氢能和燃料电池技术促进能源转型

引言

2014年11月，全球首款商业氢燃料电池汽车——丰田Mirai（未来）在洛杉矶国际车展中亮相。2018年5月，李克强总理访日参观北海道丰田厂区，重点了解了氢燃料电池车和配套措施的研发理念和瓶颈。2020年12月，国务院新闻办公室发布《新时代的中国能源发展》白皮书，指出加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备，促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展。同一时期，广东、甘肃、河北、山东、内蒙古、陕西、吉林、广西等在“十四五”规划中明确发展氢能。在低碳发展和能源转型的大背景下，“十四五”期间，氢能产业将迎来重要的机遇期。

第一节

燃料电池技术是什么？

燃料电池是一种将燃料中的化学能转化为电能的原电池。电化学过程不涉及任何机械或热过程，只需要氧气来引发反应，产生的低压直流电提供直接功。

在原电池燃料电池中，其工作原理类似于电池，燃料和氧化剂（均为气态）对应于阳极和阴极，并被导向电解质以进行反应。电解质可以是固体或液体，可在高温或低温下运行并传导不同的特定离子。

与汽车应用最相关的是使用低温质子传导膜的燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs），其原理如图1所示：

图1. 质子传导的燃料电池（PEMFC）原理示意图（Wikipedia）

阳极反应：H2– 2e → 2H+ E0 = 0 V

阴极反应：O2 + 4H++ 4e → 2H2O E0 = +1.229 V

总反应：2H2+ O2 → 2H2O

燃料电池可以设计为使用多种燃料和氧化剂。燃料电池中阳极最常见的氧化剂是氧气，因为它在空气中含量丰富且反应活性高。阴极中最常用的燃料是氢气，也可以是其他燃料如醇类或碳氢化合物。

从理论上来讲,只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。

第二节

燃料电池技术能做什么？

早在1839年，英国科学家W.R.Grove在“气体伏打电池”实验中首先介绍了燃料电池原理，被科学界誉为“燃料电池之父”。

图2. 气体伏打电池实验

20世纪60年代，燃料电池首次应用在美国航空航天管理局（NASA）的阿波罗登月飞船上作为辅助电源，为人类登月做出了积极贡献。

在20世纪70年代石油危机发生后，世界各国认识到了能源的重要性，大多数联邦机构和主要工业制造商都在资助燃料电池在汽车和其他领域中的应用。

a. 汽车行业

1986年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）成功开发第一辆磷酸燃料电池公共汽车；1993年，加拿大巴拉德（Ballard）电力公司展示了一辆零排放、最高时速为72km/h、以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为动力的公交车，引发了全球性燃料电池电动车的研发热潮。

第一批量产的氢动力汽车首先由丰田、本田和现代推出，其他品牌也紧随其后。

此外，现在正在生产的燃料电池卡车和重型车辆能帮助运输部门脱碳。

随着生产规模的扩大，中型氢燃料电池汽车的成本比类似的内燃机汽车高出约50%。纯电动汽车在市场上正在经历更快的增长，因此在短途乘用车市场中的份额越来越大。燃料电池汽车（FCEV）的目标是在长途、重型运输市场上占据一席之地。欧洲目前正在开发范围广泛的氢能公交车，数百辆氢能公交车已经部署在很多中国城市。

图3. 苏州金龙第五代氢燃料电池客车

b. 固定式发电厂

加拿大巴拉德发电系统的输出功率为 250 千瓦，是早期的商业化电厂。其PEM燃料电池以天然气为燃料，具有非常高的运行效率，可以作为备用电源有效地服务于关键设施（例如医院）或小型社区，产生的废热和热水往往输出给周围社区使用，提高了利用效率。

2018年，韩华能源建立一座50兆瓦（MW）规模的氢燃料电池发电厂，进一步巩固综合能源供应商的地位。这座发电厂坐落于韩国瑞山大山工业园区，是一座全球首次在石油化工产业园区提取副产氢气并用作燃料的全球最大氢燃料电池发电厂。该项目占地面积2万多平方米，共投入约2.3亿美元，预计能够满足17万户家庭的用电需求。

