1 氫能與燃料電池的戰(zhàn)略意義

由于能源需求的日益增長， 化石燃料的消耗與 CO2 排放總量快速上升，“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革已是大勢所趨?？稍偕茉矗ㄈ缣柲?、風能、水電等）作為替代能源大規(guī)模使用卻受限于其固有的間歇性、波動性與隨機性；而氫是一種潔凈的二次能源載體，能方便地轉換成電和熱，轉化效率較高，有多種來源途徑。采用可再生能源實現(xiàn)大規(guī)模制氫，通過氫氣的橋接作用，既可為燃料電池提供氫源，也可綠色轉化為液體燃料，從而有可能實現(xiàn)由化石能源順利過渡到可再生能源的可持續(xù)循環(huán)，催生可持續(xù)發(fā)展的氫能經濟。氫能作為連接可再生能源與傳統(tǒng)化石能源的橋梁，可以為實現(xiàn)“氫經濟”與現(xiàn)在或“后化石能源時代”能源系統(tǒng)起到橋接作用。因此，氫能作為潔凈能源利用是未來能源變革的重要組成部分。

氫燃料電池具有燃料能量轉化率高、噪音低以及零排放等優(yōu)點，可廣泛應用于汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等方面。從燃料電池在載人航天、水下潛艇、分布式電站獲得應用以來，燃料電池一直受到各國政府和企業(yè)的關注，其研發(fā)、示范和商業(yè)化應用的資金投入不斷增加。在未來煤電占比相對較低的情況下，由于風能、太陽能等可再生能源技術規(guī)模的增大，整個上游的電源結構會越來越清潔。在這種結構下，新能源汽車特別是純電動汽車、基于電解水制氫的燃料電池汽車，排放強度會明顯下降。而燃料電池汽車不同于純電動汽車的是，它實現(xiàn)了上游發(fā)電和終端用電在時間上的“分離”，進而使得氫能相比于波動性較大的風能和太陽能（純電動車技術路線）的互補能力更強。因此，發(fā)展氫能和氫燃料電池具有巨大的能源戰(zhàn)略意義。

2 國外氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及分析

全球范圍來看，世界主要發(fā)達國家從資源、環(huán)保等角度出發(fā)，都十分看重氫能的發(fā)展，目前氫能和燃料電池已在一些細分領域初步實現(xiàn)了商業(yè)化。2017 年全球燃料電池的裝機量達到 670 兆瓦，移動類裝機量 455.7 兆瓦，固定式裝機量 213.5 兆瓦。截至 2017 年 12 月，全球燃料電池乘用車銷售累計接近 6 000 輛。豐田 Mirai 共計銷售 5 300 輛，其中美國 2 900 輛，日本 2 100 輛，歐洲 200 輛，占全球燃料電池乘用車總銷量的九成以上。截至 2017 年年底，全球共有 328 座加氫站，歐洲擁有 139 座正在運行的加氫站，亞洲擁有 118 座，北美擁有 68 座。目前氫燃料電池及氫燃料電池汽車的研發(fā)與商業(yè)化應用在日本、美國、歐洲迅速發(fā)展，在制氫、儲氫、加氫等環(huán)節(jié)持續(xù)創(chuàng)新。

2.1 美國氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

美國氫能的生產和儲運有 Air Products、Praxair 等世界先進的氣體公司，并且有技術領先的質子膜純水電解制氫公司，同時還掌握著液氫儲氣罐、儲氫罐等核心技術。液氫方面，美國在液氫生產規(guī)模、液氫產量、價格方面都具有絕對優(yōu)勢。美國燃料電池乘用車和叉車保有量領先全球：豐田 Mirai 在美國銷售了超過 2 900 輛燃料電池汽車。美國擁有世界最大的燃料電池叉車企業(yè) Plug Power，目前已有超過 2 萬輛燃料電池叉車，進行了超過 600 萬次加氫操作。加氫站建設方面，目前北美分布的 68 座加氫站僅 1 座位于加拿大，其余全部分布在美國，其加州地區(qū)集中度最高。美國燃料電池汽車液氫使用量非常高，全年液氫市場需求量的 14% 都被用于燃料電池車.

