美國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及啟示

趙學(xué)良

（中國石油化工集團有限公司發(fā)展計劃部，北京 100728）

1 美國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)概況

美國能源局從1970年就開始布局燃料電池研發(fā)，并一直處于世界領(lǐng)先地位。燃料電池備用電源和燃料電池叉車已具備市場競爭力，處于商業(yè)推廣階段；燃料電池乘用車處于政府補貼商業(yè)推廣階段；燃料電池巴士、大型貨車、商用車處于行車實驗驗證階段。2018年美國被評為國際氫能經(jīng)濟和燃料電池伙伴計劃IPHE（International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy，為2003年由18個國家和歐盟共同發(fā)起成立的國際合作組織）主席國。

美國參議院決議確定2018年10月8日為美國國家氫能與燃料電池第四個紀念日，“參議院第664號決議”給出如下13點理由：

1）氫原子質(zhì)量為1.008，而且是宇宙中含量最豐富的化學(xué)物質(zhì)；

2）美國是燃料電池和氫能技術(shù)開發(fā)和部署的世界領(lǐng)先者；

3）氫燃料電池在美國太空計劃中發(fā)揮了重要作用，幫助美國完成了登陸月球的任務(wù)；

4）私營企業(yè)、聯(lián)邦和州政府、國家實驗室以及高等教育機構(gòu)持續(xù)提高燃料電池和氫能技術(shù)，以解決美國最迫切的能源、環(huán)境和經(jīng)濟問題；

5）利用氫和富氫燃料發(fā)電的燃料電池是清潔、高效的技術(shù)，被用于固定電源和備用電源、以及零排放輕型汽車、公共汽車、工業(yè)車輛和便攜式電源；

6）固定式燃料電池正投入到連續(xù)和備用電源的使用中，以便在電網(wǎng)停電時為商業(yè)和能源消費者提供可靠的電力；

7）與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比，固定式燃料電池有助于減少用水量；

8）燃料電池輕型汽車和使用氫氣的公共汽車可以完全復(fù)制內(nèi)燃機車的經(jīng)驗，包括行駛里程和加油時間；

9）氫燃料電池工業(yè)車輛正在美國各地的物流中心和倉庫部署，并出口到歐洲和亞洲；

10）氫氣是一種無毒氣體，可以從各種國內(nèi)可獲得的傳統(tǒng)和可再生資源中獲取，包括太陽能、風(fēng)能、沼氣以及美國豐富的天然氣；

11）氫和燃料電池可以儲存能量以幫助增強電網(wǎng)，并使可再生能源的部署機會最大化；

12）美國每年生產(chǎn)和使用超過1 100萬噸的氫氣；

13）工程和安全人員及標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)人員就氫氣的交付、處理和使用已經(jīng)達成共識，并已制定出相關(guān)協(xié)議。

2 美國發(fā)展氫能及燃料電池的初衷

美國參議院決議的理由充分說明，從國家層面而言，發(fā)展氫能及燃料電池具有降低二氧化碳排放、減少空氣污染等清潔環(huán)保層面的意義，同時還具有降低燃油消耗、提高可再生能源利用率及電網(wǎng)可靠性等增加能源自給率、保障國家能源安全的優(yōu)點。2014年美國發(fā)布《全面能源戰(zhàn)略》，將“發(fā)展低碳技術(shù)、為清潔能源奠基”作為放眼長遠的戰(zhàn)略支點，并明確提出，氫能作為替代性能源將在交通業(yè)轉(zhuǎn)型中起到引領(lǐng)作用。

2.1 減少溫室氣體排放

由于氫燃料電池具有高效率和溫室氣體近零排放的特性，燃料電池系統(tǒng)能夠在很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)溫室氣體減排。美國能源部研究了燃料電池的溫室氣體減排潛力。燃料電池應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)時，相比傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可減少35%～50%的排放；燃料電池貨車相比燃油貨車可減少55%～90%的排放；燃料電池叉車相比柴油叉車或動力電池叉車可減少35%的排放；燃料電池巴士比內(nèi)燃機巴士效率高40%；燃料電池備用電源相比柴油發(fā)電機可減少60%的排放[1]。

