氢能及燃料电池技术发展现状和前景

 

 

　　氢能是一种绿色高效的二次能源，具有来源广、燃烧热值高、清洁无污染、可储存、与多种能源便捷转换等优点，是未来清洁能源的重要组成部分。从全球看，作为重要技术创新方向的氢燃料电池汽车正逐步成为氢能大规模商业化应用的重要领域。我国氢能发展处于示范应用初期，未来将在新能源消纳、交通运输领域碳减排等方面发挥重要作用。

 

　　新能源制氢技术和氢燃料电池技术成为当前热点

 

　　氢能是一种绿色、高效的二次能源，具有热值较高、储量丰富、来源多样、应用广泛、利用形式多等特点。氢能产业链包括制氢、储运氢、用氢等环节。在制氢方面，2017年全球氢气生产量超过6000万吨，其中96%来自化石燃料，大部分采用天然气和煤油制氢技术;电解水制氢产量仅占4%，制氢成本较高，是化石燃料制氢的两倍多，目前利用可再生能源电解水制氢已经成为新热点。在储运氢方面，目前普遍采用具备高耐氢和耐压能力的25至35兆帕储氢罐，70兆帕处于示范应用阶段。管道运输是运氢环节的主要方式，根据麦肯锡公司数据，截至2017年年底，全球共铺设了4284千米输氢管道，其中美国达到2400千米，欧洲约有1500千米。在用氢方面，大部分局限在工业领域，主要用途是作为化工行业的原材料，其中60%用于合成氨，38%用于炼油和煤炭深加工。氢燃料电池汽车应用规模不大，但发展快速。截至2017年年底，全球在运的氢燃料电池汽车超过6000辆，加氢站达到286座，主要集中在美国、日本和德国。

 

　　氢能已成为许多国家能源体系的重要组成部分

 

　　氢能是一种低碳高效的清洁能源，随着全球变暖控制步伐加快，氢能源发展存在迫切需要，市场空间也十分广阔。目前，发达国家纷纷出台了强有力的氢能及燃料电池扶持政策，其中力度最大、响应最积极的是日本、欧盟和美国，中国、韩国、巴西、加拿大等国家也有相关部署。

 

　　美国是氢能发展的先行者。1970年开始布局氢能技术研发，2002年布什政府制定美国氢能发展路线图，颁布一系列法令，加快氢能产业发展。2008年金融危机以来，奥巴马政府减少对氢能领域的财政支持，转向支持清洁能源、电动汽车等技术相对成熟、短期内利于经济复苏的产业，对氢能发展带来一定影响。2014年美国颁布《全面能源战略》，重新确定氢能在交通转型中的引领作用，并于2017年宣布继续支持30个氢能项目建设，推动氢能产业取得显著进展。据美国能源部统计，2016年美国氢能产业创造了约1.6万个就业岗位，氢燃料电池汽车超过3500辆，加氢站达到60座。

 

　　日本着力打造氢能社会，制定了国家氢能基本战略，确定至2050年氢能社会建设目标以及具体行动计划，并计划在东京奥运会全面采用氢能源公交车。日本政府与汽车行业生产商合作研发氢燃料电池汽车，截至2017年年底，日本氢燃料电池汽车超过2000辆，是世界上最大的氢能燃料电池汽车市场。计划到2020年，日本可上路的氢能燃料电池汽车达到4万辆，到2025年达到20万辆，到2030年达到80万辆。900座广泛应用的加氢站将为这些车辆提供加氢服务。

 

　　德国汉堡市启动了规模宏大的氢能示范应用项目——“HyCity(氢能城市)”的计划，被称之为“通向明天能源世界的窗口”。该计划涵盖了氢气制取、运输、储存及燃料电池应用的氢能全产业链。德国致力于开发集风力发电、电解水制氢、高压储氢及燃料电池发电技术于一体的氢能应用技术，并建立多个氢能示范应用中心。例如，由ENERTRAG能源公司实施建设的氢能示范项目——燃料电池电站，该电站的总额定功率为700千瓦，每年可产生16吉瓦时的电能，可满足4000个家庭的用电需求。

 

　　氢能的作用以及制约氢燃料电池汽车发展的因素

 

　　未来氢能将与风能、太阳能等新能源在共同推动碳减排、助力能源转型中发挥重要作用，成为能源系统中重要的组成部分。国际氢能源委员会预测2050年氢能源需求是目前的10倍，占终端能源消费量的比例超过15%，对全球二氧化碳减排量的贡献度达到20%。

 

　　安全性和成本高是目前制约氢燃料电池汽车发展的主要因素。从安全性看，氢燃料电池汽车安全性不断提高。丰田汽车公司通过装备高强度碳纤维材质的车载储氢罐和高性能传感器等，降低氢燃料泄漏导致的爆燃风险;从成本看，氢燃料电池汽车未来具有较大成本下降空间。2016年年底，氢燃料电池汽车的整车成本约是燃油汽车的2.1倍，是纯电动汽车的1.6倍，其中燃料电池系统占一半。近年来，丰田汽车公司通过技术创新不断降低燃料电池系统(成本约占整车的一半)催化剂铂金属的用量，使得氢燃料电池汽车成本近10年来下降近80%。IEA(国际能源署)预测，到2030年、2050年，氢燃料电池汽车成本将比目前分别下降44%和55%，接近燃油汽车成本。2030年，全球氢燃料电池汽车将占全部汽车产量的3%，2050年提高到15%左右，超过3亿辆氢燃料汽车投运。考虑发展阶段、技术成熟、成本趋势等因素，电动汽车仍将是未来新能源汽车的主导技术，氢燃料电池汽车通过发挥加氢时间短、续航里程长等技术优势，将在公交、大巴等重型车载领域实现广泛应用。

 

　　我国氢能产业发展现状及未来氢能在我国的应用领域

 

　　我国氢能产业仍处于示范应用初期，与发达国家存在较大差距。2011年以来，我国相继发布了一系列政策措施，引导并鼓励包括氢能和燃料电池产业发展，2017年以来，我国各地方也开始出台适合自身发展的氢能支持政策。上海2017年率先出台燃料电池汽车发展规划，此后武汉和苏州相继发布氢能产业规划。目前，我国煤化工制氢的产量世界第一，但在燃料电池技术研发、氢能关键材料和装备制造等方面相对滞后，基础研发与核心技术投入不足，氢能产业发展总体落后于发达国家。截至2017年年底，我国实际在运的氢燃料电池汽车不足300辆，加氢站仅7座，新能源制氢项目进展缓慢。近期，国家能源投资集团公司牵头成立中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟，国家电网、中国中车、宝武钢铁、中国一汽等十多家央企参与，联盟单位超过50家，旨在加速中国氢能产业布局。

 

　　作为国家战略性新兴能源的重要组成部分，我国正在加快推动氢能开发和产业应用。未来我国氢能将在交通运输减排、电能替代等方面发挥重要作用。一是与电动汽车互为补充，共同推动交通运输领域碳减排。国家规划明确2020年实现5000辆氢燃料电池汽车在特定地区公共服务用车领域的示范应用，建成100座加氢站;2030年实现百万辆氢燃料电池汽车的商业化应用，建成1000座加氢站。二是建设氢能源发电系统。根据美国拉扎德咨询公司统计，2016年氢燃料电池发电系统成本为0.74至1.16元每千瓦时，已经具备一定市场竞争力。未来在用户侧推广应用小型氢燃料电池分布式发电系统，满足家用热电联供的需要，推动家庭电气化进程，促进电能替代。