2.3 燃料電池基礎知識及應用技術

2.3.1 燃料電池概述

1. 燃料電池的種類

燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。從原理上看，燃料電池有正負極和電解質，燃料在陽極被氧化，氧化劑在陰極被還原，與蓄電池非常相似，所以名為“電池”；蓄電池的反應物都儲存在電池內部，其本質是儲電設備，而燃料電池的反應物和氧化物是利用外部系統源源不斷地輸送到電極上反應來發電，本質上是一個發電機。

燃料電池有很多種類型，其燃料類型、反應原理、工作溫度、應用場景等也都不同。按照電解質的不同，可以將燃料電池分為堿性燃料電池（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）、質子交換膜燃料電池（PEM-FC）。在此分類下，不同類型燃料電池的主要區別見表2-11。

從技術的發展來看，燃料電池技術的發展大致經歷了四代，見表2-12。

2. 燃料電池的優缺點

燃料電池的優缺點見表2-13。

3. 燃料電池急需解決的關鍵問題

燃料電池是全世界公認的未來最佳車載能源。雖然燃料電池可以采用多種燃料，甚至是內燃機用的所有燃料，但是真正起電化學反應的，僅僅是其中的氫和氧化劑中的氧。因此，氫燃料電池在氫燃料制取、儲存及攜帶等方面，以及非氫燃料電池重整系統的效率、體積、質量大小及反應速度等方面的技術還需進一步提高。

有軌電車用燃料電池急需解決以下關鍵問題：

1）開發和應用燃料電池系統配件和生產工藝，大幅削減燃料電池系統生產成本。在燃料電池系統中，核心部件是燃料電池電堆，需要通過改進雙極板生產工藝、降低鉑載量或使用非鉑催化劑、使用新型質子交換膜等方法降低電堆的成本。系統中，還包括氫氣循環泵、空氣壓縮機、加濕器等若干輔助部件，這些部件在系統成本中也占據了很大的部分，由于目前這些配件還未大規模生產，成本很高，可靠性也有待提高，需要開發燃料電池系統專用配件，降低輔助系統成本。

2）研究燃料電池性能衰減機理，研究低成本、長壽命燃料電池材料及燃料電池系統優化控制方法，大幅提升燃料電池系統壽命。燃料電池的壽命取決于每個單片電池的電化學活性，這種電化學活性會在多種因素下發生性能降低：燃料電池在工作中，催化劑的形貌和微觀狀態會發生變化，活性降低；空氣中的雜質氣體也會污染催化劑表面，造成催化劑失去活性；質子交換膜會在某些基團的作用下發生腐蝕，直至膜出現穿孔而造成電堆失效；氣體擴散電極的特性會隨著工作時間的延長而發生變化，使電池性能發生衰減；加濕水中的雜質離子會占據質子膜中的活性位使質子傳導特性降低。因此，需要更加深入地研究燃料電池性能衰減和失效的機理以及解決這些衰減和失效的材料、方法等，以大幅提高壽命。

3）采用系統模塊化設計，優化系統結構，大幅提高燃料電池系統質量和體積功率密度。對于車用燃料電池發動機系統而言，需要在滿足功能的情況下，將系統部件進行集成設計，提高集成度，降低體積和重量，類似汽車用汽油發動機系統，優化模塊設計，完善模塊功能。

4）必須開發質量輕、成本低、安全性高的車載儲氫罐，提高續駛里程和車載用氫安全性。

2.3.2 質子交換膜燃料電池系統結構與工作原理

1. 燃料電池的工作原理

本部分重點介紹適用于軌道車輛應用條件的質子交換膜燃料電池，其關鍵材料與部件包括電催化劑、電極（陰極與陽極）、質子交換膜和雙極板。目前最常見的是氫-氧型燃料電池，基本原理是氫氧反應產生的吉布斯自由能直接轉化為電能。借助于電化學過程，氫氣和氧氣持續且獨立地供給電池的兩個電極，并在電極處進行反應。其工作過程包括：

1）氫氣通過管道或導氣板到達陽極。

2）在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個質子，并釋放出2個電子。陽極反應為

2H₂—→4H⁺+4e^-

3）在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極。在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發生反應生成水。陰極反應為

O₂+4H⁺+4e^-—→2H₂O

總的化學反應為

2H₂+O₂—→2H₂O

電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續地輸出電能。

理想的燃料電池系統是可逆熱力學系統，在不同的工作溫度、工作壓力條件下，可通過熱力學計算得出在理想可逆情況下燃料電池發電效率及單電池電壓的變化規律。實際上，開始反應產生電流時，燃料電池的工作電壓降低很多。其原因主要有以下三點：

