料电池在车辆上的应用。4）韩国氢能研发是韩国政府“21世纪前沿科学计划”的主攻技术领域之一。韩国政府成立了“氢能研发中心”，该中心针对韩国10年内氢能的发展，将目标分解为3个阶段，每个阶段均涉及氢能生产、氢能贮藏和氢能利用三方面的内容，目前已经进入推广执行阶段。燃料电池研究则在“能源技术研发的10年计划”框架下展开。韩国的专利申请数量排名第四。从专利技术细节来看，韩国关注膜电极组件；从技术分类来看，

8、韩国更为关注直接甲醇与熔融碳酸盐燃料电池技术；在应用方面韩国更为关注燃料电池便携式应用。2.2国内技术现状我国的燃料电池技术专利数量全球排名第五。从技术细节方面来看，我国则更为关注电极和催化剂；从技术分类来看，我国关注质子交换膜燃料电池技术。我国的专利申请主要集中在研究院所和高校，企业专利申请数量较少。我国氢燃料电池技术水平与先进国家相比差距较大，主要体现在：氢燃料电池总体尚处于工程化开发阶段，功率特性、冷启动、可靠性等主要技术性指标与世界标杆产品相比还有很大差距；关键技术领域所拥有的专利数目不少，但核心技术无几；技术标准还未形成体系；成本居高不下；催化剂、双极板等关键材料和高压储氢罐、空压机

9、、氢循环泵等关键零部件基本不具备产业化能力。相比国际氢燃料电池汽车开始商业化起步，我国氢燃料电池汽车大体落后510年。部分国家燃料电池技术情况见表1，国内外燃料电池整体性能对比见表2。2.3全球应用情况根据Fuel Cell Industry Review 2017的统计数据，2017年全球燃料电池的出货量约7.26万套，同比增长15%；出货功率为670MW，同比增长了30%。全球燃料电池市场出货量（按应用领域）见表3，按类型见表4，按区域见表5。3氢燃料电池技术应用主要障碍3.1氢燃料的制取成本和排放较高氢气制备是氢燃料电池大规模商用化的基础。目前，水电解、甲醇裂解、煤制氢、天然气制氢、氨分

10、解和氯碱工业尾气处理等各种制氢技术已大规模使用，但氢燃料电池用高纯氢成本和污染物排放仍较高。各类车购车及运营成本对比见表6，各类汽车全生命周期（油井至车轮，WTW）CO2排放对比见表7。3.2氢气运输体系尚不完善加氢站网络化分布是氢燃料电池技术大规模商用化的基本保障，而解决加氢站网络化分布的关键是解决氢气运输问题。氢气输送方式主要有气氢输送、液氢输送等。气氢输送分为管道输送、长管拖车和氢气钢瓶输送。管道输送一般用于输送量大的场合，美国、加拿大及欧洲多个工业地区都有氢气管道，目前氢气管道总长度已经超过16000km，法国和比利时之间建有世界最长的输氢管道，长约400km。长管拖车运输距离不宜太远

11、，用于输送量不大的场合；氢气钢瓶则用于输送量小且用户比较分散的场合。液氢输送一般采用罐车和船，可进行长距离输送。目前氢气输送网络系统技术尚不成熟，不利于氢燃料电池技术大规模商用化应用。氢气运输方式对比见表8。3.3储氢技术有待突破氢在常温常压下呈气态，密度很小，仅为空气的1/14。一直以来，氢燃料安全和高效存储是氢燃料电池技术大规模商用化的瓶颈。储氢技术是利用氢燃料电池的关键技术，也是难点所在。如高压储氢容器体积大，存在着泄漏和氢脆等安全隐患；液氢储氢耗能大，液氢蒸发问题导致存在储罐安全隐患；可逆金属氢化物储氢重量大等。3.4催化剂原料资源国内不多常用的贵金属电催化剂包括各种低温燃料电池常用的

