殷伊琳

(天津渤海化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，天津 300000)

氫能是低碳環(huán)保、清潔安全，綠色高效、安全可控、應(yīng)用廣泛的新型二次能源[1]，除了可以利用鋼鐵、氯堿、冶金等工業(yè)副產(chǎn)制氫外，最廣泛地還是通過化石能源重整、生物質(zhì)熱裂解和微生物發(fā)酵制取以及可再生能源發(fā)電再電解水等方式來生產(chǎn)[2]。

迫于全球氣候壓力，世界各國加快了低碳、綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展腳步，氫能全球經(jīng)濟(jì)布局已經(jīng)開展，世界各國對氫能的發(fā)展已達(dá)成初步共識，并相應(yīng)出臺激勵政策支持氫能發(fā)展[3]。

2017年，國際氫能委員會(The Hydrogen Council)發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢調(diào)研報告》預(yù)測：2030年全球氫能將大規(guī)模被利用；2040年全球終端能源消費(fèi)量的18%將由氫能承擔(dān)；2050年氫能需求量為目前10倍，其消耗量占能源消耗約20%，其利用可以貢獻(xiàn)全球二氧化碳減排量的20%，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值2.5萬億美元。此外，法國液化空氣集團(tuán)、梅塞爾、殼牌等公司認(rèn)為，全球氫氣需求量年均增長率2020—2050年為23%～35%[4]。

氫能作為國內(nèi)外新能源關(guān)注的熱點(diǎn)，受到了能源、汽車、金融等公司的青睞。作為世界范圍內(nèi)產(chǎn)氫第一大國，我國年產(chǎn)氫量2 500萬t/a[5]，2020年4月11日，通過國家能源局發(fā)布的《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》，氫能被正式納入到新能源產(chǎn)業(yè)[6]。

本論文總結(jié)了氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游、中、下游的發(fā)展現(xiàn)狀，及其在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并對比了各國的進(jìn)展，提出了展望。

1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游發(fā)展現(xiàn)狀

氫能產(chǎn)業(yè)鏈總體可分為上游制氫，重油儲運(yùn)氫及加氫站，如圖1所示。

圖1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈Fig.1 The industrial chain of hydrogen energy

1.1 制氫技術(shù)

國內(nèi)外制氫技術(shù)主要分為以天然氣、石油、煤炭為代表的化石燃料制氫；以甲醇、氨為代表的高溫分解制氫；以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)提純制氫和以電解水制氫為代表的四種技術(shù)路線[7]。目前全球氫能每年總產(chǎn)量約5 500萬t，其50%來自天然氣重組，30%來自重油重整，18%來自煤氣化[8]。從制氫技術(shù)已發(fā)表的專利中可見，我國制氫主要以化石燃料制氫為主，約占我國制氫產(chǎn)能的96%左右[9]，而國外大多以天然氣重整制氫為主。

發(fā)達(dá)國家更加重視“綠色”制氫模式的研發(fā)，如：美國最新的生物質(zhì)氣化制氫和聚合物電解質(zhì)膜電解水制氫成本降為天然氣重整制氫的40%～50%左右；日本人工光合制氫技術(shù)效率已達(dá)到7%左右[10]。

我國的氫能市場還處于發(fā)展初期，擁有龐大規(guī)模的原料氣體及工業(yè)氣體生產(chǎn)和使用，基礎(chǔ)制氫工業(yè)表現(xiàn)良好?；剂现茪渲械拿褐茪涑杀炯s為天然氣制氫的70%～80%，是我國目前成本較低且技術(shù)成熟的制氫方式。其缺點(diǎn)為：排放量高，氣體雜質(zhì)多。以甲醇重整制氫為代表的高溫分解制氫技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于電子、冶金、食品和小型石化行業(yè)；與化石燃料制氫相比，其具有能耗低、無環(huán)境污染，投資費(fèi)用低、流程短等特點(diǎn)。工業(yè)副產(chǎn)制氫充分利用我國氯堿工業(yè)、焦?fàn)t尾氣等資源，采用變壓吸附技術(shù)，具有較高的成本優(yōu)勢，為節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。電解法制氫也是目前應(yīng)用較為廣泛的成熟技術(shù)之一，其工藝過程簡單、無污染，但因消耗電量大、制氫規(guī)模小等特點(diǎn)發(fā)展受到限制，制氫量僅占4%。此外，我國目前還有生物質(zhì)直接制氫和光解水制氫技術(shù)尚在實(shí)驗(yàn)、開發(fā)階段。

