氢燃料电池技术发展现状及未来展望

刘应都 ,  郭红霞 ,  欧阳晓平

中国工程科学 ›› 2021, Vol. 23 ›› Issue (4) : 162 -171.

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中国工程科学 ›› 2021, Vol. 23 ›› Issue (4) : 162 -171. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2021.04.019
工程前沿

氢燃料电池技术发展现状及未来展望

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Development Status and Future Prospects of Hydrogen Fuel Cell Technology

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摘要

氢燃料电池是实现氢能转换为电能利用的关键载体，在碳中和、碳达峰目标提出后，获得了基础研究与产业应用层面新的高度关注。本文围绕氢燃料电池技术体系，较为全面地分析了质子交换膜、电催化剂、气体扩散层等膜电极组件，双极板，系统部件，控制策略等方面的研究进展与发展态势；结合我国氢燃料电池技术领域国产化率、系统寿命、功率密度、制造成本等方面的发展现状分析，论证提出了面向2035 年我国氢燃料电池技术系统发展方向。研究认为，为加速氢能及氢燃料电池技术应用，应加强制氢技术攻关，降低氢气燃料使用成本；加快关键材料和核心组件的技术攻关和转化应用；制定产业规划并增加投入，构建完备的政策支撑体系。

Abstract

Hydrogen fuel cell is a key element for conversing hydrogen energy into electric power and has attracted increasing attention from the aspects of basic research and industrial application following the proposal of carbon neutral and carbon peaking. Focusing mainly on the hydrogen fuel cell technology system, we analyze the research progress and development trends of membrane electrode components (such as proton exchange membranes, electrocatalysts, and gas diffusion layers), bipolar plates, system components, and control strategies. Subsequently, we propose the development directions of the hydrogen fuel cell technology system by 2035, following the analysis of the development status of the hydrogen fuel cell technology in China in terms of localization rate, system lifetime, power density, and manufacturing cost. To accelerate the application of hydrogen energy and hydrogen fuel cell technology, we suggest that research on hydrogen production technology should be strengthened to reduce the cost of hydrogen fuel, the technological research and application of key materials and core components should be accelerated, and industrial plans with increased investment should be formulated to establish a complete policy support system.

关键词

氢燃料电池 / 氢能 / 膜电极 / 双极板 / 系统部件 / 技术方向 / 2035

Key words

hydrogen fuel cell / hydrogen energy / membrane electrode / bipolar plates / system components / technical direction / 2035

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刘应都,郭红霞,欧阳晓平. 氢燃料电池技术发展现状及未来展望[J]. 中国工程科学, 2021, 23(4): 162-171 DOI:10.15302/J-SSCAE-2021.04.019

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一、前言

当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。多数可再生能源所固有的间隙性、随机与波动性，导致了严重的弃风、弃光、弃水等现象。氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度（140 MJ/kg）是石油的 3 倍、煤炭的 4.5 倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向 [1]。

氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。在新一轮能源革命驱动下，世界各国高度重视氢燃料电池技术，以支撑实现低碳、清洁发展模式 [2,3]。发达国家或地区积极发展“氢能经济”，制定了《全面能源战略》（美国）、《欧盟氢能战略》（欧盟）、《氢能 / 燃料电池战略发展路线图》（日本）等发展规划，推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。我国也积极跟进氢能相关发展战略，2001 年确立了 863 计划中包括燃料电池在内的“三纵三横”战略；《能源技术革命创新行动计划（2016—2030）》《汽车产业中长期发展规划》（2017 年）等国家政策文件均明确提出支持燃料电池汽车发展。2020 年，科技部启动了国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项，将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备重点任务。

研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域 [3]，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但面临低生产成本（电解质、催化剂等基础材料）、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。美国能源部燃料电池技术项目研究认为 [4]，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一，随着技术进步，全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料，是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径 [5]。近期的综述性研究工作 [6~10]，报道了氢燃料电池系统在双极板、气体扩散层、催化剂、膜电极、流场设计与分析等材料或组件方面的新进展。

我国提出了将于 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和的发展愿景。积极发展氢能，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变，是能源革新发展，实现碳达峰、碳中和的重要举措。氢能将是我国能源领域的战略性新兴产业，氢燃料电池技术是实现氢能利用的先决条件。为了促进我国氢燃料电池技术产业链的全面发展，本文依托中国工程院咨询项目的支持，分析国内外氢燃料电池技术关键材料、核心组件的研发与应用现状，凝练我国发展氢燃料电池技术面临的问题，梳理未来相关技术发展方向并提出保障措施建议，以期为行业技术发展提供基础性参考。

二、氢燃料电池技术体系及发展现状

氢燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性（与其他性能）决定了电堆的使用寿命和工况适应性。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面，氢燃料电池技术体系及部分相关前沿研究如图 1 所示。