① 在電極上，活化氫氣和氧氣的能量要消耗一部分電動勢。

② 電極發生反應后，電池內部的物質移動擴散，所需能量消耗部分電動勢。

③ 電極與電解質之間有接觸阻抗，電極和電解質本身也有電阻，也要消耗與電流大小成正比的電動勢。

由于活化阻抗、擴散阻抗和電阻的綜合作用，燃料電池單體的實際工作電壓一般為0.6～0.8V。

質子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學反應能正常地緩慢進行，通常用每個電極上的高度分散的鉑金顆粒進行催化。

質子交換膜燃料電池采用固態聚合物膜為電解質。該聚合物膜為全氟磺酸膜（例如美國杜邦公司的Nafion膜），這種膜包含大量強酸性的磺酸基團，質子可以在其內部進行遷移。質子交換膜燃料電池所用的燃料是高純氫氣，氧化劑可使用氧氣或空氣。

電解液的作用是輔助離子從一個電極傳導至另一電極。燃料供給陽極或正極，在該電極處，依靠催化劑，電子從燃料中釋放。在兩電極間電位差作用下，電子經外電路流向陰極或負極，在陰極處，正離子和氧結合，形成水。

質子交換膜燃料電池中的催化劑是決定電堆成本及壽命的關鍵點。在早期實踐中，為了燃料電池的特定運行，需要很可觀的鉑載量。目前，在催化劑技術方面現已取得了巨大進展，使鉑載量從28mg/cm²減少到0.2mg/cm²。由于燃料電池的低運行溫度，以及電解質酸性的本質，應用的催化劑層需要貴金屬。因氧的催化還原作用比氫的催化氧化作用更為困難，所以陰極是最關鍵的電極。

在質子交換膜燃料電池中，另一關鍵性問題是水的管理。為了燃料電池的特定運行，聚合物膜必須保持濕潤。事實上，聚合物膜中離子的導電性需要濕度。若聚合物膜過于干燥，就沒有足夠的酸離子去承載質子；若聚合物膜過于濕潤，則擴散層的細孔將被阻斷，從而反應氣體不能擴展觸及催化劑。

質子交換膜燃料電池的一個比較大的問題是催化劑的毒化問題。鉑催化劑極富活性，其對一氧化碳和硫的生成物與氧相比有較高的親合力。毒化效應強烈地約束了催化劑，并阻礙了擴展到其中的氫或氧，從而電極反應不能在毒化部位發生，而使燃料電池性能遞減。假若氫由重整氣提供，則氣流中將含有一些一氧化碳；同樣，若吸入的空氣來自于被污染城市中的大氣，則一氧化碳也可從空氣的氣流中進入燃料電池?？諝庵械牧蜓趸飼﹄姵卦斐筛鼮閲乐氐亩净?。由一氧化碳引起的毒化是可逆的，但它增加了成本，且各個燃料電池需要單獨處理。

燃料電池的基本原理相當于電解反應的可逆反應。圖2-17為燃料電池結構與電化學反應原理。氫氣和氧氣在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能通過在兩電極中間的電解質在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓，在電極同外部負載構成回路時就可向外供電（發電）。燃料電池的電極通常做成平板，再附上一層薄電解質，如圖2-18所示。電極結構通常是多孔的，這種多孔結構保證了兩側的電解質和氣體可以順利通過，這樣的結構使得電極、電解質和氣體之間有了最大程度的接觸。

理想情況下，燃料電池化學反應所釋放出來的最大電能量為反應過程中的吉布斯自由能變化量，燃料電池輸出電壓和吉布斯自由能存在一一對應關系。但在實際應用時，燃料電池的輸出電壓要低于上述對應值，并且隨著工作狀態的變化而變化，尤其是隨著電流的增大而降低。造成燃料電池輸出電壓和理想狀態存在較大差異的原因，是燃料電池在電化學反應過程中存在以下幾方面的能量損失，造成系統的不可逆性（又稱為極化現象），分別為：活性極化、燃料的穿透和內部短路電流、歐姆極化、濃差極化。這些現象的產生原因各不相同，并且在不同的工作條件下，各種極化現象對系統的影響程度也不同。幾種極化現象的影響機理見表2-14。

2. 質子交換膜燃料電池系統的組成

單獨的燃料電池電堆是不能發電并用于有軌電車的，它必須和氫氣供給與循環系統、氧氣（空氣）供給系統、熱管理系統及一個能使上述各系統協調工作的控制系統組成燃料電池發電系統，簡稱燃料電池系統。燃料電池系統主要由燃料電池電堆和輔機系統組成，輔機系統包括：氫氣供給與循環系統、氧氣（空氣）供給系統、供給管道系統和調節系統（包括空壓機、冷卻水泵和管路等）以及水/熱管理系統。

燃料電池實際上是一個大的發電系統。對于質子交換膜燃料電池，需要有燃料供應系統、氧化劑系統、發電系統、水管理系統、熱管理系統、電力系統以及控制系統等。本文以質子交換膜燃料電池系統為例進行講解。