1.2 儲運(yùn)

1.2.1 儲存

高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和固態(tài)合金儲氫是目前廣泛應(yīng)用氫氣儲存的3種形式。其中，最廣泛應(yīng)用的是高壓氣態(tài)儲氫形式，主要應(yīng)用于燃料電池汽車領(lǐng)域，國內(nèi)目前已研發(fā)出一種抑暴抗暴、缺陷分散、運(yùn)行狀態(tài)可在線監(jiān)測的多層高壓儲氫罐。低溫液態(tài)儲氫主要在航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用，其對于交通工具內(nèi)燃機(jī)和燃料電池應(yīng)用前景看好，但由于深冷液化過程困難、絕熱性能要求苛刻等，造成其設(shè)計(jì)制造和選材成本高昂等缺點(diǎn)。固態(tài)儲氫的優(yōu)點(diǎn)是加氫站無需高壓設(shè)備，投入少，對部件要求低，但存在儲氫密度低、吸脫溫度高、速率慢及合金自身成本高等缺點(diǎn)。

1.2.2 運(yùn)輸

氫的運(yùn)輸按其形態(tài)分為高壓氣態(tài)運(yùn)輸、低溫液態(tài)運(yùn)輸、固體運(yùn)輸和有機(jī)液體儲運(yùn)。我國氫能儲運(yùn)以長管拖車運(yùn)輸高壓氣態(tài)氫為主，以低溫液態(tài)氫、管道運(yùn)輸方式為輔。目前中國氫氣管網(wǎng)建設(shè)也在加速布局當(dāng)中，近年來氫氣長輸管道最具代表性的為：中國石化巴陵石化——長嶺煉化42 km氫氣長輸管線，于2014年5月建成；河南濟(jì)源市工業(yè)園區(qū)——洛陽市吉利區(qū)24 km氫氣長輸管線，2017年6月建成。另外在世界各國共鋪設(shè)輸氫管道4 284 km，其中美國2 400 km，歐洲1 500 km[14]。而法國和比利時之間長度400 km的氫氣管道是目前世界最長的一條管道[15]。

不同運(yùn)氫方式的技術(shù)比較詳見表1?？梢钥闯觯簹錃鈿鈶B(tài)運(yùn)輸方式應(yīng)用高度依賴基礎(chǔ)設(shè)施的搭建，并且在儲運(yùn)過程中存在一定安全隱患；而固態(tài)、液態(tài)運(yùn)輸方式目前投入應(yīng)用較少，尚處于研發(fā)階段。

1.3 加氫站

加氫的基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池車應(yīng)用的重要保障，也是氫能發(fā)展利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過氫氣壓縮機(jī)增壓的氫氣存儲于高壓儲氫罐，再通過氫氣加注機(jī)為氫燃料電池加注氫氣。乘用車在商業(yè)運(yùn)行中氫氣加注時間在3～5 min之間。國內(nèi)加氫站的建設(shè)成本較高，其中設(shè)備成本占到70%左右，單個加氫站投資成本在1 000萬元以上，大幅高于傳統(tǒng)加油站的建設(shè)成本，且設(shè)備的運(yùn)營與維護(hù)、人工費(fèi)用等都使得加注氫氣的成本較高，在13～18元/kg左右。隨著氫氣加注量的不斷增加以及同加油站、加氣站的合建，單位氫氣的加注成本將呈現(xiàn)下降趨勢。同時，加氫設(shè)備亟需國產(chǎn)化，由目前核心設(shè)備依賴進(jìn)口走向自主研發(fā)和量產(chǎn)化，將有力推動氫能源使用成本的下降及其普及。

表1 不同運(yùn)氫方式的技術(shù)比較Table 1 Comparison of different way to transfer hydrogen energy

2 燃料電池

2.1 燃料電池種類

在當(dāng)前的商業(yè)應(yīng)用中，燃料電池是實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)模普及的重要途徑，質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池是3種主流的燃料電池技術(shù)路線。