美國能源部對比測算了不同能源介質(zhì)運輸工具的油井到車輪（WTW）溫室氣體排放情況。天然氣制氫－氫燃料電池路線每英里排放二氧化碳200克，低于美國現(xiàn)有電網(wǎng)取電－電動汽車路線230克和傳統(tǒng)燃油車450克的排放標(biāo)準(zhǔn)。配有二氧化碳封存的煤氣化制氫－氫燃料電池路線每英里排放二氧化碳95克，生物質(zhì)氣化制氫－氫燃料電池路線每英里排放二氧化碳僅37克。

2.2 減少燃油消耗

燃料電池提供了一種幾乎不消耗石油的提供動力方式，且可覆蓋美國大部分的石油消耗，如汽車、巴士、備用發(fā)電機和輔助發(fā)電機等。美國能源部的研究結(jié)果表明，氫燃料電池輕型汽車相比汽油內(nèi)燃機汽車可降低95%的燃油消耗，相比混合動力車可降低85%的燃油消耗，相比插電式混合動力車可降低80%的燃油消耗[1]。可以看出，相較大規(guī)模使用生物燃料、提高內(nèi)燃機效率（ICEV包括使用混合動力汽車），燃料電池車大規(guī)模應(yīng)用后可以大幅減少國家的石油消費，到2050年燃油消耗量將降到目前的40%左右[2]。

2.3 提高電網(wǎng)可靠性、最大程度部署可再生能源

美國能源部預(yù)估光伏和風(fēng)電的建設(shè)成本將大幅下降，“太陽計劃2030”（SUNSHOT 2030）設(shè)定的目標(biāo)是2030年光伏電站成本為3美分/千瓦時，2018年美國陸上風(fēng)電成本已低至2.9美分/千瓦時。光伏和風(fēng)電將得到迅速普及，預(yù)計到2050年風(fēng)能裝機容量將達到404吉瓦，裝機容量占總?cè)萘康?5%；光伏裝機容量將達到632吉瓦，發(fā)電量占總發(fā)電量的19%。

根據(jù)國際能源署發(fā)布的研究報告《Getting Wind and Sun onto the Grid》，當(dāng)電網(wǎng)中間歇性可再生能源（以風(fēng)電、光伏為主）的比例超過15%時，就必須配置相應(yīng)的儲能設(shè)施。另外由于可再生能源的生產(chǎn)水平在不同時間段、不同季節(jié)之間存在顯著差異，例如歐洲的太陽能發(fā)電在冬季比夏季低60%左右，但電力需求卻增加40%，也需要配置大規(guī)模、長時間的儲能設(shè)施才能提高可再生能源的利用小時數(shù)，減少“棄風(fēng)”“棄光”。

2.4 高能源轉(zhuǎn)化效率

燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，效率非常高且不需要燃燒。氫燃料電池汽車的能量轉(zhuǎn)化效率約60%，大約是汽油內(nèi)燃機的兩倍[4]。燃料電池用于固定電源，用天然氣或丙烷發(fā)電效率大致為45%；如果將透平系統(tǒng)與高溫燃料電池組合，發(fā)電效率可達到70%，結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效率可達80%，相比傳統(tǒng)煤電、天然氣發(fā)電45%～50%的綜合效率提高35%～40%[1]。

2.5 降低污染物排放

美國能源部的研究課題表明[5]，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)比燃煤、燃氣發(fā)電系統(tǒng)少排放75%～90%的氮氧化物、75%～80%的顆粒物（PM）。

