中國儲能網(wǎng)訊：氫燃料電池是目前氫能產(chǎn)業(yè)中技術最成熟、應用最廣泛的核心產(chǎn)品之一，在全球積極應對氣候變化并大力推動能源轉(zhuǎn)型的背景下，氫燃料電池作為一種高效且清潔的能源轉(zhuǎn)化設備，成為各國政府、科研機構和企業(yè)開展能源技術攻關的重點方向，并推動其在多個領域的應用和商業(yè)化進程。根據(jù)電解質(zhì)的不同，氫燃料電池主要分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）。不同類型的氫燃料電池在工作溫度、電解質(zhì)特性、催化劑要求、燃料適應性以及應用場景等方面存在差異，各自具有獨特的優(yōu)勢和局限性。隨著技術的不斷進步，各類燃料電池都在不斷優(yōu)化和改進，以提高性能、降低成本，拓展其應用領域。
當前，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨諸多難題和挑戰(zhàn)，亟待各方合力破解。深入研究氫燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀、應用前景及挑戰(zhàn)，對于把握其發(fā)展趨勢、政策制定及產(chǎn)業(yè)投資決策具有重要意義。
氫燃料電池的核心優(yōu)勢
零碳排放，全生命周期清潔
氫燃料電池通過電化學反應使氫氣與氧氣結(jié)合，結(jié)果只產(chǎn)生水（H2O），而不會排放氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）或顆粒物（PM）。如果搭配可再生能源制氫(綠氫)，可以實現(xiàn)“從制氫到用氫”的全鏈條零碳，而傳統(tǒng)電動汽車通過大網(wǎng)電充電時，依然存在間接碳排放。
高效能與長壽命
氫燃料電池系統(tǒng)效率可達50%~60%，遠超燃煤發(fā)電（30%~40%）和內(nèi)燃機（20%~35%）。如果與廢熱回收相結(jié)合，可以將綜合效率提高到80%以上。燃料電池電堆壽命已突破3萬小時（商用車場景），儲能系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)超1萬次，遠高于鋰電池（約5000次），適合長期穩(wěn)定運行的場景。
燃料來源廣泛，適配多元場景
氫能可通過多種方式獲取，如化石燃料重整(藍氫，配套碳捕集)、工業(yè)副產(chǎn)提純氫、可再生能源電解水(綠氫)等，以適應不同區(qū)域的資源稟賦。燃料電池系統(tǒng)可在-30攝氏度至80攝氏度的寬溫域運行，低溫啟動性能優(yōu)于鋰電池，適合高寒地區(qū)或高溫高濕場景。
基礎設施兼容性與擴展性
氫氣可通過管道、槽車、船舶等方式運輸，與天然氣管道網(wǎng)絡兼容（摻氫比例可達15%~20%），降低基礎設施改造成本。燃料電池技術可衍生至氨燃料、甲醇重整制氫等領域，為未來“氫能-氨能-甲醇”多元能源體系提供技術儲備。
氫燃料電池的應用前景
交通運輸領域
燃料電池汽車。氫燃料電池汽車的特點是零排放，并且加氫時間較短，通常僅需3到5分鐘。因其加油時間與傳統(tǒng)燃油車相似、續(xù)航里程較長（部分車型續(xù)航可達到500~800公里甚至更長）等優(yōu)勢，電動汽車被視為未來汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要抓手。在乘用車領域，隨著技術的不斷進步和成本的逐步降低，越來越多的汽車制造商推出了燃料電池汽車車型。在商用車領域，無論是長途物流運輸還是城市巴士，燃料電池車都有得天獨厚的優(yōu)勢，可顯著降低碳排放，減少對石油的依賴，且在續(xù)航里程和加氫時間上更具優(yōu)勢，能夠滿足長途運輸?shù)男枨蟆Ｔ诔鞘泄活I域，燃料電池公交車具有零排放、噪音低等優(yōu)點，可有效改善城市空氣質(zhì)量，提升居民的出行環(huán)境。
燃料電池船舶。船舶運輸是全球貨物運輸?shù)闹饕绞街?，但傳統(tǒng)船舶大多以柴油為燃料，排放的污染物和溫室氣體對環(huán)境造成了嚴重影響。氫燃料電池應用于船舶領域具有廣闊的應用前景，是一種清潔高效的動力源。燃料電池船能有效降低對港口及沿海地區(qū)的環(huán)境污染，具有零排放、低噪音、低振動等優(yōu)點。另外，燃料電池船具有較高的能源轉(zhuǎn)換效率，可以減少營運費用。目前，一些小型燃料電池船舶，如觀光船、渡輪等已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應用，而大型遠洋燃料電池船舶的研發(fā)也在積極推進中。
燃料電池軌道交通。在軌道交通領域，氫燃料電池同樣顯示出其潛在的應用價值。與傳統(tǒng)的電力牽引軌道交通相比，燃料電池軌道交通具有不受接觸網(wǎng)限制、可實現(xiàn)靈活編組和運營等優(yōu)點。同時，燃料電池軌道交通車輛在運行過程中零排放，有助于改善城市空氣質(zhì)量。目前燃料電池軌道交通的示范項目已在一些國家和地區(qū)開展，如氫燃料電池電車已在德國部分城市投入使用，為燃料電池在軌道交通領域的應用積累了經(jīng)驗。隨著技術的進一步開發(fā)和優(yōu)化，未來燃料電池軌道交通有望得到更大的普及。