2.2 日本氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

日本由于資源短缺，政府對氫能和燃料電池的推廣力度在世界范圍內都是最大的。目前，日本在家庭用燃料電池熱電聯(lián)供固定電站和燃料電池汽車商業(yè)化運作方面都是最成功的。早在 2014 年 4 月制定的“第四次能源基本計劃”，日本政府就明確提出了加速建設和發(fā)展“氫能社會”的戰(zhàn)略方向。所謂“氫能社會”是指將氫能廣泛應用于社會日常生活和經濟產業(yè)活動之中，與電力、熱力共同構成二次能源的三大支柱。據(jù)此，2014 年 6 月，日本經濟產業(yè)省制定了“氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖”，提出了實現(xiàn)“氫能社會”目標分三步走的發(fā)展路線圖：到 2025 年要加速推廣和普及氫能利用的市場；到 2030 年要建立大規(guī)模氫能供給體系并實現(xiàn)氫燃料發(fā)電；到 2040 年要完成零碳氫燃料供給體系建設。截至 2018 年 1 月，日本燃料電池乘用車保有量約 2 000 臺，燃料電池大巴預計 2020 年增加到 100 臺。從目前的燃料電池汽車價格、保有量和加注站數(shù)量來看，日本尚處于燃料電池汽車社會的搖籃期，預計 2050 年將是日本燃油汽車全面向燃料電池汽車過渡之年。

2.3 歐洲氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

近期，歐洲燃料電池和氫能事業(yè)聯(lián)合組織（FCHJU）發(fā)布了“歐洲氫能路線圖”（圖 1）。該路線圖提出了歐洲氫能未來 30 年的發(fā)展規(guī)劃，并得到歐洲 17 家氫能公司和組織的支持。該報告認為，氫是歐洲能源轉型的重要元素，到 2050 年可占最終能源需求的 24% 并提供 540 萬個工作崗位。為了實現(xiàn)歐洲二氧化碳減排目標，必須發(fā)展氫能。對于諸如天然氣網(wǎng)、運輸（特別是重型車輛）關鍵部分的規(guī)模脫碳、高級燃料和化學原料需要大量使用氫氣。此外，氫氣可以解決大規(guī)模整合可再生能源以及實現(xiàn)低成本季節(jié)性儲能和跨區(qū)域有效清潔能源運輸中的技術難題。報告認為，到 2050 年，氫能將在各個領域發(fā)揮重要作用，并為了實現(xiàn)歐洲 2050 年氫能產業(yè)目標，設置了短期和中期目標。報告預測，到 2050 年，歐洲 10%—18% 建筑的供暖和供電可以由氫能提供；工業(yè)中 23% 的高級熱能可由氫能提供。報告指出，氫能的使用將帶來巨大的社會、經濟和環(huán)境效益。到 2030 年，氫能的預計部署將為歐盟公司的燃料和相關設備創(chuàng)造約 1 300 億歐元的產業(yè)；到 2050 年達到 8 200 億歐元。氫能將為歐盟工業(yè)創(chuàng)造一個本地市場，作為在全球氫能經濟中競爭的跳板。2030 年的出口潛力估計將達到 700 億歐元，凈出口額將達到 500 億歐元。