2.6 H2@Scale計劃

H2@Scale是美國能源部（DOE）的一項倡議，將利益相關(guān)者聚集在一起，促進可負擔(dān)得起的氫氣生產(chǎn)、運輸、儲存和利用，增加多個能源部門的收入。通過政府資助將國家實驗室和工業(yè)界以項目形式整合在一起共同合作，以加快適用氫技術(shù)的早期研究、開發(fā)和示范。H2@Scale聯(lián)盟促進了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界合作，利用國家實驗室世界級的研發(fā)能力，依賴私營部門進行至關(guān)重要的示范。通過示范使尖端技術(shù)集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中、驗證未來部署的商業(yè)可行性，并指導(dǎo)未來的研發(fā)計劃。

美國目前生產(chǎn)超過1 100萬噸氫氣，占全球供應(yīng)量的1/6，主要用于煉油和化肥工業(yè)。大型基礎(chǔ)設(shè)施包括超過1 600英里的氫氣管道、不斷增長的加氫站和數(shù)千噸的地下儲存洞穴。H2@Scale計劃中氫能的地位與日本的氫能戰(zhàn)略類似，把氫能作為一種重要的二次能源，氫能與電能之間可以相互轉(zhuǎn)化。通過利用電解槽在發(fā)電量超過負荷時生產(chǎn)氫氣，可以減少可再生能源的浪費，并有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定。從現(xiàn)有基本負荷（如核能）中產(chǎn)生的氫氣也可以儲存、分配，并用作多種用途的燃料。這些應(yīng)用包括運輸、固定動力、工藝或建筑用熱，以及工業(yè)部門，如鋼鐵制造、氨生產(chǎn)和石油煉制。

3 燃料電池商業(yè)化推廣現(xiàn)狀

截至2017年，在世界范圍內(nèi)共有超過70 000臺、共計650兆瓦燃料電池處于商業(yè)運行狀態(tài)，其中移動領(lǐng)域應(yīng)用占比接近70%，非移動領(lǐng)域應(yīng)用占比30%，相關(guān)營收超過20億美元。

截至2018年10月，美國共出售或者租賃超過6 200輛燃料電池乘用車，包括豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代Tucson；建成39個加氫站；商業(yè)應(yīng)用超過23 000輛燃料電池叉車；商業(yè)化普及超過240兆瓦燃料電池備用電源，遍及美國40個州；FedEx、UPS在試用燃料電池快遞車；多家公司試驗運行共33輛燃料電池巴士，其中最長行駛里程已經(jīng)超過50萬公里。

5d 1H NMR(CDCl3) δ:7.83-7.81(m,1 H),7.32-7.25(m,2 H),7.27-7.23(m,3 H),7.10(s,1 H),3.76(s,3 H),2.37(s,6 H).

3.1 燃料電池備用電源應(yīng)用現(xiàn)狀

截至2017年底，據(jù)美國DOE統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全美共銷售8 400套燃料電池備用電源，其中900套獲得美國DOE經(jīng)費支持，其他7 500套未獲支持[6]。燃料電池將天然氣轉(zhuǎn)換成電能供大型超市、數(shù)據(jù)中心、生產(chǎn)企業(yè)及其他工商設(shè)施使用，能源轉(zhuǎn)化效率從傳統(tǒng)發(fā)電的30%～40%提高到60%～65%，加上熱能利用可達90%，極大地減少了污染物排放，同時還減排二氧化碳。相較美國某些州的電網(wǎng)供電電費，使用燃料電池供電可節(jié)省一部分費用。

Bloom Energy是美國燃料電池發(fā)電的領(lǐng)軍企業(yè)，其燃料電池成本2016年第一季度為5 086美元/千瓦時，2018年第一季度降至3 855美元/千瓦時；而其安裝成本也從同期的1 280美元/千瓦時降至526美元/千瓦時。

