氫能和燃料電池
氫位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1，在常溫、常壓下為氣態(tài)，在超低溫、高壓下可成為液態(tài)或固態(tài)。氫在地球上主要以化合物的形態(tài)儲存于水中，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，因此，氫能被稱為人類的終極能源。由于氫氣必須從水、化石燃料等含氫的物質(zhì)中制取，因此，氫能是二次能源。氫能的用途廣泛，除了發(fā)電、發(fā)熱，也是理想的交通替代能源。
氫能的特點包括：重量輕，導(dǎo)熱性好，發(fā)熱量高，燃燒性能好，無毒等。工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見的有水電解制氫、煤炭氣化制氫、重油及天然氣制氫等，高效率制氫的基本途徑是利用太陽能。氫能的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待解決經(jīng)濟(jì)和安全兩大關(guān)鍵技術(shù)問題。
燃料電池是連續(xù)地將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿幕瘜W(xué)電源。燃料電池主要由正極、負(fù)極和電解質(zhì)組成。燃料電池的優(yōu)點包括：轉(zhuǎn)化效率高（理論轉(zhuǎn)換效率為100%，實際可達(dá)80%），污染小，電流密度高，壽命長，噪聲低等。
產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展壯大
氫氣能量密度大，因此，氫燃料電池汽車所攜帶的氫氣質(zhì)量遠(yuǎn)小于同等能量所需的電池質(zhì)量，尤其適用于重載、長途運輸?shù)葓鼍?。燃料電池汽車對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。燃料電池受環(huán)境影響較小，可以在零下30攝氏度的低溫下冷啟動，低溫對續(xù)航里程影響不大。氫燃料電池汽車具有與傳統(tǒng)燃油車類似的燃料加注體驗。燃料電池汽車只需要3～5分鐘就可以加滿氫燃料，單次加氫可以行駛500公里左右，與燃油車相當(dāng)。
20世紀(jì)70年代，石油危機(jī)推動了氫燃料電池在汽車上的應(yīng)用，氫燃料電池汽車首次成為焦點。在接下來的幾十年，多個國家和地區(qū)的科學(xué)家為了推動燃料電池汽車的發(fā)展做出不懈的努力。豐田在2014年推出了全球第一輛商業(yè)化的燃料電池汽車。
近年來，我國大力支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將氫能應(yīng)用于汽車行業(yè)，打造氫燃料電池汽車。2019年，氫能被首次寫進(jìn)《政府工作報告》，要求“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”；有關(guān)部門密集出臺政策，引導(dǎo)并鼓勵氫能和氫燃料電池技術(shù)的開發(fā)利用。
氫燃料電池汽車銷量增速明顯。從2015年僅有10輛，到2019年全年銷售2737輛，累計銷量達(dá)6000多輛，已實現(xiàn)2020年的階段性目標(biāo)。其中，氫燃料電池商用車發(fā)展較快，在物流配送、公共出行等領(lǐng)域，實現(xiàn)了氫燃料汽車的商業(yè)化落地。乘用車方面，國內(nèi)一些車企雖然也在積極研發(fā)，但規(guī)模相對較小，占比較低。
氫燃料電池由電堆、電控、供氫裝置、供空氣裝置等組成。其中，電堆是組成燃料電池的最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的核心部件。氫燃料電池在國際上通常有兩條技術(shù)路線：金屬雙極板水冷電堆和石墨雙極板水冷電堆。前者在低溫啟動、體積和功率密度等方面具有優(yōu)勢，后者在可靠性、壽命和成本等方面有長處，是目前燃料電池商用車的首選。
我國是世界上氫資源最豐富的國家，同時擁有最大的汽車市場，但氫燃料電堆技術(shù)距離世界領(lǐng)先水平還有一定差距。
“氫裝”上路
目前，國內(nèi)氫能汽車多數(shù)采取“鋰電池+氫燃料電池”的電電混合模式，未來將向純氫燃料電池汽車方向發(fā)展。多家國內(nèi)企業(yè)持續(xù)攻關(guān)，實現(xiàn)氫燃料電池在大巴車、物流車、重卡、專用車等不同應(yīng)用場景的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
2020年11月13日，北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)旗下京環(huán)裝備公司自主研發(fā)的氫燃料電池環(huán)衛(wèi)車首發(fā)上市，將服務(wù)北京冬奧會。氫燃料電池環(huán)衛(wèi)車分別為掃路車和壓縮式垃圾車，第一步將在張家口做示范推廣。隨著氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，北京將在未來5年內(nèi)建成一支數(shù)量達(dá)500輛的氫燃料環(huán)衛(wèi)車隊。
