氫能與燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀分析及展望

＊張 爽

（北京新材料和新能源科技發(fā)展中心 北京 100094）

引言

隨著我國可再生能源裝機(jī)占比不斷地提升，可再生能源的有效利用被認(rèn)為是推動碳減排的良好途徑，國家也在大力部署、創(chuàng)建低碳能源體系。

氫能是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型的重要手段，是實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳減排”目標(biāo)的重要支撐。氫氣的制取可以來源于可再生能源，氫燃料電池可應(yīng)用到汽車上，作為汽車的動力來源，可替代燃油車實(shí)現(xiàn)碳減排?；诖耍l(fā)展氫能與燃料電池有著非常重要的戰(zhàn)略意義。

1.氫能與燃料電池的基本特性與工作原理

氫燃料電池系統(tǒng)是一種發(fā)電系統(tǒng)，氫氣和氧氣通過在電堆中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，把化學(xué)能逐漸地轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)動力輸出。燃料電池系統(tǒng)含有多個組成部分，主要部件有電堆、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)控制器。對于核心部件電堆來說，它主要包括膜電極組件、雙極板以及端板、密封件等。

其中，膜電極組件主要由質(zhì)子交換膜、催化劑層以及氣體擴(kuò)散層組成。質(zhì)子交換膜為氫離子的遷移和輸送提供通道，氫離子能夠在其中進(jìn)行自由移動；對于催化劑層來說，是反應(yīng)氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所。因此對于氫燃料電池汽車而言，其所使用的能源來源就是氫氣，并且伴隨著化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。

化學(xué)反應(yīng)的總反應(yīng)式為“H2+1/2O2→H2O”，反應(yīng)的過程中生成水。當(dāng)車輛在行駛期間，氫燃料電池汽車能夠達(dá)到零排放的效果，所以氫燃料電池汽車相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車在節(jié)能減排上占有較大優(yōu)勢。

2.發(fā)展氫能與燃料電池的重要意義

(1)清潔的能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的重要手段

2018年，在全球的CO2排放量中，中國的CO2排放量占比接近30%。作為CO2排放量較多的國家之一，我國在《巴黎協(xié)定》中做出相關(guān)承諾，并在2020年宣布預(yù)計到2030年CO2排放到達(dá)峰值，并且盡早達(dá)到峰值，在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，這一目標(biāo)宣示了我國應(yīng)對氣候變化所做出的信心和決心。經(jīng)過國家的長期部署和不懈努力，2020年我國單位GDP CO2排放量比15年前下降了近一半。然而，我們應(yīng)充分地考慮到，我國現(xiàn)階段能源消費(fèi)的結(jié)構(gòu)占比中，石油、煤炭以及天然氣等化石能源供應(yīng)占比居高不下，在2018年該類能源的供應(yīng)占比達(dá)到85.7%，化石能源的燃燒是CO2排放的重要來源，而清潔能源譬如風(fēng)電、水電、光伏等能源供應(yīng)占據(jù)的比例僅為14.3%，與其它發(fā)達(dá)國家的能源結(jié)構(gòu)相比，我國清潔能源占比較低。因此，我國在碳減排方面面臨的問題任重道遠(yuǎn)。

基于我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，為了能夠?qū)崿F(xiàn)碳減排這一目標(biāo)，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型勢在必行，需要對現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使得能源體系變得更加的清潔和，從而大幅減少我國溫室氣體的排放，以應(yīng)對氣候變化，減緩氣候變暖。在碳減排的過程中，為了有效地推動能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，需要一種新的能量載體。氫的能量密度較高，優(yōu)勢突出，可通過可再生能源發(fā)電后通過電解水制氫獲得，氫燃料電池可在工業(yè)、交通、化工等多種領(lǐng)域應(yīng)用，用途廣泛，使用過程中無碳排放，是促進(jìn)我國實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的主要抓手。

(2)氫燃料電池汽車在交通行業(yè)減排潛力較大

氫能產(chǎn)業(yè)鏈指的是制氫、儲氫、運(yùn)氫、加氫、用氫等各個環(huán)節(jié)。氫能不僅在傳統(tǒng)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，也在交通運(yùn)輸行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，氫燃料電池汽車得到越來越多的推廣應(yīng)用。與其它傳統(tǒng)類型汽車相比較，氫燃料電池汽車主要的優(yōu)勢為：

