工業(yè)化的推進(jìn)中對(duì)化石燃料的依賴給環(huán)境造成了巨大的壓力。而氫作為一種清潔燃料，被視為化石燃料良好的替代品，其來(lái)源豐富，能量轉(zhuǎn)化率高，在交通等多個(gè)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。而以氫燃料電池為動(dòng)力的汽車(chē)排放和污染幾乎為零，被稱為是“綠色燃料”汽車(chē)。金智創(chuàng)新將嘗試對(duì)氫燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)、在國(guó)際上的應(yīng)用現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行解析。

氫燃料電池指的是使用氫來(lái)制造成存儲(chǔ)能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程的產(chǎn)物是水和電。具體反應(yīng)過(guò)程為：在催化劑的作用下，電池陽(yáng)極上的氫分解為電子和質(zhì)子，帶正電荷的質(zhì)子和帶負(fù)電荷的電子分別穿過(guò)隔膜到達(dá)陰極和外部電路運(yùn)行，陰極上的陽(yáng)離子和質(zhì)子、電子發(fā)生反應(yīng)生成水，這就是電能產(chǎn)生的具體反應(yīng)過(guò)程。通過(guò)大量串聯(lián)的燃料電池，電池組產(chǎn)生的電能足夠?qū)ζ?chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

氫燃料電池優(yōu)缺點(diǎn)并存

首先氫燃料電池具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且綠色環(huán)保。燃料電池不是通過(guò)儲(chǔ)能(蓄電池)或者燃燒(柴油、汽油)方式，而是采用化學(xué)反應(yīng)，該過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)污染，只會(huì)產(chǎn)生熱和水。如果氫是通過(guò)風(fēng)能、光伏電池板等可再生能源產(chǎn)生的，整個(gè)過(guò)程都不會(huì)有有害物質(zhì)產(chǎn)生和排放。氫燃料電池的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是噪聲低、無(wú)振動(dòng)且使用壽命長(zhǎng)。按照氫燃料電池的工作原理，只要外部源源不斷地供給燃料和催化劑，電能就可以被不間斷地被釋放出，氫燃料電池的使用壽命比普通的充電電池或原電池要高得多。由于燃料電池的運(yùn)行過(guò)程非常安靜，沒(méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件，噪聲只有55分貝左右，這和人們正常交談的水平相當(dāng)。另外，在整個(gè)工作過(guò)程中機(jī)械器件的磨損較少，沒(méi)有機(jī)械振動(dòng)和噪聲，氫燃料電池的使用壽命也得以延長(zhǎng)。

氫燃料電池的制氫原料來(lái)源廣泛、充電時(shí)間也相對(duì)較短。其使用的制氫原料多，其中自然界中的水存儲(chǔ)著大量的氫，可以通過(guò)水分解制氫;再生能源也是制氫的重要原料，還可以取柴油、汽油、甲醇、天然氣等進(jìn)行氫的制備。氫是燃料電池所需要的主要燃料，一般只需要幾分鐘來(lái)充氣或者更換氫氣瓶，相較于純電動(dòng)汽車(chē)的蓄電池充電，氫燃料電池的能源補(bǔ)充更快。

盡管具有一些系列的優(yōu)點(diǎn)，但不可否認(rèn)的是氫燃料電池發(fā)展仍然存在不少局限性。一方面，其燃料具有單一性，技術(shù)復(fù)雜程度高，且電池成本高。可用作燃料電池的燃料僅有氫，而氫氣的產(chǎn)生、運(yùn)輸、保管、存儲(chǔ)或重整對(duì)安全性要求高，不僅復(fù)雜且成本昂貴，造成電池制造的成本過(guò)于高昂。同時(shí)，氫燃料電池還要求十分嚴(yán)格的密封性，極小的氫氣分子很容易泄露，萬(wàn)一泄露，造成的后果不可估量，因此氫燃料電池對(duì)密封性要求嚴(yán)格。電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝也在這一嚴(yán)格要求下變得更加復(fù)雜，這給使用過(guò)程和維護(hù)過(guò)程都造成了很多麻煩。

此外，電動(dòng)汽車(chē)在使用氫燃料電池是需要配備輔助電池系統(tǒng)。盡管能夠持續(xù)發(fā)電，但燃料電池不能充電，也不能對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)的反饋能量進(jìn)行回收。因此，為了儲(chǔ)存富裕的能量，輔助電池或者超級(jí)電容器通常需要安裝在電動(dòng)汽車(chē)上，在汽車(chē)減速時(shí)對(duì)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能進(jìn)行接收。

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國(guó)際上當(dāng)前燃料電池市場(chǎng)的霸主是日本與美國(guó)

從1990年以來(lái)，在日本政府部門(mén)的支持下，日本對(duì)燃料電池汽車(chē)需要的設(shè)備、新技術(shù)展開(kāi)了研究。現(xiàn)階段日本在燃料電池方面的技術(shù)最為全面，占據(jù)了絕對(duì)的領(lǐng)先地位。2014年，“氫社會(huì)”戰(zhàn)略路線圖發(fā)布，日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)省提出，到2020年，日本將著力于擴(kuò)大本國(guó)燃料電池汽車(chē)和固定式燃料電池的使用量，在氫燃料電池世界市場(chǎng)中占據(jù)領(lǐng)先地位。到2030年，氫燃料的應(yīng)用范圍和需求進(jìn)一步擴(kuò)大，全新的二次能源結(jié)構(gòu)得以構(gòu)建。到2040年，建立CO2零排放的氫供應(yīng)系統(tǒng)，屆時(shí)CO2捕獲和封存技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于氫燃料的生產(chǎn)中。此外，日本政府還在2017年12月26日發(fā)布了“氫能源基本戰(zhàn)略”，進(jìn)一步明確了2030年的具體行動(dòng)計(jì)劃和2050年氫能社會(huì)建設(shè)的目標(biāo)。