2.4 韓國氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

韓國在氫能和燃料電池領域也有較強的規(guī)劃布局，但是其相關技術實力較歐、美、日略遜一籌。以現(xiàn)代等汽車企業(yè)為依托，韓國政府未來 5 年內用于氫燃料電池以及加氫站的補貼將達到 20 億歐元。目標是到 2022 年為 15 000 輛燃料電池汽車和 1 000 輛氫氣公交車提供資金。其中資助計劃包括 310 個新的氫氣加氣站，政府還將制定使用法規(guī)[8]。韓國政府于 2019 年 1 月發(fā)布“氫能經濟發(fā)展路線圖”，旨在大力發(fā)展氫能產業(yè)，以引領全球氫燃料電池汽車和燃料電池市場發(fā)展。根據(jù)該路線圖，韓國政府計劃到 2040 年氫燃料電池汽車累計產量由 2018 年的 2 000 余輛增至 620 萬輛，氫燃料電池汽車充電站從現(xiàn)有的 14 個增至 1 200 個。韓國政府表示將開始為燃料電池出租車和卡車提供補貼，到 2022 年燃料電池公交車數(shù)量將增加到 2 000 輛，并預計在 2021 年開始用燃料電池車取代燃油警車。在固定式燃料電池方面，韓國目前的發(fā)展重點在于大型燃料電池發(fā)電站。韓國斗山集團是推動該項目建設的主體。2017 年 6 月，該集團完成了韓國最大的氫能燃料電池發(fā)電站的建設，而該發(fā)電站的建設成本大約有 3 600 萬美元。據(jù)報道，該發(fā)電站每年可生產 144 臺 440 千瓦的燃料電池系統(tǒng)，可以滿足市場的需求。

3 國內氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及分析

3.1 國內氫能產業(yè)鏈的結構分析

氫能產業(yè)鏈主要包括：氫的制取、儲存、運輸和應用等環(huán)節(jié)。氫既可廣泛應用于傳統(tǒng)領域，又可應用于新興的氫能車輛（包括乘用車、商用車、物流車、叉車、軌道車等）以及氫能發(fā)電（包括熱電聯(lián)供分布式發(fā)電、發(fā)電儲能、備用電源等）。為加快發(fā)展中國的氫能產業(yè)，依據(jù)目前的資源條件和能源產業(yè)狀況，應在加強氫安全的基礎上，積極推行氫源多元化及氫能多元化和規(guī)?；瘧?。我國近年來每年純度 99% 以上氫氣的使用量約 700 億立方米（約 600 萬噸），年產值 1 200 億元人民幣以上。目前國內發(fā)展氫能的生產方式，主要有煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產氫，其中工業(yè)副產氫追溯其上游一次能源主要還是煤和天然氣。因此，目前國內氫能生產主要還是依靠化石能源，而電解水制氫僅占比 2%—4%，占比較為有限。對于氫能的消費，國內大約 90% 或更多純度 99%左右的氫氣都用于煉化產品生產過程中的加氫，以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領域，僅有 2%—4% 的氫氣作為工業(yè)氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細化工等行業(yè)的還原氣、保護氣、反應氣等，而在燃料電池汽車領域氫能的利用更少?？傮w看，目前我國具備一定的氫工業(yè)基礎，但是仍然還是以工業(yè)原料為主。氫作為能源消費的市場規(guī)模依然較小。

在氫能和燃料電池發(fā)展方面，我國也一直不落后。2016 年 10 月，中國標準化研究院資源與環(huán)境分院和中國電器工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書（2016）》首次提出了我國氫能產業(yè)的發(fā)展路線圖（表 1）。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發(fā)展目標進行了規(guī)劃?！吨袊圃?2025》明確提出燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃，更是將發(fā)展氫燃料電池提升到了戰(zhàn)略高度。目前不論是國內的氫能技術，還是氫能產業(yè)基礎，雖然都具有一定的戰(zhàn)略規(guī)模，但是與國際最先進水平還有一定的差距。

3.2 我國燃料電池產業(yè)和技術發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1 國內燃料電池產業(yè)化現(xiàn)狀及問題

在我國中東部沿海經濟、技術實力較強的珠三角、長三角和北京等地區(qū)，聚集了我國燃料電池發(fā)展的主要企業(yè)。并且，近 2 年燃料電池投資熱度升溫，由幾年前的數(shù)家發(fā)展到現(xiàn)在的近千家燃料電池企業(yè)。與國外豐田、現(xiàn)代等燃料電池生產企業(yè)發(fā)展路線不同，中國氫燃料電池汽車企業(yè)主要分布在商用車領域——氫燃料電池商用車已實現(xiàn)量產。氫燃料電池乘用車還處于示范運行階段，其中上汽集團對燃料電池乘用車投入力度最大，2017 年發(fā)布國內第一款商業(yè)化燃料電池輕型客車——大通 V80。燃料電池叉車方面，我國已有東莞氫宇等企業(yè)布局，隨著氫能市場不斷成熟，我國叉車市場會是燃料電池另一個巨大的應用場景。