家得寶2014年在加利福尼亞試用安裝第一套200千瓦的燃料電池備用電源。驗證了其經(jīng)濟性后，到2016年底為其140家連鎖超市都安裝了燃料電池系統(tǒng)，并準(zhǔn)備將全部170家店都安裝上燃料電池備用電源。家得寶的首席財務(wù)官Carol Tome曾披露：“使用燃料電池發(fā)電比從電網(wǎng)取電節(jié)省15%～20%的費用，同時減排大量二氧化碳?！?/p>

沃爾瑪在加利福尼亞、新澤西的60家超市安裝了燃料電池備用電源，用電規(guī)模按其單店用電量40%～60%確定，保障在電網(wǎng)斷電時冷柜、照明系統(tǒng)、收款機可繼續(xù)工作，不至于致使食物腐敗，并在惡劣天氣情況下繼續(xù)為顧客服務(wù)，且使用燃料電池供電價格低于從電網(wǎng)取電價格。

Johnson&Johnson于2015年安裝了1臺500千瓦Bloom Energy燃料電池電源，經(jīng)其測算20年的運轉(zhuǎn)周期將總共節(jié)省1 000萬美元的費用，每年減排130萬磅二氧化碳；Medtronic公司的報告顯示，其安裝的400千瓦燃料電池電源每年可節(jié)省電費230萬美元，每年減排100萬磅二氧化碳；Ratkovich公司的報告顯示，其安裝的500千瓦燃料電池電源每年可節(jié)省電費20萬美元；Juniper Networks公司的報告顯示，其安裝的1兆瓦燃料電池電源配合300千瓦太陽能電池每年可節(jié)省電費12萬美元，每年減排270萬磅二氧化碳。

3.2 燃料電池叉車推廣情況

據(jù)美國能源部2016年5月統(tǒng)計顯示，2008年美國氫燃料電池叉車數(shù)量在500輛左右，到2016年，美國26個州的氫燃料電池叉車數(shù)量已經(jīng)超過11 000輛，年復(fù)合增速高達56%。而截至2017年底，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示全美共銷售21 838臺燃料電池叉車，其中713臺獲得美國DOE經(jīng)費支持，其他21 125臺并未獲得DOE經(jīng)費支持。713臺燃料電池叉車共獲得DOE 970萬美元經(jīng)費支持。

目前在美國使用燃料電池叉車的公司包括但不限于亞馬遜、宜家、寶馬、可口可樂、奔馳、尼桑、聯(lián)邦快遞及一批食品公司，僅沃爾瑪在其北美的19個配送中心就配備了3 000輛燃料電池叉車。Plug Power、Nuvera Fuel Cells和Oorja Protonics，Hydrogenics及H2Logic提供了絕大多數(shù)的燃料電池叉車[6]。

亞馬遜在2014年采購了535輛氫燃料電池叉車，在證明其成本效益的合理性后，于2017年4月收購了美國燃料電池制造商Plug Power23%的股權(quán)。除此之外，亞馬遜為其11個大型倉庫配備氫燃料電池叉車[6]。2021年1月，電池巨頭SK集團與旗下天然氣子公司SK E＆S各出資8 000億韓元，共約合13億美元，收購Plug Power 9.9%的股份。短短幾年間Plug Power公司市值升值50倍。

相較內(nèi)燃機叉車，氫燃料電池叉車沒有任何污染物排放，因此廣受食品工業(yè)青睞，更多被用于室內(nèi)作業(yè)。相較電池叉車，氫燃料電池叉車可節(jié)省充電的時間和空間，并在整個輪班期間全功率運行，在冷藏倉庫環(huán)境中運行時不會出現(xiàn)任何電壓驟降的情況，從而提高運營效率和節(jié)省成本。

