燃料電池軍民領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池是將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，所用燃料以氫為主，還可使用甲醇、乙醇等，具有效率高（達(dá)60%）、噪聲低、污染小、應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)。燃料電池為模塊化設(shè)計(jì)，改變單電池或電堆數(shù)量就能形成不同功率等級(jí)的動(dòng)力系統(tǒng)，軍民通用性好。

按照電解質(zhì)類型劃分，燃料電池可分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、直接甲醇燃料電池（DMFC）等。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行溫度低、啟動(dòng)快，適用于潛艇、汽車等需要頻繁起停和變工況運(yùn)行的情況，是目前發(fā)展的重點(diǎn)。從近五年數(shù)據(jù)看，不論是裝機(jī)容量或交貨量，質(zhì)子交換膜燃料電池均占主要地位。2017年，質(zhì)子交換膜燃料電池裝機(jī)容量約490兆瓦，其中近90%用于交通運(yùn)輸。

圖1不同類型燃料電池的交貨量（左，單位：1000臺(tái)）和裝機(jī)容量（單位：兆瓦），數(shù)據(jù)來源：E4tech咨詢公司

按照用途劃分，燃料電池可用于便攜式設(shè)備（1W～20kW）、固定式發(fā)電（0.5kW～2MW）和交通運(yùn)輸（1kW～300kW）領(lǐng)域。其中，交通運(yùn)輸用燃料電池（汽車、火車、潛艇、無人系統(tǒng)）近年增長(zhǎng)迅速，2017年裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的50%，約455兆瓦。其中，日本豐田和本田公司、韓國(guó)現(xiàn)代公司的產(chǎn)品數(shù)量超過3000臺(tái)，裝機(jī)容量近350兆瓦，占交通運(yùn)輸用燃料電池裝機(jī)容量的75%。

圖2燃料電池的應(yīng)用

氫源是燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵，目前主要通過石油、天然氣、甲烷等裂解制備氫氣。此外，還可在合成氨、合成甲醇、石油煉制等過程中，將氫氣作為一種副產(chǎn)品生產(chǎn)和分離；或利用甲醇、氨等分解制氫；或利用水電解制氫，目前應(yīng)用較廣、技術(shù)比較成熟，但能耗過高。儲(chǔ)氫方式包括高壓氫氣、金屬氫化物、液氫三種。高壓氫氣（使用35Mpa或70Mpa儲(chǔ)氫罐）用于汽車、無人機(jī)等多數(shù)領(lǐng)域；金屬氫化物安全性好，多用于潛艇；液氫儲(chǔ)存困難，用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池使用較少。

（一）燃料電池的軍事應(yīng)用包括潛艇AIP（不依賴空氣推進(jìn)）、無人潛航器、無人機(jī)等

燃料電池AIP已裝艇使用，占國(guó)外潛艇AIP系統(tǒng)使用總量的60%，是潛艇AIP的重要發(fā)展方向。德國(guó)的212型/214型潛艇、俄羅斯第五代常規(guī)艇（在建）、西班牙S80潛艇（在建）、法國(guó)“短鰭梭魚”型潛艇（設(shè)計(jì)階段）均已使用或確定使用燃料電池AIP+柴油機(jī)動(dòng)力型式。日本防衛(wèi)省也在研發(fā)潛艇燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，很可能用于下一代潛艇。

圖3法國(guó)“短鰭梭魚”潛艇概念圖

燃料電池AIP在效率、隱身性、續(xù)航力等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。與熱氣機(jī)、閉循環(huán)蒸汽輪機(jī)等AIP系統(tǒng)相比，燃料電池的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：①效率高達(dá)60%，約為其他AIP動(dòng)力系統(tǒng)的2倍，耗氧量低；②不使用旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械噪聲小，聲隱身性好；③質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低于200℃，排氣溫度低，紅外隱身性好。與鋰離子電池相比，只要潛艇攜帶足夠多的氫氣（或其他燃料），燃料電池系統(tǒng)的續(xù)航力理論上可遠(yuǎn)高于鋰離子電池。

無人潛航器可使用燃料電池代替蓄電池，提高續(xù)航力。目前無人潛航器續(xù)航力僅為10-40小時(shí)，已經(jīng)成為限制其大規(guī)模部署的瓶頸問題，美國(guó)海軍研究署希望通過燃料電池技術(shù)，將無人潛航器續(xù)航力提高至70天，相關(guān)系統(tǒng)仍處于研發(fā)階段。