此次發(fā)布的氫燃料電池環(huán)衛(wèi)車具有以下亮點：
●以燃料電池作為動力源，氫燃料電池通過氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，驅(qū)動車輛行駛。
●具有先進(jìn)可靠的氫燃料電堆系統(tǒng)，額定功率83.5千瓦，集成高能量密度電池，最大容量90千瓦時，車輛續(xù)駛里程可達(dá)500公里，能夠覆蓋環(huán)衛(wèi)全工況作業(yè)。
●選用鋁合金、PE和不銹鋼等新材料，最大程度地降低整車總質(zhì)量，可在炎熱、干旱、潮濕、沙塵、寒冷等復(fù)雜氣候和環(huán)境下正常作業(yè)，適用性更強(qiáng)。
●氫燃料電池環(huán)衛(wèi)車有效解決了低溫工況下電池的性能衰減問題，極大提高了作業(yè)效率。
●掃路車配裝4個儲氫罐，有效儲氫量為15千克，加滿氫氣的過程僅需10分鐘；壓縮式垃圾車配裝6個儲氫罐，有效儲氫量為22.2千克，加滿氫氣的過程需15分鐘。
【專訪】
圍繞氫燃料供給及氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，《亮報》對國網(wǎng)浙江電科院能源互聯(lián)網(wǎng)研究室高級工程師章雷其進(jìn)行了專訪。
《亮報》：為了實現(xiàn)氫燃料電池汽車的更好發(fā)展，在氫燃料制取、儲存方面需要重點解決哪些方面的問題？據(jù)了解，國網(wǎng)浙江電力探索開展了電—氫—熱—車耦合的示范工程，該工程如何助力氫燃料電池汽車發(fā)展？
章雷其：在氫燃料制取方面，并不是所有的制取過程都是“綠色”的。目前，96%以上的氫氣來自碳基化合物（如煤氣化、天然氣裂解和甲醇重整），制取過程會釋放大量的二氧化碳，被稱為“灰氫”。從全過程看，以“灰氫”作為燃料只是改變了碳排放途徑，并沒有降低碳排放總量。
以風(fēng)、光等可再生能源“綠電”制取“綠氫”是實現(xiàn)燃料電池汽車真正零碳排放的關(guān)鍵。可再生能源電力電解水制氫用于燃料電池汽車，不僅可以實現(xiàn)全過程零碳，也可以實現(xiàn)可再生能源的多途徑消納，對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。制取“綠氫”的電解水技術(shù)雖然已有百余年歷史，但常規(guī)技術(shù)只適用于穩(wěn)定性電源，如何用快速波動的可再生能源電力穩(wěn)定、高效制氫是目前亟須攻克的難題。
安全、高效氫燃料存儲是實現(xiàn)氫燃料電池推廣應(yīng)用的另一大關(guān)鍵。氫氣體積能量密度較小，必須在高壓下存儲才能實現(xiàn)較高的儲氫密度，常用的氫燃料電池汽車儲氫壓力為35兆帕和70兆帕（約為水下3500米和7000米的壓力）；但同時氫氣也是自然界中最輕、最小的物質(zhì)，易發(fā)生泄漏、逃逸，尤其是在高壓下，泄漏風(fēng)險更大。這兩個看似矛盾的要求，給安全、高效儲氫帶來了巨大的挑戰(zhàn)。高壓儲氫系統(tǒng)也是一個國家高端制造能力的象征。目前，我國正在全力開展高壓儲氫瓶、氫氣壓縮機(jī)及關(guān)鍵零部件，如閥門、儀表、高靈敏氫氣檢測傳感器的技術(shù)攻關(guān)。
2020年，由國網(wǎng)浙江省電力有限公司牽頭，成功申報了國家重點研發(fā)計劃項目《可離網(wǎng)型風(fēng)/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術(shù)》。配套此項目，國網(wǎng)浙江電力將在寧波建設(shè)首個電—氫—熱—車耦合的中壓直流微網(wǎng)示范工程，項目所采用的技術(shù)路線，正是可以實現(xiàn)全過程零碳的“綠電制綠氫”技術(shù)，項目將在技術(shù)、運營模式、產(chǎn)業(yè)鏈三個方面助力燃料電池汽車發(fā)展。
一是通過產(chǎn)學(xué)研單位協(xié)同，開展前沿技術(shù)攻關(guān)，力爭在波動性可再生能源制氫、高壓安全儲氫、高效燃料電池系統(tǒng)、先進(jìn)能量管控系統(tǒng)方面取得一系列首創(chuàng)性技術(shù)突破，并應(yīng)用于示范工程。二是通過構(gòu)建豐富的應(yīng)用場景，打造以可再生能源為基礎(chǔ)的就地制氫—加氫—充電—熱電聯(lián)供一體化零碳電氫能源站，實現(xiàn)氫燃料電池車和純電動車零碳交通的示范，對未來燃料電池汽車的運營模式、燃料電池汽車與純電動汽車協(xié)同與電網(wǎng)互動進(jìn)行積極的探索。三是通過示范引領(lǐng)，帶動制氫—儲氫—燃料電池—能量管控系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，有力推動氫燃料電池汽車相關(guān)技術(shù)實用化。
來源：《人民日報》《科技日報》、人民網(wǎng)、工業(yè)和信息化部官網(wǎng)、《中國電力百科全書》（第三版）、國網(wǎng)浙江電科院等，徐珂對本文有貢獻(xiàn)