第一，具有較長的續(xù)航里程，氫氣具有較高的質(zhì)量能量密度，其質(zhì)量能量密度約為120MJ/kg，是柴油、汽油和天然氣的近3倍，所以能夠保持長時間的續(xù)航能力。

第二，能量轉(zhuǎn)化效率高，傳統(tǒng)柴油汽車能量轉(zhuǎn)化效率一般約50%，而燃料電池汽車的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)55%～65%。

第三，加氫時間相對較短，一般只需約5～8min左右就可以加滿，接近傳統(tǒng)燃油汽車的加油時間。

第四，從能量來源的角度講，氫氣是一種二次能源，其來源十分廣泛，可以通過煤氣化制氫、電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫提純、甲醇重整制氫等多種來源，近些年光解水制氫、生物質(zhì)制氫等多元制氫方式也在快速研發(fā)和應(yīng)用驗(yàn)證中。特別是隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的推廣，通過“綠電”來制作“綠氫”，可以最大限度地降低制氫過程的碳排放?？梢哉雇氖?，未來可再生能源發(fā)電將會大規(guī)模應(yīng)用，氫氣的生產(chǎn)成本將進(jìn)一步降低。

因此，相較于傳統(tǒng)燃油汽車，氫燃料電池汽車能量轉(zhuǎn)換效率高，且工作過程中無有害氣體的排放，無硫和微粒排放，為零排放、零污染技術(shù)。此外，氫燃料電池車輛具有續(xù)航里程長、加氫時間短、載重量大、清潔環(huán)保等優(yōu)勢，在長途重載領(lǐng)域普遍認(rèn)為適合發(fā)展燃料電池重型車輛，以契合其“大載重、長續(xù)航”的優(yōu)勢。重卡車型在交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)中占比不大，但其排放的各項污染物對空氣污染造成的影響居于前列。2017年重型卡車在我國汽車總保有量里占比僅3.0%，一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、顆粒物四項污染物排放量分別占汽車總排放的7.3%、13.5%、45.9%和59.8%，山東省和河北省位居四項污染物排放量前五位。2019年我國重型卡車銷售117.4萬輛，同比增長2.3%，在重卡車輛中使用氫燃料電池汽車替代具有重要意義。

3.氫燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀分析

(1)氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

國際上，日、韓及歐美等國家和地區(qū)比較早地重視氫能利用，研制氫燃料電池汽車，并且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。豐田是氫燃料電池汽車的探路者和先行者，早在20世紀(jì)90年代初期，豐田公司就開始研制該類型的汽車。經(jīng)過20余年的技術(shù)攻關(guān)，2014年豐田推出的第一款氫燃料電池汽車品牌Mirai正式進(jìn)入大眾視野，Mirai一代加氫約需3min，續(xù)航約500km，迄今Mirai銷量過萬。2020年9月，Mirai二代氫燃料電池汽車亮相北京車展，續(xù)航達(dá)到了800km。2016年，日本本田公司也推出了氫燃料電池汽車品牌，即本田Clarity。本田Clarity加氫時間3min左右，續(xù)航750km。隨后在2018年，韓國現(xiàn)代公司推出其第一款氫燃料電池汽車品牌NEXO，加氫5min，續(xù)航里程達(dá)到805km。在2017年，德國奔馳公司也研發(fā)出第一款此種類型的品牌車輛GLCF-GELL。與此同時，美國通用公司以及德國大眾公司等傳統(tǒng)汽車企業(yè)也都在積極布局并快速推進(jìn)氫燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)程。

與國外豐田、現(xiàn)代等企業(yè)主要以發(fā)展氫燃料電池乘用車的路線略有不同，我國燃料電池汽車研發(fā)的起步較晚，且大部分車企主要研制的方向?yàn)樯逃密囶I(lǐng)域。截止2020年底，全球的氫燃料電池汽車保有量超過3萬輛，其中中國為0.7萬輛，占比達(dá)到23.3%。隨著近幾年氫燃料電池汽車在我國的快速推進(jìn)，進(jìn)一步促進(jìn)了加氫基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，截止2020年底我國加氫站建成數(shù)量128座，同比增長85%。