图4. 韩华能源建造全球首座超大型氢燃料电池发电厂

c. 军用潜艇

潜艇燃料电池系统几乎没有噪音，它们的热副产品水可以通过船上的重整器加以利用。燃料电池的红外特征对这些类型的军事应用具有很大的吸引力。

图5. 德国216型潜艇，凭借特殊燃料电池，成为国际军火市场的“新贵”

d. 便携式电源系统

便携式直接甲醇燃料电池系统（DMFC）使用甲醇作为燃料产生电能，它可以为电池充电或直接为设备供电，是可靠的便携式电源，可用于野外单兵作战或民用。如今，商业装置能够输出 1.2 kW的电力。

图6. 用于国防和民用的200W DMFC发电机

第三节

为什么发展氢能和燃料电池技术？

1. 从能源角度考虑，氢能是世界上最干净的清洁能源，具有燃烧热值高的特点，其热值（142KJ/g）约是石油的3倍、煤炭的4.5倍。氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择，氢燃料电池代表着未来的前进方向，将成为我国能源转型的关键。

2. 从成本角度考虑，燃料电池电堆中除铂催化剂外，其他材料为石墨、聚合物膜、钢等，几乎不存在类似于锂、 钴、镍等稀缺材料对锂电池成本的刚性限制。

3. 从原料角度考虑，中国是全球最大制氢大国，在氢能及氢燃料电池车产业发展初期，化石能源制氢以及工业副产氢是低成本氢燃料的主要来源，有利于推动产业发展。但化石能源制氢CO2排放量大，未来可以通过不能上电网的废弃风能、水能等进行电解水制取“绿色”氢气。

第四节

挑战与展望

尽管氢能和燃料电池技术有诸多的优点，但目前的规模商业化也面临着诸多挑战。

首先，贵金属铂(Pt)作为燃料电池的催化剂用量大，成本高昂，以率先实现氢燃料电池车量产的丰田Mirai为例，一辆车的用铂量仍需要约20克，实现技术突破将铂的使用量降下来或者使用非贵金属催化剂替代铂，才能大大降低制造成本。

此外，氢是一种能源，同时也被政策归入危化品，储氢的成本和安全也是需要解决的问题。未来绿色氢气制取、储运、加注与燃料电池技术突破以及氢能基础设施完善与普及，将激发氢能及燃料电池产业应用场景多元化与规模化应用。

目前，占全球GDP约52%的27个国家中，16个已经制定了全面的国家氢能战略，还有11个国家正在制定国家氢能战略。现在的燃料电池汽车就像十几年前，也就是2009年的电动汽车，处在发展初期阶段，有不少质疑的声音，存在的问题也不少，可十几年过去，我国电动车取得的成绩有目共睹，未来的燃料电池汽车一定会如纯电动车一般涌现一股新势力，在全球能源转型中担当更加重要的角色。

参考文献：

(1)  Olabi, A. G.; Wilberforce, T.; Ali, M. Fuel Cell Application in the Automotive Industry and Future Perspective. Energy 2021, 214, 118955.

(2)  Daud, W. R. W.; Rosli, R. E.; Majlan, E. H.; Hamid, S. A. A.; Mohamed, R.; Husaini, T. PEM Fuel Cell System Control : A Review. Renew. Energy 2017, 113, 620–638.

(3)  Das, V.; Padmanaban, S.; Venkitusamy, K. Recent Advances and Challenges of Fuel Cell Based Power System Architectures and Control – A Review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017, 73 (March 2016), 10–18.

(4) He, Y.; Liu, S.; Priest, C.; Shi, Q.; Wu, G. Atomically Dispersed Metal-Nitrogen-Carbon Catalysts for Fuel Cells: Advances in Catalyst Design, Electrode Performance, and Durability Improvement. Chem. Soc. Rev. 2020, 49 (11), 3484–3524.

(5) Luo, E.; Chu, Y.; Liu, J.; Shi, Z.; Zhu, S.; Gong, L.; Ge, J.; Choi, C. H.; Liu, C.; Xing, W. Pyrolyzed M–Nx Catalysts for Oxygen Reduction Reaction: Progress and Prospects. Energy Environ. Sci. 2021. https://doi.org/10.1039/d1ee00142f.

(6)https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0