清華大學(xué)　■ 毛宗強

世界氫能炙手可熱中國氫能蓄勢待發(fā)

清華大學(xué)■ 毛宗強

0　引言

從近年來氫能與燃料電池全球發(fā)展的總體趨勢來看，歐、美、日等發(fā)達國家不斷加大研發(fā)投入和政策支持，氫能與燃料電池在交通領(lǐng)域、固定式發(fā)電領(lǐng)域、通信基站、備用電源領(lǐng)域和物料搬運領(lǐng)域都持續(xù)升溫，正加快邁向商業(yè)化的步伐。尤其是日本政府全力支持氫能，日本汽車界、能源界和科技界都全力參與，已超越歐美成為國際氫能領(lǐng)跑者。

1　世界各國氫能發(fā)展現(xiàn)狀

1.1美國

美國一直重視能源的開發(fā)與利用，將氫能與燃料電池確定為維系經(jīng)濟繁榮和國家安全的技術(shù)之一。2001年以來，美國政府將發(fā)展氫能作為其能源政策的一個重要方面，先后制定了多項氫能研究計劃，以實現(xiàn)向氫經(jīng)濟的過渡。美國加利福尼亞州制定了明確的燃料電池汽車普及計劃和加氫站建設(shè)計劃，加州政府將為氫燃料電池動力車制造商和加氫站的運營商提供補助，以解決該技術(shù)面臨的困難。截至2014年7月底，加州已有230輛氫燃料電池汽車，另外，運營中的氫燃料電池巴士已到16輛。加州政府希望到2025年能有150萬輛零排放汽車( ZEV) 上路，加州各機構(gòu)通力合作，出臺了一系列政策來確保這一目標的實現(xiàn)。

美國政府能源部宣布，2015年10月8日為美國首屆氫能與燃料電池日，原因是氫的原子量為1.008。這一提議已得到許多國家氫能界的響應(yīng)。

1.2歐洲

在歐洲，歐盟將氫能作為其優(yōu)先研究和發(fā)展的領(lǐng)域，制定了2020年氫能與燃料電池發(fā)展計劃，將在燃料電池和氫能研究方面投資近10億歐元，各國均有氫能相關(guān)政策措施推出。

德國已融資3.93億歐元支持氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展。其中，55％的資金用于氫生產(chǎn)和運輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)。德國預(yù)計在2018年建成100個加氫站，并于2023年建立覆蓋全德的氫能汽車網(wǎng)絡(luò)，包含400座加氫站。寶馬、梅賽德斯-奔馳兩大車企宣布2018年量產(chǎn)氫燃料電池汽車計劃，奧迪、大眾集團也在發(fā)力研發(fā)氫燃料電池汽車。該國燃料電池專家表示，再經(jīng)過5～10年時間，德國市場上將有超過100萬輛的氫能汽車。

挪威于2014年1月啟動氫化奧斯陸(H2OSL)項目，項目旨在為嘎德莫(Gardemoen)機場用汽車及其他設(shè)備提供氫能，并針對嘎德莫機場依托氫能而產(chǎn)生的減排、改善環(huán)境污染狀況及巨大商機等優(yōu)勢進行可行性研究。

法國的經(jīng)濟部長已承諾將法國打造成為氫能領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。氫能源是法國能源計劃及其建設(shè)“新型工業(yè)國家”項目的一部分。該項目全力支持各種與氫能相關(guān)的技術(shù)發(fā)展，包括氫氣的生產(chǎn)、儲存，以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和清潔交通的推廣。

截至2015年3月，歐洲加氫站總量為82座，其中德國有29座。

1.3日本

日本政府是推進氫能與燃料電池技術(shù)的排頭兵，日本將氫能源利用上升為國家戰(zhàn)略，明確提出氫能發(fā)展藍圖，描述了氫能使用的3個階段，并為每個階段設(shè)定了目標。第一階段，預(yù)計持續(xù)到2025年左右，被認為是氫能使用范圍迅速擴大階段；該階段的目標是增加家用燃料電池單元的數(shù)量(2020年增加到140萬，2030年增加到530萬)，同時增加加氫站的數(shù)量。第二階段，預(yù)計從2020年中期持續(xù)到2030年左右，被認為是大規(guī)模供氫系統(tǒng)建立階段；該階段的目標是從國外購買氫氣，并擴大國內(nèi)商業(yè)用途的供氫網(wǎng)絡(luò)。第三階段，預(yù)計從2040年開始，被認為是建立無二氧化碳的供氫系統(tǒng)的階段；該階段的目標是通過收集二氧化碳，實現(xiàn)在氫氣的生產(chǎn)、運輸和儲氫階段二氧化碳的零排放。