加氫站方面，目前我國已形成了一批從加氫站設計到運營的企業(yè)，這些企業(yè)主要集中在北上廣地區(qū)。目前我國制氫、儲氫、加氫等環(huán)節(jié)的關鍵核心設備，還不能全部“國產化”，成本難降。我國建成可運行加氫站 12 個，在建 19 個，典型代表北京永豐加氫站和上海安亭加氫站均從國外引進核心設備和技術咨詢服務。我國示范性加氫站及燃料電池客車車載供氫系統(tǒng)尚處于 35 兆帕壓力技術水平。為與客車配套，現(xiàn)有加氫站采用 45 兆帕隔膜式壓縮機、45 兆帕儲氫罐和 35 兆帕氫氣加注機等設備，壓力標準提升還有待未來 70 兆帕燃料電池汽車普及。

3.2.2 國內燃料電池技術現(xiàn)狀及問題

在系統(tǒng)方面，國內燃料電池開發(fā)以車用質子交換膜燃料電池為主，已經具有系統(tǒng)自主開發(fā)能力且生產能力較強。以新源動力、億華通、氟爾賽、重塑科技和國鴻重塑為代表的企業(yè)，具備年產萬臺燃料電池系統(tǒng)的批量生產能力。然而在燃料電池系統(tǒng)關鍵零部件方面，中國與國際先進水平差距較大，基本沒有成熟產品。在電堆方面，國內燃料電池電堆正在逐漸起步，

電堆及產業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，產能量級提升，到 2018 年國內電堆產能超過 40 萬千瓦。目前，國內電堆廠商主要有兩類：① 自主研發(fā)，以新源動力、神力科技和明天氫能為代表；② 引進國外成熟電堆技術，以廣東國鴻為代表，其余企業(yè)有濰柴動力、南通百應等。

在雙極板方面，由于機加工石墨板成本高，復合材料雙極板近年來開始走向應用，如石墨/樹脂復合材料、膨脹石墨/樹脂復合材料、不銹鋼/石墨復合材料等。國內新源動力開發(fā)的不銹鋼/石墨復合雙極板電堆已經應用于上汽大通 V80 輕型客車上。廣東國鴻引進加拿大 Ballard 公司膨脹石墨/樹脂復合雙極板生產技術，生產電堆已經裝備數(shù)百輛燃料電池車。乘用車燃料電池具有高能量密度需求，金屬雙極板相較于石墨及復合雙極板具有明顯優(yōu)勢。金屬雙極板的設計及加工技術主要掌握在國外企業(yè)，國內企業(yè)尚處于小規(guī)模開發(fā)階段，但是明天氫能科技公司正在建設年產萬臺級自動化生產線。

在膜電極方面，以新源動力、武漢理工新能源為代表，初步具備了不同程度的生產線，年產能在數(shù)千平方米到萬平方米，但還需要開發(fā)以狹縫涂布為代表的大批量生產技術。市場上主要生產全氟磺酸膜的企業(yè)主要來自于美國、日本、加拿大及中國。我國已具備質子交換膜國產化能力，山東東岳集團質子交換膜性能出色，具備規(guī)?；a能力。目前，東岳 DF260 膜厚度可做到 15 μm，在 OCV 情況下耐久性大于 600 小時。

在催化劑方面，海外企業(yè)領先，國內正起步。國內尚處于研究階段的單位有兩類：① 國內企業(yè)，如貴研鉑業(yè)。貴研鉑業(yè)主營汽車尾氣鉑催化劑，和上汽共同研發(fā)燃料電池催化劑。② 研究機構，如中國科學院大連化學物理研究所、上海交通大學、清華大學等。例如，中國科學院大連化學物理研究所制備的 Pt3Pd/C合金催化劑，已應用于新源動力生產的燃料電池發(fā)機。