图 2 主要国家在氢燃料电池方面的研发重心分布

图 3 氢燃料电池代表性企业的研发重心布局

在储氢方面，高压气态储氢技术在国内外获得普遍使用，低温液态储氢在国外有较大发展，而国内暂限于民用航空领域的小范围使用。液氨、甲醇、氢化物、液体有机氢载体（LOHC）储氢在国外已有成熟产品和项目应用，而国内仍处于小规模实验阶段。催化剂、GDL 等关键零部件或材料处在研究与小规模生产阶段，批量化产品的可靠性、耐久性还需要长期验证，主要技术为国外公司所掌握。中山大洋电机股份有限公司、思科涡旋科技（杭州）有限公司、上海汉钟精机股份有限公司等国内企业，均处于氢气循环泵的产品研发验证阶段，部分公司已实现小批量产品供货。碳纸、碳布是制备 GDL 的关键材料，基础材料是碳纤维；我国碳纤维研制从 20 世纪 80 年代中期才开始，目前尚处于小规模生产阶段，生产的碳纤维很难同时满足电堆对于低电阻、高渗透性、机械强度大等的要求，与国外高性能碳纤维材料相比仍有较大差距。上海河森电气公司、上海济平新能源科技公司均有小批量的碳纸生产能力。我国已将碳纤维列为重点支持的战略性新兴产业，相关技术在产业政策扶持下有望加速发展。

石墨 BPs 已实现国产化，金属 BPs 实现小批量供货，但耐久性、可靠性有待继续检验；相关研究单位或企业有中国科学院大连化学物理研究所、武汉理工大学、新源动力股份有限公司、国鸿氢能科技有限公司、上海弘枫实业有限公司等。上海重塑能源科技有限公司、上海捷氢科技有限公司、新源动力股份有限公司等氢燃料电池电堆供应商，产品功率达到国际先进水平，建成了自动化生产线；金属 BPs 电堆功率密度达到 3.8 kW/L，可在 –30 ℃低温条件下自启动，完成 6000 h 实车工况耐久性测试 [24]。安徽明天氢能科技股份有限公司、雄韬电源科技有限公司已经建成电堆自动化生产线。贵研铂业股份有限公司、中国科学院大连化学物理研究所、上海交通大学、清华大学等从事催化剂研究，其中中国科学院大连化学物理所制备的 Pt3Pd/C 合金催化剂已应用于燃料电池发动机 [11]。PEM 已具有国产化能力，年产能可达数万平方米，但高端产品还依赖进口。空气压缩机技术起步晚，2018 年实现国产化并有小批量生产，但缺少低功耗、高速、无油的空气压缩机产品。

在产业发展方面，珠江三角洲、长江三角洲、京津翼地区涌现出了数百家氢燃料电池公司；氢燃料电池商用车（客车、叉车）已实现批量生产，燃料电池乘用车尚处在应用示范阶段。国产乘用车、商用车的电堆功率与国外产品大致相当，但系统可靠性、耐久性、比功率、综合寿命方面还需工况验证。国内一些企业掌握了氢燃料电池系统研发技术，相关产品的冷启动、功率密度等性能显著提升，具有年产万台的批量化生产能力。然而与国际先进水平相比，国产电池系统核心零部件及系统的耐久性与可靠性仍存在一定差距。

（二）重点发展方向

1. 关键材料与核心组件的性能及产能提升

膜电极、BPs、氢气循环泵、空气压缩机、 GDL 等核心组件，PEM、催化剂等关键材料，均已实现小规模自主生产，为未来大规模商业化生产储备了技术基础条件。氢燃料电池系统的国产化程度已从 2017 年的 30% 提高到 2020 年的 60%。预计到 2025 年，金属 BPs 可完全国产化，低功耗、高速、无油的空气压缩机进入小规模自主生产阶段；机械强度高、孔隙率均匀、抗碳腐蚀的碳纤维制备技术有望取得突破，大电流密度条件下的 GDL 水气通畅传质问题有望得到解决。

在技术应用方面，从现阶段重点发展氢燃料电池客车、卡车等商用车，逐步推广到乘用车、有轨电车、船舶、工业建筑、分布式发电等领域。随着关键材料的物理性能改进，各组件热学、力学、电化学稳定性提高，氢燃料电池系统的稳定性、综合寿命将有明显改善。预计到 2035 年，燃料电池系统功率密度将由当前约 3.1 kW/L 全面提升到约 4.5 kW/L，乘用车、商用车电堆寿命将由当前的 5000 h、15 000 h 分别增加到 6000 h、20 000 h。