質子交換膜燃料電池是在有軌電車上最有應用前景的電力能源之一。組成質子交換膜燃料電池的基本單元是單體燃料電池。如前所述，單體電池的電化學電動勢大約1V左右，其電流密度約為100mA/cm²。因此，一個實用化的質子交換膜燃料電池系統，必須通過單體電池的串聯和并聯形成具有一定功率的電池組，才能滿足絕大多數用電負載的需求。此外，還要為系統配置氫燃料儲存單元、空氣（氧化劑）供給單元、電池組溫度/濕度調節單元、功率變換單元及系統控制單元等，將燃料電池組成為一個連續、穩定的供電電源。

（1）燃料電池組（堆）質子交換膜燃料電池的單體電池，其化學電動勢為1.0～1.2V，帶負載時的輸出端電壓為0.6～0.8V。為滿足負載的額定工作電壓，必須將單體電池串聯起來構成具有較高電壓的電池組。由于受到材料（如質子交換膜等）及工藝水平的限制，目前單體電池的輸出電流密度約在300～600mA/cm²。因此，為提高燃料電池的輸出電流能力，只有將若干串聯的電池組并聯，組成具有較大輸出能力的燃料電池堆。由于燃料電池堆是由大量的單體電池串并聯而成，因而，存在著向每個單體電池供給燃料與氧化劑的均勻性和電堆熱管理問題。

（2）燃料及氧化劑的儲存與供給單元 為使質子交換膜燃料電池實現連續穩定的運行發電，必須配置燃料（H₂）及氧化劑（O₂或空氣）的儲存與供給單元，以便不間斷地向燃料電池提供電化學反應所需的氫和氧。燃料供給部分由儲氫系統及減壓閥組成；氧化劑供給部分由儲氧系統、減壓閥或空氣泵組成。

（3）燃料電池濕度與溫度調節單元 在質子交換膜燃料電池運行過程中，隨著負載功率的變化，電池組內部的工況也要相應改變，以保持電池內部電化學反應的正常進行。對質子交換膜燃料電池運行影響最大的兩個因素是電池內部的濕度與溫度。因此，在電池系統中需要配置燃料電池濕度與溫度調節單元，以便使質子交換膜燃料電池在負荷變化時仍工作在最佳工況下。

（4）功率變換單元 質子交換膜燃料電池所產生的電能為直流電，其輸出電壓因受內阻的影響還隨負荷的變化而改變?；谏鲜鲈?，為滿足大多數負載對交流供電和電壓穩定度的要求，在燃料電池系統的輸出端需要配置功率變換單元。當負載需要交流供電時，應采用DC/AC變換器；當負載要求直流供電時，也用需要用DC/DC變換器實現燃料電池組輸出電能的升壓與穩壓。

（5）系統控制單元 由上述四個功能單元的配置和工作要求可知，質子交換膜燃料電池系統是一個涉及電化學、流體力學、熱力學、電工學及自動控制等多學科的復雜系統。質子交換膜燃料電池系統在運轉過程中，需要調節與控制的物理量和參數非常多，難以手動完成。為使質子交換膜燃料電池系統長時間安全、穩定地發電，必須配置系統控制單元，以實現燃料電池組與各個功能單元的協調工作。

由于燃料電池發電過程中需要不斷地輸入燃料和氧化劑，排出反應產物，一套燃料電池要正常工作，必須配備燃料儲存裝置、燃料/氧化劑輸送裝置，同時需要控制進入燃料電池電堆的反應物和氧化劑的量以及產生的產物，還要將其內部產生的熱量導出并散發掉，且因為輸出電壓較低，且伏安特性軟，功率變化范圍大，需要一套能量變換系統來為負載穩定供電，所以燃料電池發電系統與內燃機發電系統非常相似，需要包括燃料儲存與調節系統、氧化劑輸送與調節系統、燃料電池電堆、散熱系統、電力變換系統、控制系統等。例如一套質子交換膜燃料電池系統，就需要包括氫氣供應系統、空氣供應系統、散熱循環系統、電堆、控制系統等。其系統結構如圖2-19所示。