質(zhì)子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、比功率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于交通和固定式電源領(lǐng)域，成為現(xiàn)階段國內(nèi)外主流的應(yīng)用技術(shù)。國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈還未實(shí)現(xiàn)全面布局，核心零部件技術(shù)仍有待突破。質(zhì)子交換膜燃料電池使用鉑及其合金作為催化劑[11]，其高昂的成本制約燃料電池的規(guī)模量產(chǎn)和商業(yè)化推廣，在我國尚處實(shí)驗(yàn)研究階段。核心零件質(zhì)子交換膜對性能要求高，開發(fā)生產(chǎn)難度大，現(xiàn)階段主流產(chǎn)品多為美國、日本制造。氣體擴(kuò)散層極大影響燃料電池成本和性能，主流生產(chǎn)企業(yè)分布于日本、加拿大、德國等。金屬雙極板和電堆等其他部件已在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)多企業(yè)布局[12]。

質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池是我國燃料電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化比較集中的兩類。雖然我國目前燃料電池電堆與關(guān)鍵材料、動力系統(tǒng)與核心部件部分技術(shù)指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，但仍有許多核心技術(shù)指標(biāo)較為落后且工程化、產(chǎn)業(yè)化水平低，與日本、韓國等技術(shù)相對成熟的國家存在一定差距。

2.2 燃料電池的應(yīng)用

燃料電池目前在交通領(lǐng)域的應(yīng)用最具潛力，另外在儲能、軍事等領(lǐng)域也有應(yīng)用 (見圖2)。氫燃料電池車輛的研發(fā)已在日美韓等國廣泛開展并投入市場，美國燃料電池汽車擁有量占世界50%，單燃料電池物流車就擁有25 000輛[13]；日本的豐田、本田,韓國的現(xiàn)代等著名車企都推出了各自的燃料電池汽車。由于氫能在我國工業(yè)化起步較晚，整體水平尚與發(fā)達(dá)國家存在差距，所以中國的氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)同樣處于起步階段，市場化程度較低，一些關(guān)鍵零部件和材料仍依賴進(jìn)口。而一些氫能源技術(shù)較發(fā)達(dá)國家雖然氫燃料電池汽車市場化程度較高，但受采購量限制，應(yīng)用程度普遍較低。

目前，燃料電池商用車為主要產(chǎn)業(yè)化方向，較乘用車應(yīng)用優(yōu)勢明顯。燃料電池商用車由于對空間要求低，對質(zhì)量能量密度要求高，是更適用氫燃料電池的重要發(fā)展方向。在燃料電池商用車領(lǐng)域，公交車、輕型和中型卡車一直處于應(yīng)用前沿。目前國內(nèi)燃料電池汽車發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)化方向也集中在商用車領(lǐng)域，我國在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)在特定地區(qū)公共服務(wù)領(lǐng)域小規(guī)模示范應(yīng)用燃料電池汽車5 000輛；2025年在城市私人用車、公共服務(wù)用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大批量應(yīng)用，達(dá)到5萬輛規(guī)模；2030年在私人乘用車、大型商用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商用化推廣，達(dá)到百萬輛規(guī)模。未來規(guī)?；型档统杀荆逃密囘^渡到乘用車將打開萬億級市場空間。

圖2 中國氫能源產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用主要產(chǎn)業(yè)公司Fig.2 The main downstream industry of hydrogen energy in China