燃料電池適用于中小型無人機(jī)，可提高續(xù)航力、降低故障率。美海軍“離子虎”無人機(jī)使用550W的燃料電池后，續(xù)航力為26小時(shí)，是同等重量蓄電池的6.5倍。美軍“掃描鷹”無人機(jī)換裝燃料電池系統(tǒng)后，故障率降低至1/5。

（二）燃料電池的商業(yè)應(yīng)用包括汽車、固定式發(fā)電等。

與純電動(dòng)車相比，燃料電池汽車的續(xù)航里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短，日本發(fā)展最為迅速。已上市的燃料電池汽車包括豐田Mirai燃料電池汽車、本田Clarity燃料電池汽車、現(xiàn)代ix35燃料電池版。美國(guó)通用汽車公司也與陸軍裝備司令部坦克機(jī)動(dòng)車輛研發(fā)與工程中心（TARDEC）聯(lián)合研發(fā)了雪佛蘭科羅拉多ZH2燃料電池汽車，用于夏威夷軍事基地。此外，戴姆勒、寶馬、大眾等車企也在研發(fā)車用燃料電池。豐田Mirai于2015年上市，是最早開始商業(yè)化的燃料電池汽車，有出售和租賃兩種銷售模式，售價(jià)目前約6萬美元左右（政府還會(huì)補(bǔ)貼約2萬美元），續(xù)航力約600公里，性能媲美汽油車。

燃料電池固定式發(fā)電應(yīng)用包括發(fā)電站、家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、備用電源等。燃料電池發(fā)電站以美國(guó)、韓國(guó)發(fā)展最為迅速。韓國(guó)建成了多個(gè)燃料電池發(fā)電廠，其中華城燃料電池園是目前世界最大的燃料電池發(fā)電站，配備21座功率為2.8MW的燃料電池（美國(guó)燃料電池能源公司提供技術(shù)支持），總功率達(dá)到59MW，可為13.5萬戶家庭提供電力。家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)從城市煤氣中制氫，由燃料電池發(fā)電，產(chǎn)生的熱量用于加熱水，可以不依賴電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。主要產(chǎn)品包括日本的Ene.Farm系統(tǒng)和歐洲的Ene.Field系統(tǒng)。燃料電池還可用作通信基站或發(fā)電廠備用電源，在惡劣天氣下保證通信和電力供應(yīng)。

國(guó)外燃料電池供應(yīng)商主要分布在美國(guó)、日本、歐洲、澳大利亞，已經(jīng)形成了制氫、儲(chǔ)（運(yùn)）氫、燃料電池組件及組裝、燃料電池應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈體系。國(guó)外質(zhì)子交換膜燃料電池巨頭包括加拿大巴拉德公司、美國(guó)普拉格能源公司等，涵蓋固定式發(fā)電、叉車和汽車燃料電池等領(lǐng)域；固體氧化物燃料電池公司主要包括美國(guó)BE布盧姆能源公司和澳大利亞CFCL公司，涵蓋新能源分布式發(fā)電和小規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域。車用燃料電池是當(dāng)前發(fā)展熱點(diǎn)，以日本豐田為代表的日本、德國(guó)、韓國(guó)公司已經(jīng)推出車用燃料電池產(chǎn)品，豐田公司計(jì)劃至2020年將燃料電池汽車銷量提高至3萬輛。軍用產(chǎn)品方面，德國(guó)西門子公司、美國(guó)UTC公司、巴拉德公司下屬的Protonex公司等已經(jīng)為潛艇、無人潛航器、無人機(jī)發(fā)展了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，部分已經(jīng)裝備使用。

我國(guó)從上世紀(jì)50年代開始發(fā)展燃料電池，經(jīng)過“七五”到“十二五”的多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)在質(zhì)子交換膜燃料電池的各組件研發(fā)方面均取得了較大的進(jìn)展，其中催化劑（清華大學(xué)、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所等）、質(zhì)子交換膜（清華大學(xué)等）、雙極板（天津電源研究所、大連化學(xué)物理研究所等）、電解質(zhì)（吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)等）均有所突破，也初步形成了以大連新源動(dòng)力、上海神力科技、三環(huán)集團(tuán)等為代表的燃料電池研制生產(chǎn)企業(yè)，但總體來看仍存在一些問題。