2. 生产成本的显著下降

氢燃料电池系统的成本必然随着技术进步、生产规模的扩大而下降，预计未来 10 年生产成本将降低至目前的 50%。燃料电池系统各部件的成本构成，若按照年产量为 5×105 套、净功率为 80 kW/套计算，可建立分析模型 [25]：膜电极成本占比为 27%，BPs 成本占比为 12.4%，空气循环子系统（含空气压缩机、质量监控传感器、温度传感器、过滤器等）成本占比为 25.8%，冷却回路（含高低温回路、空气预冷器、电子组件等）成本占 11.2%，其他成本占 23.6%。双极板和催化剂分别占整个电池电堆成本的 28% 和 41%，而气体扩散层、电解质膜、膜电极骨架三者成本大体相当，约占电堆成本的 6%~8%；各部件在系统成本中的占有比例随着生产规模和各自的技术水平而变化。该分析结果虽具有模型依赖性并建立在丰田 Mirai 车型数据及一些前提假设基础上，但揭示了未来提高氢燃料电池电堆功率密度、降低氢燃料电池系统制造成本的途径。应重点发展低成本、低 Pt 或无 Pt 的电催化剂，低成本、轻薄型、高性能复合材料 BPs，尽快发布产业政策和技术规范，在条件成熟区域扩大燃料电池系统生产规模。

美国能源部计划在 2025 年实现氢燃料电池系统（功率为 80 kW）成本目标 40 美元/kW，为远期的 30 美元/kW 目标奠定基础，进而达到与内燃机汽车的生产成本可比性。按照我国现有的技术储备条件，根据中国氢能联盟《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》（2019 年、2020 年）预测，2035 年我国氢燃料电池系统的生产成本将降至当前的 1/5（约 800 元/kW）；到 2050 年降低至 300 元/kW [26]；届时燃料电池汽车拥有量将超过 3×107 辆，加氢站数量达到 1×104 座，氢能消耗占终端总能源消耗的 10%。虽然不排除因我国研究机构与企业之间的深度协作而带来技术快速提升，到 2035 年氢燃料电池汽车成本将具有与内燃机汽车同等的竞争力 [27] 并基本接近国外先进水平，但就目前的技术状态而言，需着力提升氢燃料电池电堆材料制备和部件制造技术，大幅度降低相关系统的生产成本。

四、对策建议

（一）强化制氢技术攻关，降低氢气燃料使用成本

降低氢燃料成本有利于氢燃料电池技术的推广应用，而大规模的氢燃料电池技术利用将进一步降低相关系统的成本。建议切实推动与氢燃料电池技术产业链配套的制氢、储运氢 [28,29]、加氢站的发展，稳步降低氢气燃料使用成本；重点发展并应用碳捕获与封存技术，通过风能、水能、太阳能、生物质能等可再生能源，传统谷电能实施大规模绿色制氢；对标当前国际先进水平的 2~3 mg/cm2 催化剂 Pt 载量、3.7 美元 /kg 产氢成本的指标 [30]，重点采用 PEM 电解槽制氢技术路线，积极发展高温固体氧化物电解水制氢技术。

（二）加快关键材料和核心组件的技术攻关与转化应用

为进一步降低氢能的生产和利用成本，无论是氢燃料电池还是电解水制氢，需要大力开展碳纤维/ 布、PEM、催化剂、GDL、BPs 等关键材料或核心组件的制备技术研究与转化应用。建议构建 “研究机构 / 实验室 – 企业 – 产业园”的协同创新机制，鼓励原创的突破性研究成果进入企业开展 “先行先试”，及早接受市场考验；在有条件的地区建设氢能产业园区，注重产业集群建设以形成规模化效应，从而促进氢燃料电池系统及氢气成本的技术性下降；支持自主研发企业的产品进驻氢能产业园区进行培育示范，国家级实验平台应侧重支持企业进行产品论证和工况测试。多渠道、全方位引入社会资本参与加氢站、储运氢基础设施建设，通过项目试点和示范运营，助推氢燃料电池全产业链的稳健发展。

（三）科学制定产业规划，构建政策保障体系

建议研究制定有关氢能、氢燃料电池技术的中长期发展规划，做好系统的顶层设计。关键技术的突破与创新，稳定的专业人才队伍是关键，建议在 2021—2035 年周期内持续设立氢燃料电池国家级专项课题，提供稳定的经费支持，鼓励氢能及氢燃料电池研究队伍倾力投入研究。合理保持对氢燃料电池产业链的投入，从土地、税收、技术标准等诸多方面给予积极支持，鼓励和引导氢燃料电池企业从事研发与产业化应用活动。有关技术标准体系的构建，是引导企业安全有序开展研发和市场活动的重要前提，建议系统研究制定加氢站等基础设施的安全标准建设文件，车辆、船舶、发电站等应用场景下氢燃料电池系统的技术和检测标准，出台法规文件缩短加氢站及氢燃料电池项目从审批、建设到运营的时间历程。

致谢

感谢中国科学院兰州文献情报中心白光祖副研究员、郑玉荣副研究员、靳军宝博士在文献检索与情报分析方面的帮助；感谢湘潭大学材料科学与工程学院王莆森、刘福家两位硕士研究生所做的系统性调研工作。

参考文献

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