燃料電池航空。在全球運輸體系中，航空運輸是重要的一環(huán)，也是主要的溫室氣體排放源之一。作為一項清潔能源技術，氫燃料電池提供了可持續(xù)發(fā)展的航空業(yè)新方案，能夠明顯降低航空運輸對環(huán)境的影響，具有零排放、低噪聲等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的航空燃油相比，氫氣的能量密度更高，理論上可以使飛機實現(xiàn)更長的續(xù)航里程。目前，燃料電池在航空領域的應用還處于起步階段，主要集中在小型無人機和輕型飛機的研發(fā)和試驗中。
分布式發(fā)電領域
熱電聯(lián)供應系統(tǒng)。可同時提供家庭所需的電力和熱水，實現(xiàn)能源的高效利用。該系統(tǒng)通常以天然氣或氫氣為燃料，在加熱生活熱水或室內(nèi)采暖時，將化學能量通過燃料電池的電化學反應轉(zhuǎn)化為滿足家庭用電需求的電能，同時將燃料電池產(chǎn)生的廢熱回收再利用。與傳統(tǒng)的集中供電和供熱方式相比，家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有更高的能源利用效率（可達80%以上）、減少輸電損失、降低對電網(wǎng)的依賴，并且能夠?qū)崿F(xiàn)分布式能源供應等優(yōu)勢。例如日本在家庭熱電聯(lián)供體系的推廣上成績斐然，大量的家庭都安裝了燃料電池熱電聯(lián)供裝置，使家庭能效得到有效提高，能耗和碳排放量都得到了降低。
小型商業(yè)電站。針對一些對電力供應的穩(wěn)定性和可靠性有較高需求的小型商業(yè)用戶，例如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心和酒店等，氫燃料電池小型商業(yè)電站是一個理想的備用電源或分布式發(fā)電解決方案。燃料電池小型商業(yè)電站可以在電網(wǎng)停電時迅速啟動，為關鍵設備提供持續(xù)的電力供應，保障商業(yè)運營的正常進行。同時，燃料電池發(fā)電站也可作為分布式電源，在電網(wǎng)正常供電的情況下接入電網(wǎng)，將多余電量輸送至電網(wǎng)，實現(xiàn)電力雙向流動。隨著可再生能源制氫技術的發(fā)展，使用綠氫作為燃料的燃料電池小型商業(yè)電站可以實現(xiàn)全生命周期的零碳排放，更加符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
氫燃料電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
技術瓶頸
氫燃料電池陰極需要使用大量鉑基催化劑來催化氧還原反應，雖然目前主流的鉑基催化劑具有很高的活性，但鉑金資源的稀缺性和昂貴使得燃料電池的成本大大提高。盡管非鉑基催化劑研發(fā)已經(jīng)取得進展，如過渡金屬氮化物等新型催化劑，但在活性和穩(wěn)定性方面仍與鉑基催化劑存在較大差距。非鉑基催化劑在實際工況下，易受環(huán)境因素影響，造成活性衰減快、壽命短，難以滿足長時間穩(wěn)定運行的需要，使氫燃料電池的大量使用受到限制。
現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜，雖然性能較好但費用較高，質(zhì)子傳導率、機械強度、化學穩(wěn)定性在高溫、高濕度或低濕度的環(huán)境下會下降，從而導致膜失水、溶脹、降解，使燃料電池的性能和可靠性受到影響。高性能、低價、環(huán)境適應性強的質(zhì)子交換膜材料的研制工作，依然是當務之急。
電池系統(tǒng)集成同樣存在諸多問題，如系統(tǒng)能量管理策略不完善，導致能量利用效率低下；各子系統(tǒng)之間接口不統(tǒng)一，增加了系統(tǒng)設計和制造難度；系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性有待提高，在復雜工況下易出現(xiàn)故障，影響燃料電池的正常運行和使用壽命。
成本高昂
從氫氣的制備來看，無論是化石能源制氫的高污染和后續(xù)處理成本，還是電解水制氫依賴低價電力而沒有實現(xiàn)的現(xiàn)狀，以及生物制氫技術的不成熟，都使得氫氣的成本難以降低。同時，催化劑、質(zhì)子交換膜等關鍵材料由于資源稀缺、制備工藝復雜，導致價格昂貴，且短期內(nèi)難以找到低成本替代方案。此外，雙極板、氣體擴散層等其他關鍵材料的性能提升與成本控制之間的矛盾，也進一步加劇了原材料成本問題。
另外，生產(chǎn)設備投資大且更新?lián)Q代快，企業(yè)需不斷投入資金購置先進設備，增加了固定成本。組裝工藝的復雜性使得自動化程度難以快速提升，人工組裝效率低、導致制造與組裝環(huán)節(jié)成本難以有效控制。
