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，從節(jié)約能源和保護生態(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，上游主要為氫的制取;中游主要為氫的儲運、加氫站以及燃料電池電堆，電堆與空壓機、儲氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其他組件構(gòu)成燃料電池動力系統(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，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)、示范運營為主，產(chǎn)業(yè)中非常重要的儲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)號稱很大，但所有的原材料都依賴進口，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)核心指標的對比，并在后半部分對各個指標進行了簡要說明。
表1 國內(nèi)外氫燃料電池產(chǎn)業(yè)核心指標對比
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、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，發(fā)電量穩(wěn)居全球第一，但同時我國每年棄風(fēng)、棄光較為嚴重，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。
氫氣儲運
氫氣儲存方式主要有高壓儲氫、液體儲氫、金屬氫化物儲氫、有機氫化物儲氫等。氫氣輸送方式主要有氣氫拖車、液氫槽罐車以及管道運輸氫氣。
目前我國儲氫主要依靠壓縮機將氫氣壓縮到儲氫瓶中，然后利用集裝格和長管拖車等工具進行運輸，長管拖車運輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，儲氫瓶壓力多為30MPa;國內(nèi)目前在液氫儲氫方面非常薄弱，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。金屬氫化物儲氫和有機氫化物儲氫均處于實驗室階段;管道運輸氫氣目前在國內(nèi)不成熟，中石化曾在2016年在河南省濟源市工業(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到了70MPa，液氫儲運也較為成熟，日、美、德等國已將液氫的運輸成本降低到高壓氫氣的八分之一。
表2 國內(nèi)外相關(guān)公司儲氫瓶指標對比
從技術(shù)角度上來說，液態(tài)氫的密度是氣體氫的845倍，相較于氫氣高壓儲運，低溫液態(tài)儲氫可以大大提高氫氣密度，降低儲運成本，氫氣純度也可以在液化過程中大大提高，從而保證了燃料電池的壽命和性能。隨著氫燃料電池汽車的普及，大規(guī)模儲運氫的方向之一就是液氫儲運。
目前國內(nèi)生產(chǎn)高壓儲氫瓶的企業(yè)有京城股份、中材科技、中集安瑞科等，進行液氫布局的企業(yè)有中航101所、中科富海、富瑞氫能等。
加氫站
作為給燃料電池汽車提供氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站對于氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要的。
全球擁有加氫站的國家以及數(shù)量分別是日本(96座)、德國(60座)、美國(42座)、中國(23座)、法國(19座)、英國(17座)、韓國(14座)、丹麥(11座)。日本、德國和美國加氫站共有198座，占全球總數(shù)的54%。
圖3 世界各國加氫站數(shù)量
目前全球近400座加氫站中，有三分之一以上為液氫加氫站，遍布日本、美國及法國市場。
在日本，巖谷產(chǎn)業(yè)公司已經(jīng)成功建立了16座液氫加氫站，美國液氫加氫站的建設(shè)企業(yè)以Plug power、Air product 公司為主，法國市場的液氫加氫站建設(shè)企業(yè)主要是林德公司。我國的液氫工廠還處在為航天火箭發(fā)射服務(wù)的階段，受法規(guī)所限，還無法應(yīng)用于民用領(lǐng)域。
燃料電池系統(tǒng)
燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池與空壓機、儲氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機等組成，其中燃料電池電堆更是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的核心環(huán)節(jié)，直接決定了燃料電池汽車的質(zhì)量。
一般而言，燃料電池性能的好壞可以通過電堆體積功率密度、質(zhì)量功率密度、燃料電池系統(tǒng)功率、燃料電池催化劑用量、燃料電池車載工況壽命、0-100米加速性能、低溫啟動性能來判定。
功率密度是指燃料電池能輸出最大的功率除以整個燃料電池系統(tǒng)的重量或體積，單位是瓦/公斤或瓦/升。從文中表1可以看出，我國燃料電池?zé)o論是體積功率密度還是質(zhì)量功率密度與國外差距明顯。燃料電池系統(tǒng)功率國內(nèi)目前成熟的僅為30KW，國外豐田的燃料電池汽車可以達到114KW。