(2)氫燃料電池重卡發(fā)展現(xiàn)狀

如上文所述，氫燃料電池尤其適合“大載重、長續(xù)航”的重卡應(yīng)用場景，也是歐美、日、韓等國家和地區(qū)發(fā)展燃料電池汽車的重點(diǎn)方向，整車企業(yè)相繼推出產(chǎn)品?，F(xiàn)代汽車公司2020年將XCIENTFuelCell氫燃料電池重卡商業(yè)化應(yīng)用，2021款XCIENTFuelCell搭載由兩個90kW電堆組成的180kW燃料電池發(fā)動機(jī)、7個容積為185L的35MPa儲氫瓶，續(xù)駛里程400km。同時，豐田和日野也在聯(lián)合開發(fā)基于日野Profia的25t燃料電池卡車，該車使用豐田Mirai二代的氫燃料電池技術(shù)，燃料電池發(fā)動機(jī)功率達(dá)到228kW，搭載70MPa儲氫瓶，續(xù)駛里程達(dá)到600km。

在戰(zhàn)略規(guī)劃上，美國能源部（DOE）在2019年底發(fā)布了氫燃料電池8級卡車發(fā)展目標(biāo)，提出到2030年燃料電池系統(tǒng)壽命達(dá)到25000h、峰值效率超過68%、成本達(dá)到80美元/kW。英國2021年發(fā)布《國家氫能戰(zhàn)略》提出，將運(yùn)輸視為氫能產(chǎn)業(yè)的最大組成部分之一，2024年前開展氫燃料電池重卡示范項目并逐步擴(kuò)大在交通運(yùn)輸行業(yè)的使用，同時正在討論研究非零碳排放的重型貨運(yùn)車輛淘汰機(jī)制。歐盟在《歐盟氫能戰(zhàn)略》中把“氫能戰(zhàn)略”作為“能源一體化戰(zhàn)略”的部署，為交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)去碳化的目的，進(jìn)一步幫助這種潛力逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織2020年發(fā)布的《歐洲氫能路線圖》中提出，氫是卡車領(lǐng)域最有發(fā)展?jié)摿Φ拿撎歼x擇，到2030年將推廣4.5萬輛氫燃料電池卡車和巴士。同年的日本發(fā)布《綠色增長戰(zhàn)略》，進(jìn)一步明確預(yù)計到2050達(dá)到碳中和的目標(biāo)，進(jìn)一步創(chuàng)建“零碳的社會”，氫能領(lǐng)域還需要重視對氫能與燃料電池車輛方面的發(fā)展。韓國2019年發(fā)布的《氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》提出，2040年將推廣3萬輛氫燃料電池卡車。

在我國，氫燃料電池重卡近年也在快速發(fā)展中。2020年底，蘇州金龍交付50輛燃料電池重卡，搭載120kW燃料電池發(fā)動機(jī)。2021年三一公司首臺氫燃料電池重卡下線，該車總重10.6t，搭載120kW燃料電池發(fā)動機(jī)，35MPa儲氫系統(tǒng)，續(xù)駛里程超過450km。2021年清華大學(xué)聯(lián)合北汽福田等研發(fā)的全球首款35t級、49t級液氫重卡，搭載60kg、100kg的大容量車載液氫儲氫系統(tǒng)，首席將液氫應(yīng)用于車載燃料電池儲氫系統(tǒng)。

