我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

殷伊琳

(天津渤?；ぜ瘓F有限責任公司，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)濟布局已經(jīng)開展，世界各國對氫能的發(fā)展已達成初步共識，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量的18%將由氫能承擔；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、梅塞爾、殼牌等公司認為，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，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；以焦爐煤氣、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，投資費用低、流程短等特點。工業(yè)副產(chǎn)制氫充分利用我國氯堿工業(yè)、焦爐尾氣等資源，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。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)尚在實驗、開發(fā)階段。

1.2 儲運

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)計制造和選材成本高昂等缺點。固態(tài)儲氫的優(yōu)點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。

1.2.2 運輸

氫的運輸按其形態(tài)分為高壓氣態(tài)運輸、低溫液態(tài)運輸、固體運輸和有機液體儲運。我國氫能儲運以長管拖車運輸高壓氣態(tài)氫為主，以低溫液態(tài)氫、管道運輸方式為輔。目前中國氫氣管網(wǎng)建設(shè)也在加速布局當中，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]。

不同運氫方式的技術(shù)比較詳見表1?？梢钥闯觯簹錃鈿鈶B(tài)運輸方式應(yīng)用高度依賴基礎(chǔ)設(shè)施的搭建，并且在儲運過程中存在一定安全隱患；而固態(tài)、液態(tài)運輸方式目前投入應(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)過氫氣壓縮機增壓的氫氣存儲于高壓儲氫罐，再通過氫氣加注機為氫燃料電池加注氫氣。乘用車在商業(yè)運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)備的運營與維護、人工費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

在當前的商業(yè)應(yīng)用中，燃料電池是實現(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，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，在我國尚處實驗研究階段。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)指標接近國際先進水平，但仍有許多核心技術(shù)指標較為落后且工程化、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口。而一些氫能源技術(shù)較發(fā)達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》中計劃2020年實現(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，達到百萬輛規(guī)模。未來規(guī)模化有望降低成本，商用車過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。在該項任務(wù)的推動下，聯(lián)合國開發(fā)計劃署于2016年將江蘇省如皋市命名為“中國氫經(jīng)濟示范城市”；國內(nèi)首個商業(yè)化運營加氫站于2017年在廣東佛山面市；山東濟南“中國氫谷”項目計劃建設(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，標志著中國氫能聯(lián)盟高調(diào)進軍氫能產(chǎn)業(yè)[15]；同年10月，濰柴集團與準能集團、氫能科技公司、低碳清潔能源研究院3家國家能源集團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資本有限公司[17]，確立10余座加氫站選址，在國內(nèi)開始氫氣的制、儲、運、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，中化集團將氫做為公司新能源四大重點領(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，進入攻堅克難階段[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項臺國家標準以確保行業(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”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世紀末，標志著氫能產(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《氫立場計劃》的發(fā)布，確認了研發(fā)示范、市場轉(zhuǎn)化、基礎(chǔ)建設(shè)和市場擴張、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項目；國會撥款1.49億美元支持氫能與燃料電池項目[24]。2017年，氫能和燃料電池項目獲得能源部1 580萬元支持[25]；2019年，美國能源部宣布了高達3 100萬美元的氫能源資助計劃，加州燃料電池聯(lián)盟提出了到2030年建設(shè)1 000座加氫站及達到100萬輛燃料電池車的目標。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)財政支持標準和減免法規(guī)支持氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建立和氫燃料。截至2020年，美國計劃建成加氫站75座，2025年達到200座。

3.3 德國

德國目前擁有加氫站71個，氫能產(chǎn)業(yè)鏈的實施和應(yīng)用都很完善。2009年，德國政府計劃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、林德集團、殼牌、道達爾等公司簽署H2Mobility項目合作備忘錄；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，這都要歸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個實現(xiàn)氫能社會的國家”。日本政府為此規(guī)劃了實現(xiàn)氫能社會戰(zhàn)略的技術(shù)路線。日本還以東京奧運會為契機打造氫能小鎮(zhèn)，推廣燃料電池車。截至2020年11月21日，日本累計建成146座加氫站，數(shù)量位居全球第1[18]，計劃2025年320座，2030年達到900座。燃料電池車計劃保有量2025年20萬輛，2030年80萬輛，2040年實現(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)達國家起步晚，一些核心技術(shù)依賴進口，整體產(chǎn)業(yè)水平較低，技術(shù)標準和體系滯后，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、加強產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計要根據(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)劃的總體藍圖，制定產(chǎn)業(yè)政策，完善監(jiān)管部門職責，建立長期產(chǎn)業(yè)激勵政策，與研發(fā)能力強、有技術(shù)資源優(yōu)勢的企業(yè)合作推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2)攻克核心技術(shù)瓶頸、加快實現(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)，組織專家學者加強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，推進氫能基礎(chǔ)設(shè)施，并注重氫氣儲運環(huán)節(jié)中安全性和經(jīng)濟性的提高。另外，低碳經(jīng)濟的興起，氫氣未來應(yīng)用的四種場景，即：長期儲能、從藍氫到綠氫、大規(guī)模應(yīng)用、燃料電池交通工具[27]。我國可以根據(jù)未來長遠目標制定戰(zhàn)略布局，積極開發(fā)氫能下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用新領(lǐng)域。