3. 燃料電池系統失效分析方式

燃料電池系統失效包括本質失效和誤用失效。本質失效是指燃料電池系統自身故障引起的失效；后者則是由于外部原因（外部能量使用或其他因素）引起的失效。

（1）本質失效 燃料電池系統的本質失效包括電堆功能失效和輔助系統（含控制系統）失效。

1）電堆功能失效主要是燃料電池電堆本身組成部件的失效，包括：

① 質子交換膜失效。主要是由于膜被腐蝕、老化、脫水等情況造成的導電能力下降，以及溫度或壓力差過高造成的膜穿孔、氫氣和空氣直接混合等原因造成的失效狀況。

② 電極失效。主要是由于催化劑活性下降以及由于水淹、脫落、雜質阻塞等原因導致電極的導電性、擴散層的疏水性和氣體擴散性下降等原因造成的電堆性能下降等失效狀況。

③ 雙極板失效。主要是由于氣體流場被液態水或雜質阻塞，引起燃料或空氣供應不足，造成電堆性能下降等失效狀況。

2）輔助系統失效主要是執行機構失效和控制器的失效，包括：

① 老化失效。閥門、電機、管道以及系統安裝固定等機構由于老化原因造成設備工作異常或性能下降，從而引起的系統失效。

② 輔助系統匹配失效。主要是由于輔助設備的選擇或使用不能滿足燃料電池電堆工作的相關需求引起的系統失效。

③ 控制品質失效。主要是控制算法本身或者硬件電路設計的不完善導致系統參數控制精度和響應速度不足，從而引起的系統失效。

④ 控制系統誤動作。主要是控制系統受到干擾引起的控制軟件失效，以及通信錯誤等導致控制系統發出錯誤的指令，從而引起系統失效。

電堆失效和輔助系統失效是息息相關的兩個因素，一方面輔助系統失效會導致電堆失效，另一方面電堆失效也會引起輔助系統的失效。例如，在輸出相同的功率條件下，當電堆性能下降時，就會要求發電機輸出更大的電流，引起風機負荷過大，甚至長期超負荷運行，導致風機加速老化甚至故障；相同的輸出功率條件下，如果風機出現故障引起氧氣供應不足，必然使燃料電池極化程度加深，發熱量急劇上升，極有可能造成雙極板燒壞、變性，從而導致氣體泄漏等電堆失效故障。為了避免本質失效以及減小失效情況給系統帶來的負面影響，就要求控制系統必須具備完善的功能以及抗干擾的能力。

（2）誤用失效 誤用失效是指由于控制系統和外部設備之間的能量管理協調不當引起的燃料電池系統失效。誤用失效主要存在以下幾種情況：

1）在燃料電池電堆工作狀態未達到相應輸出功率條件下，外部設備強行增加輸出功率，造成輸出電流急劇上升，導致系統失效。

2）在未通知燃料電池電堆工作條件下，外部設備急劇降低輸出功率，造成系統壓力波動過大，導致系統失效。

3）在外部能量需求較小的情況下，要求燃料電池電堆長期運行在滿負荷的狀態引起的燃料電池電堆效率降低甚至失效的情況。

盡管本質失效和誤用失效按照造成系統失效的不同原因進行了劃分，但是失效的最終表現還是本質失效，即由外部原因導致的系統本質失效。減少外部原因導致的系統本質失效的主要辦法，就是提高包含燃料電池系統的能量管理策略、故障監測能力和容錯控制策略。

4. 國內關于質子交換膜燃料電池系統研發的一些問題

國內關于質子交換膜燃料電池系統研發還存在以下問題：

1）燃料電池系統的耐久性壽命短，一般僅4000～5000小時，使用周期較短。

2）燃料電池系統的制造成本居高不下，一般估計2～3萬元/kW（國外成本約2000～3000美元/kW），與傳統內燃機僅200～350元/kW相比，差距巨大。因為其中的質子交換膜、炭紙、鉑金屬催化劑、高純度石墨粉、氫氣循環泵、增壓空氣泵等關鍵部件均依靠進口，所以與國外相比，并沒有成本優勢。

3）燃料電池系統對工作環境的適應性很差，國產的僅可在0～40℃氣溫下工作，低于0℃有結冰問題，高于40℃過熱不能正常工作；此外對空氣中的粉塵、一氧化碳、硫化物等都十分敏感，鉑催化劑極易污染中毒失效。

4）燃料電池有軌電車的使用成本過于高昂。例如高純度（99.999%）高壓氫（＞200Bar）售價約60～80元/kg。按1kg氫可發16kW·h電能計算，僅燃料費即為4～5元/kW·h，高于各種動力電池。

盡管存在如此多的問題，但是燃料電池仍然是人類迄今為止發明的最清潔、安靜又可無限再生的能源裝置，值得我們為實現燃料電池有軌電車的產業化付出更大的努力。

2.3.3 燃料電池控制系統

燃料電池控制系統的作用是控制燃料電池系統工作在良好狀態，盡量避免本質失效情況的出現，保證系統的可靠性、安全性、動力性和效率處于良好的狀態。其具體功能為：根據傳感器提供的信息（空氣、氫氣和循環水各節點的溫度和壓力以及單體電池電壓值）控制當前燃料電池工作狀態，達到快速準確地響應外界功率需求的目標；并且實時進行系統保護和故障診斷工作，確保燃料電池系統的正常高效工作。按照燃料電池控制系統的功能，具體可分為控制、通信、故障診斷及保護三個方面。

（1）控制功能 控制系統不僅要確保燃料電池的輔助系統按照適合的工作流程進行工作，還要根據功率輸出目標調整電堆的工作溫度和供應氣體的溫度、濕度、壓力和流量?？刂乒δ艿脑O計目標是快速性、穩定性和魯棒性?？刂茖ο蠓謩e為：空氣供應系統、氫氣供應系統、水熱平衡系統以及能量輸出管理控制。

