國內(nèi)燃料電池的發(fā)展前景如何？存在的問題又有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-25 10:04
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國內(nèi)氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及分析
1、國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)分析
氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括：氫的制取、儲存、運輸和應(yīng)用等環(huán)節(jié)。氫既可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域，又可應(yīng)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(chǎn)業(yè)，依據(jù)目前的資源條件和能源產(chǎn)業(yè)狀況，應(yīng)在加強氫安全的基礎(chǔ)上，積極推行氫源多元化及氫能多元化和規(guī)模化應(yīng)用。
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(chǎn)值1200億元人民幣以上。目前國內(nèi)發(fā)展氫能的生產(chǎn)方式，主要有煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，其中工業(yè)副產(chǎn)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(nèi)氫能生產(chǎn)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(nèi)大約90%或更多純度99%左右的氫氣都用于煉化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的加氫，以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領(lǐng)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(yīng)氣等，而在燃料電池汽車領(lǐng)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(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書(2016)》首次提出了我國氫能產(chǎn)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(biāo)進行了規(guī)劃。《中國制造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(nèi)的氫能技術(shù)，還是氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，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。
2、我國燃料電池產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及問題
在我國中東部沿海經(jīng)濟、技術(shù)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(chǎn)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(lǐng)域——氫燃料電池商用車已實現(xiàn)量產(chǎn)。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(nèi)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(yīng)用場景。
加氫站方面，目前我國已形成了一批從加氫站設(shè)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(guān)鍵核心設(shè)備，還不能全部“國產(chǎn)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(shè)備和技術(shù)咨詢服務(wù)。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(shù)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(shè)備，壓力標(biāo)準(zhǔn)提升還有待未來70兆帕燃料電池汽車普及。
國內(nèi)燃料電池技術(shù)現(xiàn)狀及問題
在系統(tǒng)方面，國內(nèi)燃料電池開發(fā)以車用質(zhì)子交換膜燃料電池為主，已經(jīng)具有系統(tǒng)自主開發(fā)能力且生產(chǎn)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(chǎn)萬臺燃料電池系統(tǒng)的批量生產(chǎn)能力。然而在燃料電池系統(tǒng)關(guān)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(chǎn)品。
在電堆方面，國內(nèi)燃料電池電堆正在逐漸起步，電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，產(chǎn)能量級提升，到2018年國內(nèi)電堆產(chǎn)能超過40萬千瓦。目前，國內(nèi)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(shù)，以廣東國鴻為代表，其余企業(yè)有濰柴動力、南通百應(yīng)等。
在雙極板方面，由于機加工石墨板成本高，復(fù)合材料雙極板近年來開始走向應(yīng)用，如石墨/樹脂復(fù)合材料、膨脹石墨/樹脂復(fù)合材料、不銹鋼/石墨復(fù)合材料等。國內(nèi)新源動力開發(fā)的不銹鋼/石墨復(fù)合雙極板電堆已經(jīng)應(yīng)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(fù)合雙極板生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)電堆已經(jīng)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(fù)合雙極板具有明顯優(yōu)勢。金屬雙極板的設(shè)計及加工技術(shù)主要掌握在國外企業(yè)，國內(nèi)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(shè)年產(chǎn)萬臺級自動化生產(chǎn)線。
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(chǎn)，缺少低功耗高速無油空壓機產(chǎn)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(guān)企業(yè)仍較少，特別是最基本的關(guān)鍵材料和部件，如質(zhì)子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環(huán)泵等；國內(nèi)雖有相關(guān)企業(yè)開始介入，但與國際先進產(chǎn)品相比，可靠性和耐久性仍存在較大差距，大部分關(guān)鍵零部件及關(guān)鍵材料仍依賴進口。
3、國內(nèi)氫能燃料電池存在的問題及對策
關(guān)鍵材料與核心部件缺少批量生產(chǎn)技術(shù)
近年來，我國氫能燃料電池技術(shù)整體上取得了長足的發(fā)展，但關(guān)鍵材料、核心部件的批量生產(chǎn)技術(shù)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(yán)重制約了我國氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展。應(yīng)當(dāng)看到，我國在高活性催化劑、高強度高質(zhì)子電導(dǎo)率復(fù)合膜、碳紙、低鉑電極、高功率密度雙極板等方面的技術(shù)水平目前已經(jīng)達到甚至超過了國外的商業(yè)化產(chǎn)品，但多停留于實驗室和樣品階段，還沒有形成大批量生產(chǎn)技術(shù)。因此，亟待加強上述關(guān)鍵材料核心部件的技術(shù)轉(zhuǎn)化，加快形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的批量制備技術(shù)和建立產(chǎn)品生產(chǎn)線，全面實現(xiàn)關(guān)鍵材料核心部件的國產(chǎn)化與批量生產(chǎn)。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(chǎn)品的成本。