美國國家實驗室（NREL）對動力電池叉車和燃料電池叉車的總運行成本進行了評估[7]，包括電池和燃料電池系統(tǒng)的購置成本、支持基礎(chǔ)設(shè)施的成本、維護成本、倉庫空間成本和勞動力成本。考慮到所有這些成本，NREL發(fā)現(xiàn)燃料電池叉車的總體擁有成本比同類動力電池叉車要低。燃料電池叉車的樣本約60臺，每天工作2～3班，每周6～7天。NREL發(fā)現(xiàn)，對于用于多班作業(yè)的Ⅰ類和Ⅱ類叉車，燃料電池可將總體擁有成本降低10%，從每輛叉車每年19 700美元降至每輛叉車每年17 800美元。三級叉車的擁有成本可降低5%，從每年12 400美元降至每年11 700美元。NREL的評估僅限于考慮電池和燃料電池叉車的擁有和運行成本，未評估燃料電池叉車提高生產(chǎn)力的潛在效益。

通過NRTL的敏感性分析，只要燃料電池叉車車隊的數(shù)量足夠大（敏感性分析中燃料電池叉車臺數(shù)為30～100臺）、多班次工作，燃料電池叉車的總操作費用會低于動力電池叉車。PLUG POWER公司測算，對于擁有超過90輛二級叉車的客戶，5年預(yù)計節(jié)省成本超過40萬美元。

PLUG POWER公司建設(shè)的加氫設(shè)施主要配合燃料電池叉車使用，建設(shè)在配送中心、工廠等廠房內(nèi)，加注壓力350千克，操作溫度0～40℃，加注1臺叉車耗時1分鐘，與美國、日本通常建設(shè)的車用加氫設(shè)施有所區(qū)別。

3.3 燃料電池乘用車及加氫站情況普及情況

美國的加氫站主要集中在加州地區(qū)和美國東北部地區(qū)，東北部地區(qū)項目由美國液化空氣集團和豐田公司推動和主導(dǎo)，加州地區(qū)參與建設(shè)加氫站的企業(yè)包括空氣產(chǎn)品公司、Shell、Linde、豐田、本田等公司。全美目前已投運加氫站39座，計劃到2025年建成200座，2030年建成1 000座。

截至2018年底，在美共銷售Mirai、Clarity、Tucson Fuel Cell SUV共計6 200輛。除豐田、本田、現(xiàn)代已有燃料電池車商業(yè)化推廣外，奔馳最新推出了GLC F-Cell燃料電池車，寶馬、奧迪、通用等企業(yè)也有燃料電池合作研發(fā)計劃。

3.4 燃料電池巴士試驗運行結(jié)果

DOE于2012年制定的2016年燃料電池巴士技術(shù)預(yù)期指標(biāo)及終極目標(biāo)見表1[8]。33輛試驗運行的燃料電池巴士中，AC Transit公司的13輛由UTC POWER公司提供燃料電池系統(tǒng)，Sunline、UCI、OTCA、MBTA、SARTA公司的12輛由Ballard公司提供燃料電池系統(tǒng)。根據(jù)統(tǒng)計[9]，截至2018年2月28日，最好的1輛車運行總時長超過27 330小時，超過DOE終極目標(biāo)；12輛AC Transit運營車輛平均運行時長19 000小時，達到了2016年預(yù)期目標(biāo)值。AC Transit公司車輛從2006年開始逐步投入試驗，試驗結(jié)果基本達到預(yù)期；Sunline、UCI、OTCA、MBTA、SARTA等公司從2015年逐步投入車輛試驗運行，周期較短，未達到驗證燃料電池壽命的時限。