另外，氫能和燃料電池被美國(guó)政府確定為維系國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)繁榮的必須發(fā)展的、至關(guān)重要的技術(shù)之一。當(dāng)前美國(guó)能源部特定的目標(biāo)主要有從現(xiàn)有資源和未來(lái)資源中獲取氫能、燃料電池研究和自由汽車(chē)計(jì)劃三個(gè)。美國(guó)特種部的研究主要集中在燃料電池和氫能在特種方面的應(yīng)用，研究重點(diǎn)是固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。

與此同時(shí)，現(xiàn)階段，歐洲擁有全球七成的燃料電池和氫能示范項(xiàng)目，而德國(guó)對(duì)氫燃料電池的商業(yè)化方面占據(jù)了領(lǐng)先地位，有超過(guò)350家德國(guó)科研機(jī)構(gòu)與公司活躍在這一領(lǐng)域。德國(guó)在燃料電池專利申請(qǐng)數(shù)量排名第三，重點(diǎn)關(guān)注燃料制備與儲(chǔ)存、燃料電堆等技術(shù)細(xì)節(jié)。從技術(shù)分類(lèi)和技術(shù)應(yīng)用方面來(lái)看，德國(guó)更為關(guān)注燃料電堆、燃料制備與存儲(chǔ)和燃料電池在車(chē)輛上的應(yīng)用。

而韓國(guó)政府在“21世紀(jì)前沿科技計(jì)劃”中將氫能研發(fā)列為了主攻技術(shù)領(lǐng)域之一。在韓國(guó)政府的支持下，“氫能研發(fā)中心”成立起來(lái)，針對(duì)韓國(guó)10年內(nèi)氫能的發(fā)展，該中心將目標(biāo)分解為涉及氫生產(chǎn)、利用和貯藏三方面內(nèi)容的三個(gè)階段，目前研發(fā)中心的工作內(nèi)容已經(jīng)進(jìn)入推廣執(zhí)行階段。在“能源技術(shù)研發(fā)10年計(jì)劃”的指導(dǎo)下，韓國(guó)取得了專利申請(qǐng)書(shū)排名第四的成績(jī)。從專利技術(shù)細(xì)節(jié)、技術(shù)分類(lèi)、應(yīng)用三個(gè)角度來(lái)看，韓國(guó)更加關(guān)注的分別是膜電極組件、甲醇與熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)和燃料電池便攜式使用。

我國(guó)氫燃料電池與國(guó)際先進(jìn)水平相比落后了5-10年

目前，燃料電池專利數(shù)量上我國(guó)全球排名第五。從技術(shù)細(xì)節(jié)、技術(shù)分類(lèi)兩方面來(lái)看，我國(guó)更為關(guān)注的是電極、催化劑和質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。我國(guó)企業(yè)在燃料電池專利上的申請(qǐng)數(shù)量相對(duì)較少，主要集中于高校和研究院所。

與此同時(shí)，與先進(jìn)國(guó)家相比較，我國(guó)氫燃料電池技術(shù)水平差距仍然較大。一方面，相關(guān)技術(shù)還處于工程化開(kāi)發(fā)階段，與世界標(biāo)桿產(chǎn)品相比，可靠性、冷啟動(dòng)、功率特性等主要技術(shù)性指標(biāo)還存在很大差距;另一方面，盡管我國(guó)擁有數(shù)量較為豐富的專利，但對(duì)核心技術(shù)的涉及較少，成本高，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步完善;空氣機(jī)、高壓儲(chǔ)氫罐、氫循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件和雙極板、催化劑等關(guān)鍵材料基本不具備產(chǎn)業(yè)化的能力。國(guó)際上，氫燃料電池汽車(chē)已經(jīng)逐步進(jìn)入商業(yè)化階段，而我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)落后了5-10年(見(jiàn)表1)。

表1國(guó)內(nèi)外燃料電池整體性能對(duì)比

（來(lái)源：國(guó)金證券所調(diào)研報(bào)告）

結(jié)語(yǔ)

氫作為一種清潔燃料，被視為化石燃料良好的替代品，氫燃料電池噪聲低、無(wú)振動(dòng)、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且制氫原料來(lái)源廣泛。在國(guó)際上，當(dāng)前燃料電池市場(chǎng)的霸主是日本與美國(guó)，德國(guó)與韓國(guó)也占據(jù)著領(lǐng)先地位。但我國(guó)氫燃料電池與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，可靠性、冷啟動(dòng)、功率特性等主要技術(shù)性指標(biāo)還存在很大差距，現(xiàn)有專利對(duì)核心技術(shù)的涉及較少，關(guān)鍵材料和器件基本不具備產(chǎn)業(yè)化的能力，而我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)落后了5-10年。