12、铂、钯、钌、银和金等贵金属。世界铂矿产资源丰富，据不完全统计，世界铂族元素矿产资源总储量为3.1万t，其中铂金总储量为1.4万t。中国已探明的铂族金属只有310t，其中铂储量为119t，资源较少。目前氢燃料汽车单车（Mirai）铂消耗量约20g，假设2030年国内燃料电池车保有量200万辆，铂消耗量约为40t，对国内铂资源冲击很大。3.5经济性差燃料电池的高昂成本和寿命制约着其商业化应用。燃料电池大都采用铂催化剂作为电极，铂用量大且利用率低。尽管近十几年来，随着新型三维有序化电极结构的深入研究，使电极上铂催化剂用量降低了3个数量级，大幅降低了整个燃料电池成本，但其成本仍太高。燃料电池中大都采用

13、由杜邦公司生产的Nafion膜。该膜是一种全氟磺酸膜，生产工艺较为复杂，目前市场价格较为昂贵。此外，燃料电池主要采用石墨双极板，其技术虽已相当成熟，但机械强度差和加工成本高使其在工业上难以大规模应用。目前电池堆成本构成见图1。3.6政策风险氢燃料电池技术大规模应用之前，尚存在着基础设施建设不健全，成本过高，制氢、储氢和输氢技术存在安全风险等一系列问题。政府的支持是目前发展氢燃料电池技术产业的关键因素。由于锂电池起步早，商业化程度高，整车成本低，充电可以利用现有的电网系统，总体成本更低，因此现阶段我国汽车行业主推纯电动汽车。燃料电池汽车商业化需要国家进一步支持。4氢燃料电池技术发展趋势4.1国外

14、1）加氢站建设加快欧美日燃料电池汽车进入商业化示范阶段，加氢站建设提速。根据全球加氢站统计报告，截至2017年1月，全球正在运营的274座加氢站中，有106座位于欧洲、101座位于亚洲、64座位于北美、2座位于南美、1座位于澳大利亚。其中188座加氢站向公共开放，占全球总加氢站的2/3。2016年全球新增92座加氢站，比2015年增加了70%，创增长新高，其中日本新增45座，位列加氢站增长榜首；北美新增25座，其中20座位于加利福尼亚州；欧洲新增22座，其中6座位于德国。未来几年，全球主要国家将加快加氢站建设。到2020年，全球加氢站保有量将超过435座，2025年有望超过1000座，日本、德

15、国和美国分别有320、400和100座。挪威、意大利和加拿大等国均有57座加氢站处于规划之中。主要国家运营加氢站规划见表9。2）燃料电池系统成本不断下降受益于技术进步，燃料电池系统成本已大幅下降。美国能源部氢和燃料电池项目对每年氢燃料电池系统的成本进行了测算，该测算以80kW质子交换膜燃料电池为样本，以大规模生产（50万个/年）为测算条件。测算结果表明，随着技术的不断进步，氢燃料电池系统成本已从2006年的124美元/kW降至2015年的53美元/kW，下降幅度近60%。随着技术的不断进步，成本有望在2020年降至40美元/kW，相比2015年下降幅度达到近25%。美国能源部的最终目标是实现30美元/kW，约为目前成本的一半。3）全球燃料电池汽车发展预期美国汽车媒体预测，2023年全球燃料电池汽车年产量将从2016年的2840辆增加到5500辆，将占届时汽车年产量1.067亿辆的0.005%。预计2020年和2030年世界燃料电池汽车保有量分别为30万辆和200万辆，叉车达到2万辆和4万辆，家用燃料电池达到2万台和4万台，年耗氢量约分别为12.7万t和63万t。美国市场研究机构（Navigant）预测，燃料电池车将从2018年起进入快速发展阶段，在2024年的销量将达到22.8万辆，其中亚太地区占比将达到近40%，欧洲地区占比达到约33%，北美占比约25%。到2030年全球燃