（2）通信功能 燃料電池系統通過通信功能和上級管理系統進行信息交流，一方面匯報當前的工作狀態和相關的工作參數，另一方面接受操作指令并獲取當前功率需求的信息。通信裝置是燃料電池系統和上級管理系統聯系的紐帶，其可靠性是避免誤用失效的關鍵。通信功能的設計目標是實時性和可靠性，不僅需要具備足夠的通信速率和數據處理的能力，而且必須具備高度的抗干擾性。

（3）故障診斷及保護功能 控制系統對燃料電池系統的相關工作參數、執行機構和環境參數進行檢測，確定燃料電池系統的工作狀態，并對潛在和既有的故障進行相應的處理。工作參數的檢測包括對供應氣體的溫度、濕度、流量和壓力，以及冷卻液的溫度、電導率等參數的采樣。執行機構的檢測包括離心風機、電磁閥、水泵等執行機構狀態的檢測。環境參數的檢測包括環境空氣溫度、壓力和濕度的測量。故障診斷功能是降低系統失效概率的重要手段，并且為調整燃料電池系統控制提供必要的參數。

2.3.4 燃料電池在軌道車輛上的應用

目前，國際上燃料電池汽車技術已經達到商業化水平，國內汽車企業也在大力開發燃料電池汽車。豐田汽車公司于2014年底發布了全新燃料電池轎車FCV——未來（MIRAI）。新車價格為723.6萬日元（約合6.2萬美元/37.8萬人民幣）。FCV只需3分鐘就可以完成燃料的補給，續駛里程可以達到700km（在JC08模式下行駛時測量的數據）。上汽集團推出的榮威950燃料電池汽車，搭載有兩個700 Bar氫氣瓶，通過優化車輛起動系統，即便是在-20℃的環境中，依舊可以正常起動與行駛。宇通開發了新一代燃料電池客車，作為城市公交，滿足公交工況續駛里程要求，客車滿載氫耗8.3kg/100km，技術領先。以上舉措將有力助推中國燃料電池汽車產業化發展，對加快中國燃料電池汽車產業化進程有著重要意義。

在科技部“十三五”規劃中，氫能與燃料電池被列為能源領域的技術預測重點之一，科技部在“十三五”期間將加大對氫能與燃料電池的研發投入。目前氫燃料電池汽車推廣的難點之一在于加氫站的建設成本較高，加氫站個數太少。當加氫站不能夠達到像加油站那么普及時，選擇固定線路的公交車、物流車或軌道交通車發展是比較實際的做法。2020年我國的規劃是全國建成100座加氫站。另一個難點是工業化大規模生產下，燃料電池的成本要繼續降低，而鉑催化劑涂覆材料是制約因素，由于鉑產能的制約，單車用鉑量要進一步降低。

在軌道交通領域，各主機廠近年來也對燃料電池技術加以重視。2011年，西南交通大學開發了國內第一列燃料電池機車。2013年開始，中車唐山機車車輛有限公司與西南交通大學合作開發了首列燃料電池混合動力有軌電車，并聯合申請了國家科技支撐項目的資金支持。此外，中車四方也開始跟進研究。市場方面，佛山、唐山、臺州、天津、恩施等地政府和地鐵公司也在重點研究燃料電池有軌電車應用的可行性。2017年10月26日，中車唐山機車車輛有限公司與西南交通大學合作開發的燃料電池混合動力有軌電車開始了世界范圍內的首次示范運營。

2.3.5 中國氫能產業基礎設施發展分析

近年來，隨著氫能利用技術發展成熟，以及應對氣候變化壓力持續增大，氫能作為一種清潔高效的二次能源，在世界范圍內備受關注。氫能已經納入我國能源戰略，成為我國優化能源消費結構和保障國家能源供應安全的戰略選擇。氫能產業基礎設施是發展氫能產業的前置條件，也是消納我國可再生能源結構性過剩的技術選擇，并能帶動高端裝備制造業快速發展、促進產業結構調整。

2016年底推出的《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》深入剖析了我國氫能產業基礎設施的發展現狀、存在的問題及發展前景，明確了我國氫能產業基礎設施在近期（2016—2020年）、中期（2020—2030年）和遠期（2030—2050年）三個階段的發展目標和主要任務，首次提出了發展路線圖（圖2-20），并就加快發展氫能產業基礎設施提出了政策建議。

據規劃，到2020年，我國氫能產業基礎設施發展將取得重大突破。其中，以能源形式利用的氫氣產能規模將達到720億m³；加氫站數量達到100座；燃料電池車輛達到10000輛；氫能軌道交通車輛達到50列；行業總產值達到3000億元。到2030年，氫能產業將成為我國新的經濟增長點和新能源戰略的重要組成部分，產業產值將突破10000億元；加氫站數量達到1000座，燃料電池車輛保有量達到200萬輛，高壓氫氣長輸管道建設里程達到3000km，氫能產業基礎設施技術標準體系完善程度迫近發達國家水平，氫能與燃料電池檢驗檢測技術發展及服務平臺建設形成對氫能產業發展的有效支撐。