（一）國(guó)內(nèi)燃料電池核心組件和關(guān)鍵系統(tǒng)輔件仍依賴進(jìn)口，不具備批量生產(chǎn)能力，成本居高不下。燃料電池的核心組件包括電解質(zhì)膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層、雙極板等，系統(tǒng)輔件包括空壓機(jī)、增濕器、氫循環(huán)系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換器。其中，質(zhì)子交換膜由美國(guó)杜邦公司、3M公司、日本旭化成公司、比利時(shí)索爾維公司等國(guó)外巨頭壟斷；燃料電池需使用鉑催化劑，且要從美國(guó)3M公司、英國(guó)莊信萬豐公司、德國(guó)BASF公司、日本田中公司、比利時(shí)優(yōu)美科公司等進(jìn)口，成本很高；氣體擴(kuò)散層（碳紙）方面，日本東麗公司、加拿大巴拉德公司、德國(guó)SGL公司等廠商已具備流水線生產(chǎn)能力，國(guó)內(nèi)仍未大規(guī)模批產(chǎn)；我國(guó)在燃料電池系統(tǒng)輔件中的加濕器、氫循環(huán)系統(tǒng)方面處于空白狀態(tài)，全部依賴進(jìn)口。以目前最常用的杜邦公司Nafion質(zhì)子交換膜為例，成本約為400美元/m2，一般每輛氫燃料電池汽車需要20m2的質(zhì)子交換膜，整車僅質(zhì)子交換膜成本就需8000美元（約5.3萬人民幣），燃料電池整體成本居高不下。

（二）國(guó)產(chǎn)燃料電池的壽命、功率密度、低溫冷啟動(dòng)等性能與國(guó)外仍有一定差距。目前國(guó)產(chǎn)燃料電池壽命目前普遍不足3000小時(shí)，而國(guó)外可達(dá)10000小時(shí)；國(guó)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)功率密度僅為260W/kg，國(guó)外可達(dá)650W/kg；國(guó)內(nèi)系統(tǒng)最低啟動(dòng)溫度需-10℃，而國(guó)外可低至-30℃。

（三）國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模遠(yuǎn)低于國(guó)外。國(guó)外質(zhì)子交換膜燃料電池的主要承包商包括加拿大巴拉德公司、美國(guó)普拉格能源公司和加拿大Hydrogenics公司等，業(yè)務(wù)全面涵蓋汽車動(dòng)力和固定式電源領(lǐng)域，僅巴拉德一家公司的燃料電池年出貨容量就達(dá)到250MW，而國(guó)內(nèi)仍未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，年出貨容量不足20MW。

（四）國(guó)內(nèi)軍用燃料電池仍處于試驗(yàn)階段，而國(guó)外早已使用。德國(guó)早在2005年服役的212級(jí)潛艇上就應(yīng)用了功率為306kW的燃料電池系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)常規(guī)潛艇使用熱氣機(jī)，“十二五”期間，中船重工712所、大連化物所、上海微系統(tǒng)所開展了60kW級(jí)燃料電池的地面試驗(yàn)，但仍未達(dá)到裝艇應(yīng)用水平。

根據(jù)初步判斷，國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，仍未形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。目前，在國(guó)家政策扶持、加大投入和補(bǔ)貼的狀態(tài)下，大批公司和機(jī)構(gòu)開始布局燃料電池產(chǎn)業(yè)，但燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈龐大、研制生產(chǎn)機(jī)構(gòu)眾多，仍需長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)跟蹤相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。下一步我們將持續(xù)關(guān)注燃料電池行業(yè)發(fā)展情況，及時(shí)梳理典型經(jīng)驗(yàn)，擬開展以下工作：

（一）赴相關(guān)地區(qū)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，及時(shí)了解燃料電池技術(shù)狀態(tài)、理清發(fā)展難點(diǎn)、明確企業(yè)訴求，不斷總結(jié)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，更好地促進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)軍民融合發(fā)展。

（二）根據(jù)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)實(shí)際需要，積極協(xié)調(diào)推動(dòng)國(guó)防科工局、軍委裝備發(fā)展部、工信部等單位，加大對(duì)燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和工業(yè)化的支持力度，共同助力燃料電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。