氢能燃料电池技术发展现状与趋势

       陈硕翼1，朱卫东1，张丽1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技术研究发展中心;2.中国科学院理化技术研究所;3.北京鉴衡认证中心有限公司)

　　氢能技术可以推动动力产业转型和新能源汽车、分布式供能等新兴产业发展，具有改变能源结构的潜力，实现能源供给端到消费端的全产业链转变，促进人类生产、生活方式的变革。本文对国内外氢能燃料电池技术发展现状与趋势进行了梳理，并提出了我国进一步发展重点与对策建议。

　　一、关于氢能燃料电池技术

　　氢作为化学能载体，正在成为与电一样重要的二次能源。氢能燃料电池技术是将纯氢，或含氢燃料中化学能转化为电能的技术，包括氢制取、储运、安全和燃料电池等技术。

　　1. 制氢技术

　　制氢处于氢能产业上游，其本质是通过能量输入从含氢原料中提取氢，主要有从碳氢燃料中和从水中提取两种途径，从水中提取为主要方式。通过可再生能源从水中提取氢，是未来氢能可持续发展的重要途径。

　　2. 储(运)氢技术

　　氢的可储性是氢能应用最显著特点之一，高效、安全便利的储(运)氢是氢能实用化关键环节。按储氢原理，可分为气态、液态和固态储氢。车载储氢已成为氢能应用的技术瓶颈。

　　3. 燃料电池技术

　　燃料电池将氢(含氢燃料)和空气中氧发生非燃烧电化学反应，实现高效发电并生成水，其比同用途热机的电效率可高出20%~30%，同时实现近零排放，并可通过单元堆叠实现规模放大，适于移动、分散发电。

　　4. 氢安全技术

　　氢的安全性与其它能源类似，氢安全主要研究氢制取、储运、应用和氢能基础设施的安全问题，涉及氢泄漏扩散、氢火灾爆炸、氢与材料相容性、氢风险评估、氢安全仪器设备和规范标准等。氢安全研究可以防止和减少氢事故，促进氢能健康发展。

　　二、国际发展现状与趋势

　　氢能技术已进入商业化前期阶段，但仍面临一系列技术经济瓶颈挑战。

　　1. 制氢技术

　　化石能源制氢技术比较成熟，可以满足规模用氢需求;制氢技术正向可再生能源制氢转变。

　　工业制氢技术主要有以煤、天然气、石油等为原料的催化重整制氢，氯碱、钢铁、焦化等工业副产物制氢，生物质气化或垃圾填埋气生物制氢，采用网电或未来直接利用可再生能源电力电解水制氢;处于实验室阶段但潜力大的有光催化分解水、高温热化学裂解水和微生物催化等先进制氢技术。

　　催化重整、工业副产物和生物质制氢是目前氢气的主要来源，但存在CO2排放问题，可再生能源电力电解水制氢则可获得零排放氢气。电解制氢可分为碱性电解制氢(AEC)、固体聚合物电解制氢(SPE)和固体氧化物电解制氢(SOEC)。

　　SOEC电解效率最高，SPE次之，AEC最低，美国Versa Power System公司和美国可再生能源国家实验室(NREL)合作研制的可再生SOFC，实现了大电流高效率电解水(6A@1.65V@78%LHV);但AEC可大规模生产，SPE由于成本等问题处于小规格产品阶段，SOEC还在实验室阶段。

　　2. 储运氢技术

　　储氢分为高压气态、液态和固态储氢，高压气态储氢和液氢储氢技术已规模应用，固态储氢和有机氢化物液态储氢等技术仍处研发阶段。

　　高压气态储氢是现阶段经济、实用的储氢方案，70MPa高压气态储氢VI型瓶已商业化应用。

　　液态储氢包括液氢和有机氢化物液体储氢。液氢储氢体积储氢密度高，但耗能高、安全隐患大;有机氢化物和液氨储运氢储氢量高，可利用现有油气设施储运，但需在复杂反应装置中，通过外供热催化反应，实现加氢、脱氢，产品气中可能伴有气体和蒸汽杂质。

　　固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物等作为储氢载体，通过化学吸附方式储氢，其储氢密度高于高压氢和液氢，或最有可能满足车载储氢技术要求，但需解决重量储氢率低、放氢温度高和充氢速度慢等问题。值得关注的是新型高压/低温复合储氢技术。

　　3. 燃料电池技术

　　燃料电池技术已进入产业化阶段，成本在下降，寿命和可靠性等仍在提升。

　　根据电解质的不同，燃料电池可分为主要5种：质子交换膜燃料电池(PEMFC，含甲醇燃料电池)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。碱性膜燃料电池、生物燃料电池等新型燃料电池也已出现。PEMFC是目前发展主流，SOFC是未来主要发展方向之一。

　　德国燃料电池技术一直世界领先，尤里希研究中心Detlef Stolten主要研究高温电解质燃料电池(160-180℃)和SOFC;巴登符腾堡太阳能和氢能源研究中心Werner Tillmetz主要研究燃料电池电堆耐久性和气体扩散层水热管理;弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所Alexander Michaelis和卡尔斯鲁厄理工学院Ivers-Tiffée主要研究SOFC;杜伊斯堡-埃森大学Angelika Heinzel长期研究燃料电池金属双极板，弗朗霍夫太阳能系统研究所Christopher Hebling主要研究燃料电池系统。