1. 氫氣來源

按照制氫消耗的一次能源劃分，氫氣來源包括化石燃料制氫、可再生能源制氫及其他清潔能源制氫等?；剂现茪浒褐茪洹⑤p烴（天然氣等）蒸氣轉化制氫、石腦油或渣油轉化制氫、甲醇轉化制氫等；可再生能源制氫包括風電制氫、水電制氫、太陽能制氫等；其他清潔能源制氫包括核能制氫、生物質制氫等。我國煤炭資源相對豐富，水電、風電及光伏等可再生能源裝機容量位居世界前列，生物質資源豐富，氫氣制備可選擇多種技術路線。當前，我國氫氣來源是以煤、天然氣及石油等化石燃料制氫為主，約占97%；水電解制氫約占3%。

（1）化石燃料制氫產能分布及潛力分析 化石燃料制氫包括煤制氫、各種油類制氫和天然氣重整制氫等。煤制氫成本較低，按煤價160～560元/t測算，煤制氫的成本僅為0.55～0.83元/m³，遠低于天然氣制氫0.80～1.75元/m³的成本和甲醇制氫1.50～2.50元/m³的成本。

結合我國煤炭資源分布情況，按照每噸煤制取約900m³氫氣計算，煤制氫的潛力巨大，全國累計約1900萬億m³，西北煤炭資源豐富，煤制氫潛力最大，占比超過60%。

目前，我國煤制氫主要用于合成氨、甲醇、二甲醚、烯烴、煤制油及加氫裂化和加氫精制等。近年來，我國煤制氫產業發展較快，僅神華集團煤制氫能力已經達到450億m³/年，若全部用于為燃料電池車輛提供氫源，按每輛燃料電池車年平均耗氫2300m³測算，可供約2000萬輛燃料電池車使用；全國的煤炭資源制氫能力可供2億輛燃料電池車用氫超過千年。因此，隨著氫能應用市場大規模擴大，氫能需求量增大，煤清潔制氫可為氫能發展提供氫源保障。

（2）可再生能源制氫潛力分析 可再生能源制氫包括利用當前大量存在的棄水、棄風和棄光等電能制氫和生物質制氫。目前，我國電解水制氫技術已發展成熟，同時水電、風電、光伏及生物質等可再生能源資源豐富，具備采用可再生能源制氫的基本條件。利用風電、光伏等波動電及富余水電制氫能將不能儲存的電能轉化成氫能儲存起來并應用，是可再生能源儲能的技術選擇之一，既有利于電站穩態生產、提高經濟效益、延長發電設備壽命、減少能源浪費，又能為正在興起的氫能應用提供“零碳”氫源。

1）水電電解水制氫資源分布及潛力。水電比火電具有環保優勢，比光伏、風電等清潔能源具有價格及電力穩定性的優勢。利用棄水電解水制氫，在棄水電價為0.3元/kW·h時，不計入“過網費”的情況下，水電制氫成本約為1.8元/m³。隨著水電裝機規模增長，水電電力供應能力將會穩步提升，同時國家電力體制改革、能源供給側改革及智慧能源等利好政策頻出，未來水電的市場前景相對較好。目前，我國純粹的水電制氫項目較少，通過建立合理的用電機制，充分利用調峰棄水電量，控制電力成本是水電解制氫成本接近或低于化石燃料制氫成本的關鍵。

2）風電電解水制氫資源分布及潛力。2015年，我國風電累計并網裝機容量達到1.29億kW，占全部發電裝機容量的8.6%，居全球首位；風電發電量1863億kW·h，占全部發電量的3.3%。近幾年來，我國風電的棄風限電量很大，2012—2015年，我國累計棄風電量超過850億kW·h，與2015年三峽電站870億kW·h的發電量基本持平；2015年，全國棄風電量339億kW·h，同比增加213億kW·h，棄風率15%，占三峽電站同年發電總量的34.3%。2015年，我國棄風資源制氫能力為67.8億m³/年，制氫成本約為3.4～4.3元/m³（2016年風電上網指導價：Ⅰ類資源區為0.47元/kW·h，Ⅳ類資源區為0.60元/kW·h）。我國風力資源主要集中在沿海和三北地區。

3）光伏發電電解水制氫。從全國范圍看，2015年全國大多數地區光伏發電運行情況良好，全國太陽能光伏發電設備平均利用小時數為1133h，同比下降102h。其中，青海、寧夏、內蒙古太陽能發電利用小時數超過1500h。2015年，我國全年累計棄光電量為46.5億kW·h，“棄光率”12.6%，其中，甘肅、青海、新疆、寧夏等西北地區“棄光率”高達17.1%。按照全國棄光數量計算，通過棄光電解水制氫的潛力為9.3億m³，光電制氫成本約為5.7～7元/m³（2016年光伏發電上網指導價：Ⅰ類資源區為0.80元/kW·h，Ⅳ類資源區為0.98元/kW·h）。