日本各大汽車制造商已紛紛投入燃料電池汽車布局、研發(fā)和生產(chǎn)。豐田氫燃料電池汽車Mirai(“未來”)最大續(xù)航里程超過500 km，加滿氫燃料的時間僅為3 min。Mirai于2014年底正式在日本量產(chǎn)發(fā)售，價格為723.6萬日元(約37.5萬元人民幣)，享受國家補貼后，消費者實際負擔的金額約為520萬日元(約26.9萬元人民幣)，目前Mirai訂單己超1500輛。2015年5 月13日，豐田、馬自達宣布已同意建立一個長期合作伙伴關(guān)系，深化產(chǎn)品和技術(shù)方面的合作，其中包括豐田的氫燃料電池汽車的燃料電池系統(tǒng)(FCEVs)。按照豐田計劃，2020年以后，豐田燃料電池車(FCV) 在全球的年銷量達到3萬輛以上。2016年3月，本田宣布其氫燃料電池汽車“CLARITY”商業(yè)化，該車最大續(xù)航里程為750 km，加滿燃料的時間也僅為3 min。該車可當作備用電源，緊急情況下可為日本家庭提供一周電力供應(yīng)。該車售價為6萬美元，減去政府補貼后價格與豐田Mirai氫燃料電池汽車相當。

截至2015年5月，日本投入運營的加氫站共22座，還有76座在建設(shè)、申報中。

1.4韓國

韓國是世界上最為支持氫能與燃料電池技術(shù)的國家之一，其發(fā)展目標是成為全球燃料電池制造的領(lǐng)袖之一，長期以來，集中研究MCFC 和PAFC在大型固定電站方面的應(yīng)用。目前，韓國政府將燃料電池研發(fā)的范圍拓展到交通運輸及移動電話領(lǐng)域的應(yīng)用，并且致力于PEMFC 和SOFC的研究。從企業(yè)研發(fā)方向來看，三星(Samsung)主攻 PEM和DMFC，現(xiàn)代(Hyundai)主攻 FCV，LG化工和LG電子則分別從事MEA、DMFC和PEM、DMFC的研發(fā)。2012 年韓國政府投入建設(shè)氫城市示范項目的預(yù)算總額達到185億韓元。

在燃料電池汽車發(fā)展方面，現(xiàn)代計劃于2016年生產(chǎn)4000～5000輛氫燃料電池汽車，而國家也出臺了相關(guān)的補貼方案。 韓國的 LPG加氣站非常普及，日前，政府和現(xiàn)代集團及LPG運營公司共同合作，推出LPG加氣站改加氫站計劃，韓國氫燃料電池行業(yè)將快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截至2015年7月，韓國共有加氫站12座。

2　氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

2.1各國政府愈加重視氫能利用

氫能優(yōu)勢突出，是未來綠色能源體系的重要組成部分。作為一種戰(zhàn)略性高效清潔能源，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界各國的廣泛關(guān)注和重視。目前，各國紛紛制定和出臺一系列的政策及規(guī)劃，明確氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，投入巨額財政資金用于氫能與燃料電池技術(shù)的研發(fā)，同時啟動氫能與燃料電池的示范應(yīng)用項目，并不斷完善配套加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。伴隨著燃料電池商業(yè)化進程加快，世界各國愈加重視氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，政策導(dǎo)向性更加明確。另外，為了推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各國開始加強聯(lián)盟合作，如荷蘭、丹麥、瑞典、法國、英國與德國6國已達成共同開發(fā)推廣氫燃料電池汽車的協(xié)議，這些國家的聯(lián)盟合作或成為國際氫能產(chǎn)業(yè)合作的新趨勢。

2.2氫燃料電池汽車開啟產(chǎn)業(yè)化

從技術(shù)方面來看，歐美日等發(fā)達國家大多已完成氫燃料電池汽車基本性能的研發(fā)階段，解決了若干關(guān)鍵技術(shù)問題，在整車性能、可靠性、壽命和環(huán)境適應(yīng)性等方面均與傳統(tǒng)汽車相當。成本方面，氫燃料電池系統(tǒng)成本持續(xù)下降，整車成本從2005年之前的每輛100萬美元降到現(xiàn)在的每輛5～10萬美元的可接受范圍；基礎(chǔ)設(shè)施方面，各國政府和企業(yè)紛紛制定相應(yīng)的加氫站建設(shè)計劃，以保障氫燃料電池汽車加氫需求。綜合來看，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化條件已經(jīng)具備。