在碳紙產品方面，主要由日本 Toray 公司等幾個國際大生產商壟斷，國內碳紙產品尚處于研發(fā)及小規(guī)模生產階段。

在系統(tǒng)部件方面，氫氣循環(huán)泵主要依賴進口，空壓機還沒有能夠大批量生產，缺少低功耗高速無油空壓機產品。

總而言之，我國在整車、系統(tǒng)和電堆方面均已有所布局，但零部件方面的相關企業(yè)仍較少，特別是最基本的關鍵材料和部件，如質子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環(huán)泵等；國內雖有相關企業(yè)開始介入，但與國際先進產品相比，可靠性和耐久性仍存在較大差距，大部分關鍵零部件及關鍵材料仍依賴進口。

4 國內氫能燃料電池存在的問題及對策

4.1 關鍵材料與核心部件缺少批量生產技術

近年來，我國氫能燃料電池技術整體上取得了長足的發(fā)展，但關鍵材料、核心部件的批量生產技術尚未形成，催化劑、隔膜、碳紙、空壓機、氫氣循環(huán)泵等仍主要依靠進口，這嚴重制約了我國氫能燃料電池產業(yè)的自主可控發(fā)展。應當看到，我國在高活性催化劑、高強度高質子電導率復合膜、碳紙、低鉑電極、高功率密度雙極板等方面的技術水平目前已經達到甚至超過了國外的商業(yè)化產品，但多停留于實驗室和樣品階段，還沒有形成大批量生產技術。因此，亟待加強上述關鍵材料核心部件的技術轉化，加快形成具有完全自主知識產權的批量制備技術和建立產品生產線，全面實現(xiàn)關鍵材料核心部件的國產化與批量生產。同時，進一步提高電堆比功率，降低電堆鉑用量，才能大幅降低燃料電池產品的成本。

4.2 電堆和系統(tǒng)可靠性與耐久性有待提高

目前，我國燃料電池堆和系統(tǒng)可靠性與耐久性等與國際先進水平仍存在差距，在全工況下的可靠性與耐久性有待提高。燃料電池系統(tǒng)可靠性與壽命不完全由電堆決定，還依賴于系統(tǒng)配套，包括燃料供給、氧化劑供給、水熱管理和電控等。因此，需加強燃料電池系統(tǒng)整體的過程機理及控制策略研究。這方面我國已取得一定的成果，如中國科學院大連化學物理研究所采用“電-電”混合的基礎上，還采用限電位控制、膜電極在線水監(jiān)測、氫側循環(huán)等控制策略和技術方法，有效提升了燃料電池系統(tǒng)的壽命和耐久性。因此，應在已有基礎上，進一步加強車載工況、低溫、雜質等實際運行環(huán)境下的衰減機理與環(huán)境適應性研究，大幅提升燃料電池產品的可靠性與耐久性。

4.3 加氫站建設成本高、加氫費用高

目前，加氫站建設成本高，氫氣運輸成本較高，造成加氫費用高，同時加氫站等基礎設施不完善，直接制約了氫燃料電池汽車的發(fā)展、商業(yè)化示范運行和大規(guī)模應用。加快加氫站建設，建立其建設審批程序和運營監(jiān)管標準成為當務之急。通過加強加氫站關鍵材料、核心部件及技術國產化，進一步降低加氫站建設成本。通過發(fā)展氫儲運技術，如液氫儲運、氫的管道運輸以及新型儲氫材料如有機液體儲氫等，降低氫氣儲運成本。在此基礎上，通過選擇有廉價氫源的地區(qū)先行開展氫燃料電池汽車的商業(yè)化運營，將有效地促進加氫站技術的提升和逐步降低氫氣使用成本，進而通過技術提升、市場輻射，帶動我國氫能燃料電池產業(yè)的整體技術進步和產業(yè)發(fā)展。此外，對于暫時無加氫站或邊遠地區(qū)不宜建加氫站的情況，車載甲醇制氫的燃料電池車具有一定優(yōu)勢，可以進行示范。同時，也應布點發(fā)展汽柴油車載制氫技術，為發(fā)展特種應用的燃料電池車奠定基礎。