（3）工業副產氫氣和工業排放含氫氣體資源分布及潛力分析 工業副產氫氣和工業排放含氫氣體主要分布在石油化工、焦化、氯堿、合成氨及甲醇等行業。上述各行業生產過程中都會排放含氫氣體，回收利用含氫排放氣中的氫氣，既能夠提高資源綜合利用效率和經濟效益，又可降低大氣污染改善環境。

據統計，2015年中國焦炭產量累計4.48億t，副產了巨量的焦爐煤氣。焦爐煤氣中的氫氣含量為40%～50%，2015年焦爐煤氣中含氫量達770萬億m³。利用提純氫技術制取高純氫氣或工業用氫，可消除大量的煤氣放散現象，極大改善和保護環境，同時獲取清潔氫氣燃料，減少化石能源消耗，降低二氧化碳排放。我國PSA提純技術發展成熟，焦爐煤氣制氫成本較低，以25000m³/h焦爐煤氣為原料，純度99.99%的氫氣成本僅為1.03元/m³。

甲醇、合成氨等行業生產過程中，會產生大量的馳放氣，其中含氫量約為40%；氯堿行業生產過程中，生產每噸燒堿副產氫氣約200～300m³。我國合成氨、甲醇及氯堿產量分布情況較為均勻，其中華東、華北、中南地區較多。

2. 氫氣制備、儲存及輸送技術與裝備

（1）氫氣制備裝備

1）電解水制氫裝備。電解水制氫是削峰填谷及消納水電、風電及光伏等可再生電力資源的重要技術選擇。堿性電解水制氫技術發展成熟，質子交換膜（PEM）電解水制氫已進入應用階段，固態氧化物電解質（SOE）電解水技術尚處于研發階段。目前，我國電解水裝置的安裝總量約為1500～2000套，電解水制氫產量約9億m³/年，堿性電解水技術占絕對主導地位。國內堿性電解水設備的單臺產能最大可達1000m³/h，電解水設備制造廠家主要有中船重工集團公司第718研究所、天津市大陸制氫設備有限公司及蘇州競立制氫設備有限公司等。在PEM電解水技術方面，國內尚處于實驗室研發階段，國外已進入市場導入階段。

2）變壓吸附提純氫裝備。變壓吸附（PSA）提純氫技術應用廣泛，自動化程度高、提純效果好，是我國氫氣制備、提純氫的主流工藝。PSA適用于多種氫源的凈化提純，既適用于煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、石油裂解制氫等化石燃料制氫的凈化提純，也適用于從合成氨廠的變換氣、馳放氣以及甲醇生產馳放氣、石油精煉氣、焦爐煤氣、三氯氫硅合成尾氣、多晶硅還原尾氣和多種富氫混合氣等工業生產過程含氫排放氣中提純氫。目前，我國通過PSA法提純制取的純度大于99%的氫氣產量占比約97%。近年來，我國PSA技術發展迅速，目前已經推廣了數千套設備，單套規模從每小時幾十立方米擴大到28萬m³。

（2）氫氣儲存及輸送裝備

1）氫氣儲存。氫氣儲存方式多樣，包括高壓氣態儲氫、液態儲氫及其他方式儲氫等。

① 高壓氣態儲氫是將高壓氫氣充裝在儲氫容器中的儲氫方式，具有容器結構簡單、壓縮氫氣制備能耗少、充放氫速度快等優點，是目前氫氣儲存的主要方式。根據儲存目的、安裝地點的不同，高壓氣態儲氫設備可分為車載高壓儲氫瓶、固定式和移動式高壓儲氫容器。

車載高壓儲氫瓶的特點是氫瓶安裝在車輛上隨車運動，基本要求是耐高壓、重量輕、儲氫密度大和使用安全。美國能源部提出到2020年，車載高壓儲氫瓶單位質量儲氫密度達到1.8kW·h/kg，單位體積儲氫密度達到1.3kW·h/L（壓縮氫氣質量密度40g/kg），且每千瓦時儲氫價格不超過10美元。

車載高壓儲氫瓶主要有鋁內膽纖維全纏繞高壓氫氣瓶（Ⅲ型瓶）和塑料內膽纖維全纏繞高壓氫氣瓶（Ⅵ型瓶）兩類。Ⅲ型瓶的主要生產商有意大利Faber Industries公司等，最高標稱工作壓力為70MPa。沈陽斯林達安科新技術有限公司已實現35MPaⅢ型瓶小批量生產，70MPaⅢ型瓶也已通過試驗。Ⅵ型瓶的主要生產商有美國Hexagon Lincoln公司等，最高標稱工作壓力為70MPa，高壓氫氣的質量百分比可達5.7%。