目前，世界主要汽車制造商均設(shè)定了燃料電池汽車的商業(yè)化時間表。其中，豐田已于2014 年12月15日在日本國內(nèi)開始銷售其氫燃料電池汽車Mirai；通用、福特、奔馳都將在3年內(nèi)推出量產(chǎn)車型；寶馬和日產(chǎn)均有2020年前推出氫燃料電池商品車計劃。因此，2015年被視為氫燃料電池汽車的市場化元年，產(chǎn)業(yè)化黎明已經(jīng)到來。2020年則被看作是市場啟動年，屆時將大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池汽車。

2.3氫燃料電池成本進一步下降

近10年來，燃料電池的成本控制一直是研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界最重要的目標之一。根據(jù) DOE的估算，基于2013年的技術(shù)水平，在年產(chǎn)5萬套的規(guī)模下，車用80 kW功率的PEMFC燃料電池成本降低到55美元/kW，較2002年的275美元/kW下降了80％，這一數(shù)字已經(jīng)逐步接近美國能源部設(shè)定的2017年30美元/kW的成本目標。

預(yù)計隨著氫能與燃料電池、關(guān)鍵材料等技術(shù)的逐步成熟，氫燃料電池系統(tǒng)的成本繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢，將更加有利于氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。

3　我國氫能與燃料電池情況

相比國際氫燃料電池汽車開始商業(yè)化起步，我國氫燃料電池汽車大體落后10年以上。目前，國內(nèi)有數(shù)家公司可以制作千瓦級質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，但國產(chǎn)氫燃料電池電站還沒有產(chǎn)品問世。據(jù)報道，2015年1月9日營創(chuàng)三征(營口)精細化工有限公司與荷蘭的MTSA Technopower、NedstackFuelCell Technology和Akzo Nobel Industrial Chemicals四方簽署合作協(xié)議，項目由營創(chuàng)三征引進荷蘭三方裝置技術(shù)，利用營創(chuàng)三征氯堿副產(chǎn)氫氣資源，建造全球首套2 MW氫燃料電站。該氫燃料電站作為示范項目，獲得歐盟氫能利用項目支持，計劃于2016年7月建成投入運行。

我國氫燃料電池技術(shù)水平與先進國家相比差距逐步加大，主要體現(xiàn)在：氫燃料電池總體上尚處于工程化開發(fā)階段，功率特性、冷啟動、可靠性等主要技術(shù)性指標與世界標桿產(chǎn)品相比還有很大差距；關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域所擁有的專利數(shù)目不少，但核心技術(shù)無幾；技術(shù)標準還未形成體系；成本居高不下；催化劑、雙極板等關(guān)鍵材料和高壓儲氫罐、空壓機、氫循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件基本不具備產(chǎn)業(yè)化能力。我國氫燃料電池備用電源和直供電源也僅有很少量的示范。

在氫燃料電池汽車方面，我國開發(fā)氫燃料電池汽車較早，1999年，清華大學(xué)就研制出中國第一輛氫燃料電池汽車。但是，我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)體系以大學(xué)為主，清華大學(xué)、同濟大學(xué)及大連化學(xué)物理研究所承擔了大量的研發(fā)工作；而燃料電池汽車的生產(chǎn)體系建設(shè)較為緩慢，只有上汽集團及字通集團參與相關(guān)的工作。更何況自2008年起，我國將新能源車的重點放在了純電池的電動車上，結(jié)果氫燃料電池汽車的研制技術(shù)水平不進反退。目前，我國氫燃料電池汽車已明顯落后于國際水平，也遠遠落后于氫燃料電池汽車起步晚于我國的韓國。所幸，我國燃料電池大客車尚有亮點，2016年下半年，首批量產(chǎn)的28輛氫燃料電池公交車將先后在佛山、云浮兩地投入示范運營；宇通公司最近也有建造百臺氫燃料電池大客車計劃。中車青島四方車輛廠和唐山車輛廠分別造出以氫燃料電池為動力的輕軌車頭，有望在2017年用于佛山輕軌。

