一文看懂中國與國外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的差距

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。氫燃料電池是將氫氣作為燃料氣在催化劑作用下與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流和熱量的一種裝置。

燃料電池由于其燃料氣來源豐富、效率高、無噪聲、無污染的優(yōu)點(diǎn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。下圖為氫燃料電池工作原理。

圖1 氫燃料電池發(fā)電原理

在燃料電池發(fā)電應(yīng)用方面，由一組電極和電解質(zhì)板構(gòu)成的單體燃料電池工作時(shí)的輸出電壓較低，電流密度較小，為獲得高的電壓和功率，通常將多個(gè)單電池串聯(lián)，組成燃料電池電堆。

具體說，就是由雙極板與膜電極交替疊合形成單體電池，在單體電池之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成電堆。

因此燃料電池電堆從組成上分為單電池和端板，單電池由雙極板、墊圈／密封圈和膜電極組成（MEA），膜電極又由質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層組成，其中膜電極（MEA）是燃料電池中最為核心的環(huán)節(jié)。

圖2 燃料電池電堆構(gòu)成

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，上游主要為氫的制??；中游主要為氫的儲(chǔ)運(yùn)、加氫站以及燃料電池電堆，電堆與空壓機(jī)、儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其他組件構(gòu)成燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)；下游則是氫燃料電池在交通領(lǐng)域和備用電源領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括客車、轎車、叉車、固定式電源和便攜式電源等。

當(dāng)前，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展極為迅速，各地都在大力推進(jìn)，呈遍地開花之勢。但是我國多地布局氫燃料電池產(chǎn)業(yè)主要以整車組裝（目前主要以商用車為主）、示范運(yùn)營為主，產(chǎn)業(yè)中非常重要的儲(chǔ)氫及燃料電池等核心技術(shù)，我國企業(yè)布局較少。

清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授王誠曾在一次訪談中談到：“我們國內(nèi)有的做電堆的企業(yè)號(hào)稱很大，但所有的原材料都依賴進(jìn)口，國內(nèi)公司主要在做組裝，買來膜和催化劑，再組裝。關(guān)鍵技術(shù)和原材料都被國外壟斷。”

我國與國外在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)方面總體來說還是有很大的差距，下表為國內(nèi)外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)核心指標(biāo)的對(duì)比，并在后半部分對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了簡要說明。

表1 國內(nèi)外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)核心指標(biāo)對(duì)比

氫氣的制取

目前我國制氫方式主要有化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和水電解制氫，國外制氫方式和我國制氫種類差別不大。國內(nèi)大部分的氫氣產(chǎn)能來源于化石燃料制氫（煤制氫）和化工副產(chǎn)氫（石油煉化、氯堿副產(chǎn)、乙烷裂解和丙烷脫氫等），國外氫氣產(chǎn)能主要是天然氣重整制氫和電解水制氫。國內(nèi)制氫企業(yè)主要有國家能源集團(tuán)、中國石化、中國石油等，國外具有代表性的公司有美國空氣產(chǎn)品公司、德國魯奇、法液空、林德氣體等。

從氫燃料電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面考慮，氫氣的品質(zhì)至關(guān)重要，氫氣純度越高，其燃料電池的效率越高。目前，各種制氫方式中電解水制氫產(chǎn)生的氫氣純度最高，可以達(dá)到99．99％。

在電解水制氫方面，我國擁有世界上最大的風(fēng)能和光伏裝機(jī)，發(fā)電量穩(wěn)居全球第一，但同時(shí)我國每年棄風(fēng)、棄光較為嚴(yán)重，僅棄風(fēng)電制氫就可以供100萬輛車使用，棄光電制氫可供140萬輛車使用。因此我國未來利用可再生能源制氫的空間巨大。

氫氣儲(chǔ)運(yùn)

氫氣儲(chǔ)存方式主要有高壓儲(chǔ)氫、液體儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫等。氫氣輸送方式主要有氣氫拖車、液氫槽罐車以及管道運(yùn)輸氫氣。

目前我國儲(chǔ)氫主要依靠壓縮機(jī)將氫氣壓縮到儲(chǔ)氫瓶中，然后利用集裝格和長管拖車等工具進(jìn)行運(yùn)輸，長管拖車運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，儲(chǔ)氫瓶壓力多為30MPa；國內(nèi)目前在液氫儲(chǔ)氫方面非常薄弱，少量液氫僅用于航天及軍事領(lǐng)域，更缺乏液氫槽罐車等運(yùn)輸工具，整體上我國在液氫技術(shù)、液氫工廠、相關(guān)產(chǎn)業(yè)化上幾乎都是空白。金屬氫化物儲(chǔ)氫和有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫均處于實(shí)驗(yàn)室階段；管道運(yùn)輸氫氣目前在國內(nèi)不成熟，中石化曾在2016年在河南省濟(jì)源市工業(yè)園區(qū)－洛陽市吉利區(qū)建成了氫氣管道。

國外主流的儲(chǔ)氫方式主要是高壓氣氫和低溫液氫，與我國不同的是，國外的高壓氣氫壓力達(dá)到了70MPa，液氫儲(chǔ)運(yùn)也較為成熟，日、美、德等國已將液氫的運(yùn)輸成本降低到高壓氫氣的八分之一。

表2 國內(nèi)外相關(guān)公司儲(chǔ)氫瓶指標(biāo)對(duì)比