表1 美國燃料電池巴士技術(shù)指標(biāo)及目標(biāo)匯總表

3.5 燃料電池貨車及商用車測試情況

豐田2017年推出第一代燃料電池卡車Alpha，在長灘和洛杉磯港口進行了近1萬英里的測試和拖曳操作；2018年8月推出了第二代燃料電池卡車Beta，續(xù)航增加50%。Kenworth、Scania、Asko等傳統(tǒng)卡車制造商在DOE、挪威政府科研資助下開展了氫燃料電池卡車的研發(fā)。PowerCell是一家低溫質(zhì)子交換膜電堆開發(fā)、制造及零售商，開發(fā)和生產(chǎn)世界頂級能量密度的固定和移動應(yīng)用的燃料電堆，開發(fā)的100千瓦S3燃料電池供歐洲運輸企業(yè)制造燃料電池卡車。Nikola為美國電動汽車制造商，宣稱其制造的燃料電池卡車2020年正式上路測試，2022年正式上市銷售，單價40萬美元；通過其官方推特宣稱已獲得80億美元的預(yù)訂單，并計劃與挪威Nel Hydrogen公司合作，2018年開始在全美陸續(xù)建設(shè)364個加氫站，并在2019年末陸續(xù)向公眾開放，到2028年將累計達到700座。FedEx和UPS都在DOE的資助下開展燃料電池快遞車輛運行試驗。

4 結(jié)論

1）美國高度重視氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，視氫能為未來不可或缺的、僅次于電能的重要二次能源，在未來的工業(yè)、交通運輸、電網(wǎng)儲能、供熱發(fā)電等領(lǐng)域都將占有相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

2）美國在燃料電池領(lǐng)域開展了長期、深入、全面的技術(shù)研發(fā)以及工業(yè)驗證實驗。美國從20世紀70年代就開展了氫能相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，在制氫、儲氫、輸氫、燃料電池、儲能、相關(guān)安全環(huán)保事項、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域技術(shù)儲備雄厚。在燃料電池發(fā)電、燃料電池叉車、燃料電池商用車、燃料電池巴士、燃料電池載重貨車等領(lǐng)域進行了長期的工業(yè)驗證實驗。

3）美國商業(yè)化推廣燃料電池態(tài)度是積極的，方式是慎重而穩(wěn)妥的。在有充分的技術(shù)儲備后，美國政府僅利用少量的補貼進行了市場引導(dǎo)用于商業(yè)初期驗證實驗，實踐證明這部分技術(shù)已經(jīng)具備市場競爭力，有望看到未來美國在燃料電池領(lǐng)域取得更長足的進步，獲得更多更廣泛的應(yīng)用。

4）燃料電池技術(shù)是保障國家能源安全重要的技術(shù)手段。氫能可有效整合多種化石能源和可再生能源，加大可再生能源部署、提高能源自給率、有效降低原油消耗，為社會提供一種環(huán)保、高效的能源，對保障國家能源安全具有重要意義。

5）氫能是可以安全部署和利用的。幾萬臺氫燃料電池叉車十幾年的安全運行經(jīng)驗，十幾臺氫燃料電池巴士上百萬公里的運行試驗，證明了氫氣是可以被安全、高效利用的。

6）固定地點或固定線路、高運營負荷的的燃料電池應(yīng)用場景更適用于氫能產(chǎn)業(yè)的初步推廣。對比美國和日本的實踐，美國的模式是1個加氫站服務(wù)1個物流中心數(shù)十臺、數(shù)百臺燃料電池叉車，制氫售氫企業(yè)和燃料電池用戶的初始投資不高，而數(shù)十臺滿負荷運行的燃料電池叉車就可以平衡1個35兆帕加氫站的投資收益，制氫售氫企業(yè)和燃料電池應(yīng)用企業(yè)的投資回報合理，產(chǎn)品在沒有補貼的情況下得到迅速推廣；而日本在本州島大量建設(shè)加氫站，由于初期氫燃料電池乘用車售價較高、數(shù)量不足，平均每個站1天只服務(wù)幾臺車，制氫售氫企業(yè)處于全面虧損狀態(tài)，同時由于加氫站的密度不夠、使用不便，用戶沒有經(jīng)濟收益，一般用戶也不愿意選擇氫燃料電池乘用車替代燃油乘用車。燃料電池乘用車的繼續(xù)推廣需要制氫售氫企業(yè)堅定戰(zhàn)略方向，等待燃料電池成本下降，燃料電池乘用車得到普及。