我國氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后。前文已經(jīng)說明國外有很多加氫站建設(shè)、運營的成功案例，而截至2015年7月，我國僅有3座加氫站，分別位于北京、上海和鄭州，加注氫氣壓力只有35 MPa(國際上70 MPa為主流)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后將嚴重制約國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)的推廣和發(fā)展。

雖然國家不顧一切地全力發(fā)展純電池的電動車，但投入的巨額補貼也催生了觸目驚心的“騙補”行為。所幸，國內(nèi)不乏有遠見、有魄力的政府官員、科學(xué)家、企業(yè)家和投資家，都開始呼吁中央政府關(guān)注氫能與燃料電池。

據(jù)報道，在3月初結(jié)束的兩會上，李小琳代表的提案是《加快發(fā)展電轉(zhuǎn)氣(P2G)技術(shù)的建議》。提案指出，電轉(zhuǎn)氣(Power to Gas，P2G)技術(shù)是近年來興起的一種與清潔能源，特別是間歇式可再生能源發(fā)電緊密結(jié)合的新型大規(guī)模工業(yè)化電解水制氫技術(shù)。提案還提出通過3種途徑將電能以氫氣的方式存儲起來，并提出具體實施辦法。

2016年3月23-24日，世界氣候組織等機構(gòu)在北京舉辦了“2016全球清潔技術(shù)峰會”，國務(wù)院參事、科技部原副部長劉燕華在會上以《可持續(xù)發(fā)展的能源出路》為題作主題演講，演講中談及中國能源轉(zhuǎn)型問題，指出交通運輸行業(yè)“綠色出行”的轉(zhuǎn)型應(yīng)該是從“電力”向“氫燃料”發(fā)展。

中國工程院原副院長杜祥琬院士于近日接受記者采訪時表示：“除了儲能以外，還可進行可再生能源峰值利用。當可再生能源無法上網(wǎng)時，為避免浪費，當發(fā)電量達到峰值時，利用這部分能量去電解水，或者進行海水淡化。電解水可制氫，氫又可成為能量載體被利用。”

廣東佛山和江蘇如皋都在積極推動以氫燃料電池大客車為代表的氫產(chǎn)業(yè)鏈，均有一定進展。

4　我國氫能與燃料電池進步緩慢的問題所在

我國氫能與燃料電池進步緩慢的原因很多，國內(nèi)專家已經(jīng)多有論述。筆者個人認為主要原因在于我國迄今為止無氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計，氫能與燃料電池未得到應(yīng)有的地位。世界各國如日本、美國、德國等國均有氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃及技術(shù)路線圖，并統(tǒng)籌考慮氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須配套的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)；推行政府與私人的共建合作模式，政府給予氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各種優(yōu)惠、補助措施及政策上的扶持等，對氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展方向、重點應(yīng)用領(lǐng)域等重點進行了研究；形成了一個發(fā)展規(guī)劃、一個技術(shù)路線圖、一盤棋的頂層設(shè)計。我國則無氫能路線圖，發(fā)展自由行，無方向，行動如一盤散沙。

筆者認為，我國氫燃料電池攻關(guān)主體錯位也是我國氫能與燃料電池進步緩慢的重要原因。到今天，世界燃料電池已經(jīng)以企業(yè)作為經(jīng)營主體，向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展；而我國仍然以高等院校和科研單位為主力，企業(yè)不參與或者做陪襯。導(dǎo)致的后果是關(guān)鍵技術(shù)與生產(chǎn)需求脫節(jié)，政府投入資金不少，可實際結(jié)果乏善可陳。

筆者還認為，國內(nèi)對基本無污染、但價格仍較高的可再生能源制氫沒有補貼政策，使得棄風(fēng)、棄光、棄水比例逐年變大。政府如何確保穩(wěn)定的、價格可競爭的清潔氫氣供應(yīng)，將成為推動氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵，也是政府的責(zé)任所在。

目前，國際氫能與燃料電池升溫，產(chǎn)業(yè)化進展令人驚喜，我國氫能則是蓄勢待發(fā)。春江水暖鴨先知，我國一批對氫能與燃料電池有遠見的政府官員、企業(yè)家、投資家已經(jīng)開始動作。由此我深信，我國的氫能與燃料電池發(fā)展也將很快爆發(fā)。

2016-04-08

毛宗強(1947—)，男，教授，主要從事氫能及燃料電池方面的研究。maozq@tsinghua.edu.cn