3 國內(nèi)外氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

3.1 中國

中國氫能源目前已基本具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，政府制定了一系列政策推動了行業(yè)的發(fā)展。如：2016年，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030年)》[14]，制定的“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”任務(wù)，對氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)在我國東南部省份的有很大推動作用。在該項(xiàng)任務(wù)的推動下，聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署于2016年將江蘇省如皋市命名為“中國氫經(jīng)濟(jì)示范城市”；國內(nèi)首個商業(yè)化運(yùn)營加氫站于2017年在廣東佛山面市；山東濟(jì)南“中國氫谷”項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)；2018年武漢出臺全國首個加氫站審批及監(jiān)管的地方性政策《武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))加氫站審批及管理辦法》。2019年，政府工作報告將“推進(jìn)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”寫入其中，中國開啟了氫能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用腳步，全國各地區(qū)也紛紛出臺相關(guān)政策鼓勵氫能及燃料電池的發(fā)展。此外，氫能領(lǐng)域的建設(shè)受到了國內(nèi)傳統(tǒng)大型能源企業(yè)的青睞。2018年2月，江蘇如皋商業(yè)加氫站的建成，標(biāo)志著中國氫能聯(lián)盟高調(diào)進(jìn)軍氫能產(chǎn)業(yè)[15]；同年10月，濰柴集團(tuán)與準(zhǔn)能集團(tuán)、氫能科技公司、低碳清潔能源研究院3家國家能源集團(tuán)下屬單位共同簽署了《200噸級以上氫能重載礦用卡車研發(fā)合作框架協(xié)議》[16]。2018年7月，為支持氫能和其他新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，專門成立了中國石化集團(tuán)資本有限公司[17]，確立10余座加氫站選址，在國內(nèi)開始?xì)錃獾闹啤?、運(yùn)、加整體戰(zhàn)略布局。2018年10月，中化能源國際氫能與燃料電池科技創(chuàng)新中心在江蘇省如皋市成立，中化集團(tuán)將氫做為公司新能源四大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，氫燃料電池研發(fā)和新能源業(yè)務(wù)加入到公司整體戰(zhàn)略，進(jìn)入攻堅(jiān)克難階段[18]。截至2010年11月，中國以建成加氫站88座，位居世界第2[19]。

目前我國在多年科技攻關(guān)的基礎(chǔ)上，已掌握了一批燃料電池與氫能基礎(chǔ)設(shè)施核心技術(shù)，具備一定的產(chǎn)業(yè)裝備及燃料電池整車的生產(chǎn)能力，燃料電池車已形成自主特色的電-電混合技術(shù)路線，國家為此相繼制定了86項(xiàng)臺國家標(biāo)準(zhǔn)以確保行業(yè)健康發(fā)展[20]。

3.2 美國

1970年，氫能及燃料電池被美國作為能源發(fā)展戰(zhàn)略。圍繞“氫經(jīng)濟(jì)”概念，美國政府先后出臺了相應(yīng)政策，如：《1970年氫研究、開發(fā)及示范法案》。20世紀(jì)末，標(biāo)志著氫能產(chǎn)業(yè)從設(shè)想階段轉(zhuǎn)入行動階段的政策《1990年氫氣研究、開發(fā)及示范法案》、《氫能前景法案》、2002年《國家氫能發(fā)展路線圖》等相繼出臺[21]。2004年《氫立場計(jì)劃》的發(fā)布，確認(rèn)了研發(fā)示范、市場轉(zhuǎn)化、基礎(chǔ)建設(shè)和市場擴(kuò)張、完成向氫能社會轉(zhuǎn)化等四個階段為該國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)階段[22]。2014年《全面能源戰(zhàn)略》，確定了交通轉(zhuǎn)型中氫能的引領(lǐng)作用[23]。2016年，加利福尼亞州投入3 300萬美元支持加氫站建設(shè)，啟動GFO-15-605項(xiàng)目；國會撥款1.49億美元支持氫能與燃料電池項(xiàng)目[24]。2017年，氫能和燃料電池項(xiàng)目獲得能源部1 580萬元支持[25]；2019年，美國能源部宣布了高達(dá)3 100萬美元的氫能源資助計(jì)劃，加州燃料電池聯(lián)盟提出了到2030年建設(shè)1 000座加氫站及達(dá)到100萬輛燃料電池車的目標(biāo)。近10年，美國政府給予氫能和燃料電池超過16億美元資金支持，積極制定相關(guān)財(cái)政支持標(biāo)準(zhǔn)和減免法規(guī)支持氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建立和氫燃料。截至2020年，美國計(jì)劃建成加氫站75座，2025年達(dá)到200座。

3.3 德國

德國目前擁有加氫站71個，氫能產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)施和應(yīng)用都很完善。2009年，德國政府計(jì)劃10年間投資3.5億元在德國境內(nèi)建設(shè)加氫站，并與法國液化空氣集團(tuán)、林德集團(tuán)、殼牌、道達(dá)爾等公司簽署H2Mobility項(xiàng)目合作備忘錄；到2015年，德國融資3.93億歐元支持氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展，其中55%用于氫生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)[1]；2016年，德國成立氫能交通公司，分階段建設(shè)氫能交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)[26]；此外，德國的1 MW 級氫能儲能系統(tǒng)配備了目前世界上最大的質(zhì)子交換膜電解池，該系統(tǒng)可將過剩的風(fēng)能電力高效的轉(zhuǎn)化為氫能，以氫氣作為能量載體可有效地避免風(fēng)能或太陽能這類可再生能源受氣候條件影響的因素。