固定式高壓儲氫容器是可用于制氫站、加氫站內儲存所需容量的高壓氫氣容器。隨著70MPa車載高壓儲氫瓶的應用，固定式高壓儲氫容器的壓力等級也相應提高，有的高達110MPa。美國能源部提出到2020年，當儲存壓力為低壓（＜16MPa）、中壓（16～43MPa）和高壓（86MPa）時，這種儲氫設備儲存每千克氫氣的成本要分別小于700美元、750美元和1000美元。目前，固定式高壓儲氫容器主要有高壓無縫氫氣鋼瓶、全多層高壓儲氫容器、塑料內膽纖維全纏繞高壓儲氫容器、固態/高壓混合儲氫容器等四類，其中高壓無縫氫氣鋼瓶是由鉻鉬鋼無縫鋼管經兩端熱旋壓收口而成。石家莊安瑞科氣體機械有限公司研制成功了45MPa高壓無縫氫氣鋼瓶，目前正在研制87.5MPa鋼內膽碳纖維全纏繞氫氣鋼瓶。浙江大學和巨化集團公司自主研制成功的全多層高壓儲氫容器由鋼帶錯繞筒體、雙層半球形封頭和加強箍等組成，并設有氫氣泄漏報警裝置，實現了氫氣泄漏的遠程在線監控，具有制造簡便、使用安全可靠等優點，制造成本低于美國能源部的要求，解決了高壓氫氣經濟、安全、大規模儲存的難題，最高設計壓力為98MPa。我國以自主技術為核心，制定了國際上首部高壓儲氫容器國家標準——GB/T 26466《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》。

塑料內膽纖維全纏繞高壓儲氫容器是由塑料內膽和纏繞的碳纖維復合層組成，具有重量輕但成本高的特點。固態/高壓混合儲氫容器是由高坪臺壓儲氫材料與高壓氣瓶高效耦合而成。日本SAMTECH公司等已研制出儲氫合金/碳纖維輕質高壓（35MPa）混合儲氫罐。北京有色金屬研究總院成功研制出45MPa的固態/高壓混合儲氫系統，儲氫容量達288.5m³，氫氣輸出流量高于10m³/min。

② 液態儲氫是將溫度降至20.43K以下，使氫氣轉變為液態氫的儲存方式。與高壓氣態儲氫相比，液態儲氫的優點是體積儲氫密度高（液氫的密度達70kg/m³），缺點是氫氣液化能耗高（每千克氫氣約需耗電20kW·h）、無損存儲時間短、長時間存放會出現氫氣排盡現象。美國、俄羅斯分別制造了容積達3200m³、1400m³的液氫球罐。我國張家港中集圣達因低溫裝備有限公司已制造出容積300m³的液氫圓柱形儲罐。

③ 除了高壓氣態和液態儲氫方式外，還有固態儲氫和尚處于研發階段的有機液體儲氫等儲氫方式。

固態儲氫是通過氫與材料發生化學反應或物理吸附將氫儲存于固體材料中，具有儲氫體積密度較高、儲氫壓力低、結構緊湊、安全性高、氫氣純度高等優點，缺點是儲氫質量密度低、放氫溫度高和充氫速度慢。歐盟已研制出儲氫量達1t的固態儲氫容器。浙江大學、北京有色金屬研究總院等單位已設計開發出多種容積規格的固態儲氫容器。2015年，由北京有色金屬研究總院承擔的863項目中，成功研制出的金屬氫化物儲氫罐儲氫量達580m³，儲氫體積密度56kg/m³。此外，中國地質大學（武漢）等科研院所正在研究有機液體儲氫技術。

2）加氫站。根據不同的建設要求，目前有四種常用的供氫解決方案，見表2-15。

① 國際加氫站發展現狀。加氫站是為燃料電池車輛及其他氫能利用裝置提供氫源的重要基礎設施。近年來，全球范圍內加氫站建設取得快速發展，截至2017年底，全球處于運營狀態的加氫站數量累計已達328座。隨著氫能利用技術快速發展，許多國家都已開始規劃建設加氫站，未來幾年全球范圍內加氫站數量有望持續快速增加。

② 國內加氫站發展現狀。截至2017年底，我國建成并有運行記錄的加氫站共有8座，分別是北京氫能示范園加氫站、北京飛馳競立制氫加氫站、上海安亭加氫站、上海世博固定加氫站、上海世博移動加氫站、廣州亞運會加氫站、深圳大運會加氫站及鄭州宇通加氫站等。2018年以來，隨著國內燃料電池產業升溫，不少地方都開始規劃建設加氫站，廣東省佛山和云浮、江蘇省如皋和鹽城、湖北省武漢和荊州等已經成為新的氫能熱點地區。據不完全統計，全國各地在建的和規劃建設的加氫站有40座以上。