　　4. 氢安全技术

　　已具备满足氢能发展的检测能力，初步建立标准体系，正在建立氢安全国际标准。氢能装备/设施的设计理念是本质安全，氢风险量化评估技术是主要发展方向。

　　三、我国发展现状与水平

　　“十二五”期间，在科技部的支持下，我国在风能、太阳能和生物质能等可再生能源制氢，固态储氢，高压储氢、输氢和加氢，先进燃料电池等氢能燃料电池关键技术方面进行了全面布局，取得了系列研究成果。目前我国氢能技术总体处于第二方阵，具有一定基础和特色，但与美、日、德国还有差距。

　　制氢技术。规模已经居世界首位。煤气化制氢和碱性电解水制氢具有特色和优势，光催化和生物质制氢处于国际先进水平，天然气重整制氢和可再生能源制氢等与国外差距较大。

　　储氢技术。占有国际重要一席。固定式高压储氢技术和固态储氢材料等处于国际先进水平，车载高压储氢及氢输运等技术落后于国外。

　　燃料电池技术。具备较好技术储备，处于应用示范阶段，正逐步进入市场，产业链尚未完整，总体落后于国际领先水平。

　　氢安全技术。具备一定技术基础，氢与材料相容性等具有特色，总体落后于美国、日本、欧盟。

　　总体来说，我国氢能基础研究与国际水平相近，甚至有超越趋势，但技术、产业化开发和市场培育与先进国家的差距有拉大趋势。

　　基础研究。初步形成涵盖制氢、储运氢、燃料电池、氢安全的研发体系，本领域SCI论文数量从2012年开始已超过美国，成为全球第一。

　　标准。与国际基本接轨，氢能、燃料电池和电动车辆3家标委会已分别发布标准19项、30项、11项。

　　知识产权。国际专利排名还很靠后，主要是我国企业特别是大型骨干企业氢能技术参与度较低。

　　技术水平。与先进水平有相当差距。SPE、小型天然气重整等制氢技术仍是空白;储运氢方面，70MPa高压车载储氢瓶停留在样机阶段;燃料电池技术处于几十千瓦级别，国外已达兆瓦级别;氢安全技术仅开始基础研究，国外已经建立氢气泄露和爆炸的研究设施。

　　产业化。发展相对滞后，还停留在实验室阶段，商业化燃料电池整机产品非常少，车载高压氢瓶产业化落后先进国家8～10年。国外大规模可再生能源制氢已进入商业化示范阶段，燃料电池电动车已经上市销售，家用燃料电池及分布式燃料电池电站均投入商业化应用。

　　四、我国进一步发展重点及对策建议

　　为适应未来能源变革，顺应能源革命的趋势和潮流，我国氢能燃料电池技术应向“技术处于国际先进水平，产业规模跃居世界第一”的目标大力发展。

　　制氢技术。重点发展可再生能源制氢技术，主要是电解水制氢技术，同时兼顾碳氢燃料电池重整制氢技术，积极探索光/热化学水解制氢技术。

　　储运氢技术。重点研究高压储(运)氢和固态储(运)氢技术，兼顾液态有机储(运)氢技术。

　　燃料电池技术。重点发展PEMFC和SOFC技术，兼顾先进燃料电池技术创新。

　　氢安全技术。全面研究高压氢泄漏火灾爆炸行为及防控和氢能设施运行安全技术。

　　为实现以上目标，提出以下对策建议：

　　1. 积极推动将氢能纳入国家能源体系

　　研究制订国家氢能发展战略及实施路线图，促进技术、产业和商业模式同步创新，逐步将氢能纳入国家能源体系。

　　2. 研究实施氢能科技重点专项

　　突破产业链成套关键技术和装备，形成技术标准体系，开展可再生能源大规模制氢、储氢和输配示范。开展燃料电池汽车商业化示范，推进燃料电池备用电源商业化应用，推动分布式供能和深海潜器用燃料电池集成技术示范。加强国际交流合作，建设氢能领域国家级科技创新平台，形成氢能创新链。

　　3. 积极推进产学研协同创新

　　通过优势互补、协同发展和多元化投资，组建国家级检验检测中心，建设氢能利用区域示范中心和产业示范园区，搭建产业创新支撑平台。发挥优势企业在汽车产业开发中的推动作用，调动能源、交通、电信等行业龙头企业优势资源，构建以企业为主体、产学研用相结合的氢能利用产业联盟，形成具有国际竞争力的氢能产业创新链与价值链，探索新商业模式，推动商业化试点示范。

　　4. 营造有利于氢能产业发展的良好环境

　　研究制订氢能产业规划和引导产业健康发展的激励政策;加强安全检测能力建设，建立完善产业标准法规体系;推动商业模式创新，鼓励社会投资，加快加氢基础设施建设;稳步开放天然气管网和电网，接纳可再生能源制氢和燃料电池发电;研究制订氢能利用财政政策，营造有利于氢能产业发展的良好环境。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)研究成果之一。武汉理工大学潘牧教授参与了本研究。

　　本文特约编辑：姜念云