鉑作為燃料電池的催化劑可以催化氫氣和氧氣的反應(yīng)，以幫助將燃料氣通過反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，由于鉑對于燃料電池的重要性以及其自身昂貴的價格(約200元/克)，因此燃料汽車鉑載量對于整車的價格影響重大，根據(jù)表1，國內(nèi)燃料電池鉑載量約為0.6g/kw，國外可以達到0.19g/kw，差距明顯。
在燃料電池壽命也就是耐久性方面，雖然國內(nèi)很多企業(yè)開發(fā)的燃料電池電堆在實驗運行時壽命可以達到接近10000小時，但是燃料電池在車用工況下會衰減，通過表1可以看出，我國客車車載工況壽命為3000-5000小時，國外美國Van Hool已經(jīng)達到了18000小時;轎車方面國內(nèi)為2000小時，國外包括豐田、現(xiàn)代、通用和奔馳等均超過了5000小時。
跟純電動汽車相比，燃料電池汽車更適用于北方低溫城市。中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、中國科學(xué)院院士歐陽明高表示，“在低溫環(huán)境下電池由于極化原因會使汽車續(xù)駛里程大大下降，同時還有取暖問題，而燃料電池更容易實現(xiàn)，純電動相對來說難度就比較大。”
因此低溫性能對于燃料電池汽車非常重要，通過表1可以看出，國內(nèi)燃料電池汽車低溫啟動溫度在-20℃～-10℃之間，國外豐田、本田和現(xiàn)代均可以達到-30℃。
氫氣循環(huán)泵及壓縮機
為了防止與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氫氣排出，以保證氫燃料電池的使用壽命，在氫燃料電池內(nèi)部的氧氣與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，需要通過氫氣循環(huán)泵將多余的氫氣回收。目前，氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)動軸與電機驅(qū)動端接觸，并通過密封件密封，通過電機的驅(qū)動端驅(qū)動氫氣循環(huán)泵工作。
目前我國氫氣循環(huán)泵依賴進口，美國Park公司開發(fā)氫氣循環(huán)泵可用于不同的氫燃料電池汽車，國內(nèi)沒有可以替代的產(chǎn)品，主要時由于氫氣循環(huán)泵的氫氣密封和水汽腐蝕和沖擊問題難以解決，國外也僅有幾家能夠提供解決方案。國內(nèi)目前尚未有廠家進行產(chǎn)品研發(fā)，但是已經(jīng)展開了基礎(chǔ)研究。
空氣壓縮機是車用燃料電池陰極提供氣(氧氣)系統(tǒng)的重要部件，通過對空氣進行增壓，可以提高燃料電池的功率密度和效率，減少燃料電池系統(tǒng)的尺寸。
21世紀初，而美國能源部支持了AD Little Inc.、Honeywell等企業(yè)進行研發(fā)和生產(chǎn)，瑞典的Opcon 公司對多種壓縮機進行了開發(fā)。目前最為典型的時Honeywell的離心式壓縮機和Opcon的雙螺桿壓縮機，二者已經(jīng)達了實際要求，已在多款燃料電池系統(tǒng)中進行了長時間運行。
國內(nèi)目前有廣順新能源動力、福建雪人股份、德燃動力系統(tǒng)等企業(yè)在進行開發(fā)，目前均處于設(shè)計研發(fā)的初級階段，而且沒有將電機極其控制器進行集成設(shè)計和優(yōu)化，可靠性和耐久性還有待于提高。
表3 國內(nèi)外燃料電池用空壓機對比
交通領(lǐng)域及電源應(yīng)用
在交通領(lǐng)域，根據(jù)中國汽車協(xié)會的數(shù)據(jù)，2018年燃料電池上牌車輛達到了1600輛，今年1-4月份銷售273輛，同比增長289.8%，截至到今年4月份，累計燃料電池汽車為1873輛，且多為公交車和客車，轎車方面還未有上市品牌。
國外燃料電池車應(yīng)用數(shù)量最多的為美國和日本。截至到目前為止，美國燃料電池乘用車總計為6307輛，車型較為豐富包括轎車(大部分為豐田Mirai)、公交車、物流車、重載車以及叉車。
日本燃料電池車主要有：15輛燃料電池公交在東京正常運行、3000輛燃料電池乘用車、100做加氫站在運營、140輛燃料電池叉車。
在燃料電池電源應(yīng)用方面主要是分布式燃料電池系統(tǒng)，目前我國并未有成熟應(yīng)用案例。
分布式燃料電池系統(tǒng)目前分為重整制氫式燃料電池系統(tǒng)(多以天然氣為原料)以及純氫燃料電池系統(tǒng)。近年來，前者在歐洲、美國及日本發(fā)展迅猛，尤以日本的普及率最高。
日本家用分布式燃料電池系統(tǒng)(ENE-FARM)是能夠同時產(chǎn)生電力和熱水的供給系統(tǒng)，其可以提供最大功率為0.75KW的電能(無論白天還是夜晚)。截至 2016 年底日本已經(jīng)累計推廣 20 萬臺 ，2016 年底的售價為 127 萬日元(約為 7.5 萬元人民幣)。
在日本，導(dǎo)入家用燃料電池系統(tǒng)后可將能源利用率提高約95%，并可不受限于天氣情況，穩(wěn)定地持續(xù)發(fā)電。據(jù)愛信精機公司統(tǒng)計，使用家用燃料電池(ENE.FRam TYPES)后，日本家庭購買電力量下降約80%。