3.4 日本

日本“終極環(huán)保車”的研究在氫能源研究領(lǐng)域成功引領(lǐng)了整體行業(yè)發(fā)展，占據(jù)了不可替代的位置。其氫能和燃料電池技術(shù)擁有專利數(shù)世界第一，這都要?dú)w功于日本氫能研究起步早、發(fā)展快，早早的在燃料電池和燃料電池車領(lǐng)域取得了很好的成績。此后，日本進(jìn)一步把氫能列為與電力和熱能并列的核心二次能源，力爭構(gòu)建為“氫能源社會”、“成為全球第1個實(shí)現(xiàn)氫能社會的國家”。日本政府為此規(guī)劃了實(shí)現(xiàn)氫能社會戰(zhàn)略的技術(shù)路線。日本還以東京奧運(yùn)會為契機(jī)打造氫能小鎮(zhèn)，推廣燃料電池車。截至2020年11月21日，日本累計(jì)建成146座加氫站，數(shù)量位居全球第1[18]，計(jì)劃2025年320座，2030年達(dá)到900座。燃料電池車計(jì)劃保有量2025年20萬輛，2030年80萬輛，2040年實(shí)現(xiàn)燃料電池車的普及。

4 中國未來氫能發(fā)展建議

縱觀全球氫能發(fā)展情況，各國已經(jīng)將能源轉(zhuǎn)型的首要戰(zhàn)略策略制定為新能源開發(fā)和利用。我國氫能發(fā)展歷程較世界發(fā)達(dá)國家起步晚，一些核心技術(shù)依賴進(jìn)口，整體產(chǎn)業(yè)水平較低，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系滯后，審批手續(xù)和法規(guī)不完善，這些都制約了氫能產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。根據(jù)我國目前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,情況筆者提出如下建議：1)統(tǒng)籌規(guī)劃氫能產(chǎn)業(yè)布局、加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)要根據(jù)最新的國際局勢，在各國新能源總體戰(zhàn)略為參考下，梳理出我國氫能產(chǎn)業(yè)所面臨的的困境和未來需要解決的問題。要重視我國目前產(chǎn)業(yè)整體水平與發(fā)達(dá)國家之間的差距。政府牽頭，明確將氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展納入到國家總體戰(zhàn)略，帶動地方企業(yè)和科研院所，研究未來氫能發(fā)展規(guī)劃的總體藍(lán)圖，制定產(chǎn)業(yè)政策，完善監(jiān)管部門職責(zé)，建立長期產(chǎn)業(yè)激勵政策，與研發(fā)能力強(qiáng)、有技術(shù)資源優(yōu)勢的企業(yè)合作推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2)攻克核心技術(shù)瓶頸、加快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。目前中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸是核心技術(shù)、零部件和設(shè)備長期依賴進(jìn)口。要解決這一問題，中國必須發(fā)展技術(shù)創(chuàng)新，集中上下游優(yōu)勢，在氫能儲運(yùn)裝備、燃料電池等關(guān)鍵部件上提高國產(chǎn)化水平。持續(xù)投資核心技術(shù)研發(fā)，組織專家學(xué)者加強(qiáng)與國際科技合作力度，全面提升整體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力，并以龍頭企業(yè)帶動產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。3)重視氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和下游多元化應(yīng)用氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。國家可將現(xiàn)有油氣基礎(chǔ)設(shè)施充分利用，搭建氫氣長輸管道，大力建設(shè)加氫站，推進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施，并注重氫氣儲運(yùn)環(huán)節(jié)中安全性和經(jīng)濟(jì)性的提高。另外，低碳經(jīng)濟(jì)的興起，氫氣未來應(yīng)用的四種場景，即：長期儲能、從藍(lán)氫到綠氫、大規(guī)模應(yīng)用、燃料電池交通工具[27]。我國可以根據(jù)未來長遠(yuǎn)目標(biāo)制定戰(zhàn)略布局，積極開發(fā)氫能下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用新領(lǐng)域。