(3)氫燃料電池軌道交通車輛發(fā)展現(xiàn)狀

隨著氫能越來越得到全球的重視，氫燃料電池的利用也逐漸向多元化發(fā)展，對燃料電池軌道交通車輛探索的積極性也越來越高，并且獲得了良好的技術(shù)積累。在2006年，日本東京的一家鐵路企業(yè)將其NE型混動列車進(jìn)行改制，開發(fā)出首款燃料電池列車原型車，該列車搭載兩組65kW的燃料電池，最高行駛速度能夠達(dá)到100km/h。經(jīng)過多年的攻關(guān)，2022年初，該公司與豐田合作研發(fā)的名為“云雀（HYBARI）”的氫燃料電池輕軌列車開始進(jìn)行測試，這兩節(jié)車廂列車搭載了豐田的Mirai燃料電池，儲氫罐位于車頂，一次加氫可行里程為140km，目標(biāo)是2030年前投入使用。在2016年，法國阿爾斯通公司首次推出一款名為CoradiaiLint的氫動力客運(yùn)列車，在第二年在德國開展了相關(guān)的測試工作。該機(jī)車最高的行駛速度能夠達(dá)到140km/h，載客最多達(dá)到300人，續(xù)駛里程達(dá)到一千公里，之后在德國開始載客示范運(yùn)行，目前行駛里程已超過10萬公里，積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

在我國，西南交通大學(xué)自2010年起開展對氫燃料電池作為機(jī)車動力來源的技術(shù)進(jìn)行研究，歷時四年成功研發(fā)出中國第一輛“藍(lán)天號”氫燃料電池機(jī)車，應(yīng)用于軌道交通，搭載150kW的燃料電池系統(tǒng)，時速65km，一次加氫可連續(xù)運(yùn)行24h。在2016年，西南交通大學(xué)和中車公司聯(lián)合研制出商用燃料電池/超級電容混合動力有軌電車，該車搭載35MPa高壓儲氫系統(tǒng)，最高的行駛速度達(dá)到70km/h，最大載客量超過300人。與此同時，2015年清華大學(xué)和中車青島聯(lián)合攻關(guān)研制出我國首臺氫燃料電池有軌電車，行駛速度達(dá)到36km/h，搭載4個35MPa儲氫罐，單次加氫能夠持續(xù)行駛70km。

4.我國氫能與燃料電池汽車發(fā)展展望

根據(jù)相關(guān)研究規(guī)劃，預(yù)計在“十四五”期間，我國氫燃料電池汽車保有量將達(dá)到10萬輛，2035年將突破100萬輛，應(yīng)用場景也將會呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的趨勢。國務(wù)院辦公廳在2020年發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》提出，力爭經(jīng)過15年的持續(xù)努力，燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。為進(jìn)一步推動我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、有序化的健康持續(xù)發(fā)展，國家在2020年制定了燃料電池汽車示范應(yīng)用的支持政策，鼓勵產(chǎn)業(yè)集群聯(lián)合開展關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)。截止2022年2月，已有兩批5個城市群獲批，各城市群的申報方案充分地結(jié)合了組團(tuán)城市氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，深入地挖掘了特色的應(yīng)用場景，譬如家具配送、港口運(yùn)輸、冷鏈物流等，同步規(guī)劃相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，并在支持技術(shù)研發(fā)、引進(jìn)高質(zhì)量人才、搭建創(chuàng)新平臺等支持政策和地方配套資金上給予充分保障。

從國家及地方出臺的相關(guān)政策來看，我國對氫燃料電池產(chǎn)業(yè)扶持的重心，是從系統(tǒng)集成逐漸擴(kuò)展到上游的關(guān)鍵零部件以及核心材料方面?？梢哉雇氖牵S著我國燃料電池汽車城市群示范工作的不斷推進(jìn)，將持續(xù)拉動產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展并促進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)升級，氫能制、儲、運(yùn)、加、用的全鏈條成本將進(jìn)一步降低，氫燃料電池汽車全生命周期成本將逐步和傳統(tǒng)燃油車輛接近。結(jié)合商業(yè)運(yùn)營模式的持續(xù)探索和完善，氫燃料電池汽車將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈競爭力將快速提升，我國氫燃料電池汽車的發(fā)展將進(jìn)入快車道。

5.結(jié)論

氫能利用和燃料電池汽車的發(fā)展符合國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。2022年初，近千輛氫燃料電池大巴為冬奧會提供交通運(yùn)輸服務(wù)，借著冬奧會的“東風(fēng)”，多場景應(yīng)用，大規(guī)模示范驗(yàn)證，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了經(jīng)驗(yàn)積累。隨著我國氫燃料電池汽車被廣泛地應(yīng)用，氫能產(chǎn)業(yè)鏈也將得到快速發(fā)展。