1、國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)分析
氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括：氫的制取、儲存、運輸和應(yīng)用等環(huán)節(jié)。氫既可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域，又可應(yīng)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(chǎn)業(yè)，依據(jù)目前的資源條件和能源產(chǎn)業(yè)狀況，應(yīng)在加強氫安全的基礎(chǔ)上，積極推行氫源多元化及氫能多元化和規(guī)模化應(yīng)用。
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(chǎn)值1200億元人民幣以上。目前國內(nèi)發(fā)展氫能的生產(chǎn)方式，主要有煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，其中工業(yè)副產(chǎn)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(nèi)氫能生產(chǎn)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(nèi)大約90%或更多純度99%左右的氫氣都用于煉化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的加氫，以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領(lǐng)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(yīng)氣等，而在燃料電池汽車領(lǐng)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(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書(2016)》首次提出了我國氫能產(chǎn)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(biāo)進行了規(guī)劃。《中國制造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(nèi)的氫能技術(shù)，還是氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，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。
2、我國燃料電池產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及問題
在我國中東部沿海經(jīng)濟、技術(shù)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(chǎn)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(lǐng)域——氫燃料電池商用車已實現(xiàn)量產(chǎn)。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(nèi)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(yīng)用場景。
加氫站方面，目前我國已形成了一批從加氫站設(shè)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(guān)鍵核心設(shè)備，還不能全部“國產(chǎn)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(shè)備和技術(shù)咨詢服務(wù)。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(shù)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(shè)備，壓力標(biāo)準(zhǔn)提升還有待未來70兆帕燃料電池汽車普及。
國內(nèi)燃料電池技術(shù)現(xiàn)狀及問題
在系統(tǒng)方面，國內(nèi)燃料電池開發(fā)以車用質(zhì)子交換膜燃料電池為主，已經(jīng)具有系統(tǒng)自主開發(fā)能力且生產(chǎn)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(chǎn)萬臺燃料電池系統(tǒng)的批量生產(chǎn)能力。然而在燃料電池系統(tǒng)關(guān)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(chǎn)品。
在電堆方面，國內(nèi)燃料電池電堆正在逐漸起步，電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，產(chǎn)能量級提升，到2018年國內(nèi)電堆產(chǎn)能超過40萬千瓦。目前，國內(nèi)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(shù)，以廣東國鴻為代表，其余企業(yè)有濰柴動力、南通百應(yīng)等。
在雙極板方面，由于機加工石墨板成本高，復(fù)合材料雙極板近年來開始走向應(yīng)用，如石墨/樹脂復(fù)合材料、膨脹石墨/樹脂復(fù)合材料、不銹鋼/石墨復(fù)合材料等。國內(nèi)新源動力開發(fā)的不銹鋼/石墨復(fù)合雙極板電堆已經(jīng)應(yīng)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(fù)合雙極板生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)電堆已經(jīng)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(fù)合雙極板具有明顯優(yōu)勢。金屬雙極板的設(shè)計及加工技術(shù)主要掌握在國外企業(yè)，國內(nèi)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(shè)年產(chǎn)萬臺級自動化生產(chǎn)線。
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(chǎn)，缺少低功耗高速無油空壓機產(chǎn)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(guān)企業(yè)仍較少，特別是最基本的關(guān)鍵材料和部件，如質(zhì)子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣循環(huán)泵等；國內(nèi)雖有相關(guān)企業(yè)開始介入，但與國際先進產(chǎn)品相比，可靠性和耐久性仍存在較大差距，大部分關(guān)鍵零部件及關(guān)鍵材料仍依賴進口。
3、國內(nèi)氫能燃料電池存在的問題及對策
關(guān)鍵材料與核心部件缺少批量生產(chǎn)技術(shù)
近年來，我國氫能燃料電池技術(shù)整體上取得了長足的發(fā)展，但關(guān)鍵材料、核心部件的批量生產(chǎn)技術(shù)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(yán)重制約了我國氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展。應(yīng)當(dāng)看到，我國在高活性催化劑、高強度高質(zhì)子電導(dǎo)率復(fù)合膜、碳紙、低鉑電極、高功率密度雙極板等方面的技術(shù)水平目前已經(jīng)達到甚至超過了國外的商業(yè)化產(chǎn)品，但多停留于實驗室和樣品階段，還沒有形成大批量生產(chǎn)技術(shù)。因此，亟待加強上述關(guān)鍵材料核心部件的技術(shù)轉(zhuǎn)化，加快形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的批量制備技術(shù)和建立產(chǎn)品生產(chǎn)線，全面實現(xiàn)關(guān)鍵材料核心部件的國產(chǎn)化與批量生產(chǎn)。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(chǎn)品的成本。