4.4 技術標準、檢測體系不健全、不完善

目前氫能燃料電池方面的標準遠不能滿足產業(yè)快速發(fā)展的需求，表現(xiàn)在支撐行業(yè)發(fā)展的氫制備、儲運、加注及實際工況下氫燃料電池從部件到系統(tǒng)的評價檢測體系等仍不健全，使得產業(yè)全鏈條下的產品推廣受到嚴重的制約和限制。亟待完善氫能燃料電池技術標準體系，建立完整的材料、部件、系統(tǒng)的有效檢測體系，為氫能燃料電池的技術發(fā)展、產品應用提供基礎保障。

5 我國氫能與燃料電池發(fā)展展望

5.1 國內氫能與燃料電池發(fā)展趨勢

（1）商用車帶動加氫站建設，降低氫氣與燃料電池成本。我國燃料電池汽車發(fā)展路徑明確：通過商用車發(fā)展，規(guī)模化降低燃料電池和氫氣成本，同時帶動加氫站配套設施建設，后續(xù)拓展到乘用車領域。優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于：一方面，公共交通平均成本低，而且能夠起到良好社會推廣效果，待形成規(guī)模后帶動燃料電池成本和氫氣成本下降；另一方面，商用車行駛在固定線路上且車輛集中，建設配套加氫站比較容易。當加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時，又會支撐更多燃料電池汽車。

（2）發(fā)展氫燃料電池汽車產業(yè)集群，促進全產業(yè)鏈發(fā)展。燃料電池關鍵零部件、電堆、系統(tǒng)、制氫儲氫、檢測及整車開發(fā)企業(yè)，以“產業(yè)集群”的形式，目前已在上海、廣州、江蘇等地快速發(fā)展。通過氫燃料電池汽車產業(yè)集群，可以促進氫能燃料電池全產業(yè)鏈的快速發(fā)展，有效降低成本。

5.2 保障措施與政策需求建議

（1）加強頂層設計，全面規(guī)劃氫能燃料電池發(fā)展途徑。包括圍繞產業(yè)發(fā)展重點、產業(yè)布局優(yōu)化、加氫站總體布局、政策措施制定等，從國家層面研究制定氫能燃料電池總體規(guī)劃和發(fā)展路線圖，從而引導我國氫能燃料電池技術創(chuàng)新和產業(yè)的快速與健康發(fā)展。

（2）加強研發(fā)投入，確保核心技術自主可控。聚焦氫能燃料電池全產業(yè)鏈的關鍵核心技術，通過設立氫能燃料電池專項等促進從基礎研究、關鍵技術攻關、應用示范到產業(yè)化轉化的創(chuàng)新能力提升，保障我國氫能燃料電池核心技術全面、自主的持續(xù)發(fā)展。

（3）統(tǒng)籌產業(yè)布局，引導產業(yè)鏈協(xié)調發(fā)展。瞄準氫能燃料電池產業(yè)鏈缺失環(huán)節(jié)和關鍵環(huán)節(jié)，鼓勵有產業(yè)基礎的重點地區(qū)建設氫能燃料電池產業(yè)園區(qū)，加快產業(yè)集群建設。在氫能基礎設施方面，可通過加大加氫站的國家和地方補貼力度、鼓勵國有和社會資本共同參與建設、支持加油（氣）站與加氫站合建等措施加速加氫站的建設。在此基礎上，通過重點地區(qū)的商業(yè)化示范運營，帶動全產業(yè)鏈的成熟和完善，從而促進我國氫能燃料電池產業(yè)的全面均衡發(fā)展。

（4）加強標準制定，支撐技術進步與產業(yè)發(fā)展。建設若干氫能燃料電池國家技術標準創(chuàng)新基地，完善氫能燃料電池全產業(yè)鏈的技術和檢測標準。例如，目前相關法規(guī)標準仍將氫氣按照危險化學品管理，導致加氫站的審批、建設、運營受到制約。如果明確車用氫氣的能源性質，細化車用氫氣的制備、儲運、加注相關技術標準，將對加速氫能基礎設施建設起到極為重要的保障作用。