從基礎設施建設的角度來看，加氫站、儲氫設施以及氫氣輸送管網(wǎng)等基礎設施的建設都需要巨大的資金投入，而設備利用率低則是因為市場需求沒有得到充分釋放，難以通過規(guī)模效應來分攤建設成本。運輸氫氣主要是靠長管拖車，而且沒有適用于大規(guī)模的、長距離的運輸，運輸效率低，成本高。管道輸氫雖具有大規(guī)模運輸優(yōu)勢，但建設成本高、周期長，且面臨技術和安全等問題。在貯藏方面，高壓氣態(tài)儲氫是低密度、低溫液態(tài)的儲氫，并且低溫液體儲氫對裝備的要求很苛刻，目前還沒有商業(yè)化的應用，比如金屬氫化物儲氫等新技術。氫氣運輸與儲存設施的不完善，限制了氫氣的供應范圍和靈活性，增加了氫氣供應成本，不利于氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
安全與標準問題
氫氣在生產(chǎn)、儲存、運輸、使用過程中存在較大的安全隱患，如氫氣易燃、易爆、密度小、擴散速度快等特點。漏氫會造成人員、財產(chǎn)的安全受到嚴重的威脅，從而引起爆炸和火災事故的發(fā)生。此外，電擊、燙傷等燃料電池系統(tǒng)中的高壓電元件和高溫元件也存在著一定的安全隱患。如何確保氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的安全運行，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。
目前，全球范圍內(nèi)氫燃料電池相關的標準體系尚不完善，不同國家和地區(qū)在氫氣質(zhì)量、加氫站建設、燃料電池性能測試等方面的標準存在差異，缺乏統(tǒng)一的國際標準。由于標準體系不健全，不利于行業(yè)規(guī)范發(fā)展和國際貿(mào)易，導致產(chǎn)品良莠不齊，市場競爭無序。同時，也增加了企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)成本，阻礙了技術的交流與合作。
氫燃料電池發(fā)展建議
加強技術研發(fā)創(chuàng)新
攻克汽車燃料電池催化劑等質(zhì)子交換膜、氣體擴散層碳紙等關鍵材料和核心部件的技術難關，降低進口依存度，提高國產(chǎn)化率；加大在非貴金屬催化劑方面的研發(fā)投入，降低對昂貴金屬的依賴，如鉑金等，推動催化劑成本降低；探索膜材料應用納米材料和復合材料，提高質(zhì)子交換膜的導電性和耐久性；優(yōu)化設計燃料電池系統(tǒng)，提高整體效率和可靠性，加強關鍵技術的研究，如熱管理和水管理，降低能量損耗。通過優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，實現(xiàn)對燃料電池系統(tǒng)的精確調(diào)控，從而增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度。
完善基礎設施建設
制定加氫站建設規(guī)劃，在加氫站和物流園區(qū)重點區(qū)域合理布點加氫，提高加氫站的覆蓋率，增加加氫站建設投入；鼓勵企業(yè)參與加氫車站建設運營，出臺相關政策，簡化加氫站建設審批流程，降低建設成本；提高氫氣儲運的安全性、經(jīng)濟性，積極發(fā)展多種氫氣貯運技術，如高壓氣態(tài)儲存、液態(tài)存儲和金屬氫化物儲存；為降低運輸成本，建設氫氣運輸管道網(wǎng)絡，實現(xiàn)氫氣長途、規(guī)?；\輸。
加大政策支持力度
建議政府制定和完善氫燃料電池技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和應用推廣的相關政策，明確氫燃料電池在能源體系中的定位和發(fā)展目標，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供政策引導和保障，包括在財政補貼、稅收優(yōu)惠、產(chǎn)業(yè)基金等方面給予支持。建立健全氫燃料電池及相關產(chǎn)業(yè)的標準體系，規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量和安全要求，加強對氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的監(jiān)管，確保產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
拓展市場應用領域
持續(xù)推動氫燃料電池在汽車、船舶和軌道交通等運輸領域的應用，特別是在中重型車輛和長途運輸方面，充分利用氫燃料電池具有續(xù)航里程長和加氫時間短的優(yōu)勢。鼓勵在城市公共交通、物流配送和港口運輸?shù)阮I域推廣使用氫燃料電池車輛。積極研究氫燃料電池在分布式發(fā)電、儲能和工業(yè)領域的應用，例如在工業(yè)園區(qū)、數(shù)據(jù)中心等地點建立氫燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以實現(xiàn)能源的高效利用。推進氫儲能在可再生能源利用和電網(wǎng)調(diào)節(jié)等領域的示范應用，打造“風電和光伏發(fā)電結(jié)合氫儲能”的新型一體化應用模式。
