文/于廣欣 紀(jì)欽洪 劉強(qiáng) 肖鋼 熊亮，中海油研究總院，現(xiàn)代化工
氫是宇宙中最豐富的元素。氫能作為二次能源是最佳碳中和能源載體，可用于發(fā)電、發(fā)熱、交通燃料，具有零污染、熱值高、可存儲(chǔ)、儲(chǔ)量足、應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)。氫的儲(chǔ)能屬性使其具備跨時(shí)間和空間靈活應(yīng)用的潛力，能與可再生能源有效銜接，助力可再生能源消納與更大規(guī)模發(fā)展。正是基于氫的優(yōu)點(diǎn)與潛能，在應(yīng)對(duì)氣候變化、全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，國(guó)際上普遍認(rèn)為氫能將成為未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在全球能源轉(zhuǎn)型及提高能源系統(tǒng)靈活性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。而近些年全球資本、技術(shù)、輿論等因素正共同催生本輪氫能熱潮。
1 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
本輪氫能熱潮起于歐美日發(fā)達(dá)國(guó)家，并逐步擴(kuò)展至全球。歐盟、美國(guó)、日本已將氫能納入國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略，并出臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和支持政策。美國(guó)重視氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)培育，應(yīng)用方面固定式燃料電池發(fā)電、氫燃料電池叉車和汽車有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。歐盟實(shí)現(xiàn)凈零排放，氫能是其重要抓手，德國(guó)制定《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》支持可再生能源制氫、氫基合成燃料、燃料電池產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展。日本、韓國(guó)發(fā)布詳細(xì)的發(fā)展路線圖，政策導(dǎo)向明確，在燃料電池車、家用燃料電池、加氫站網(wǎng)絡(luò)和氫技術(shù)開發(fā)處于領(lǐng)先。國(guó)際氫能理事會(huì)發(fā)布的《Hydrogen Scaling Up》報(bào)告預(yù)測(cè)，2050年氫能約占全球能源需求的18%，工業(yè)、交通、建筑供暖供電是氫能應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域。
國(guó)內(nèi)將氫能定位戰(zhàn)略能源技術(shù)，政策利好逐步釋放。2019年氫能首次被寫入政府工作報(bào)告，2020年《中華人民共和國(guó)能源法（征求意見稿）》第一次將氫能列為能源范疇，同年氫能納入年度國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃，并啟動(dòng)燃料電池汽車示范推廣及國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃編制。國(guó)家層面從立法、頂層設(shè)計(jì)、示范應(yīng)用等層面給予氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)的政策支持，統(tǒng)籌規(guī)劃、引導(dǎo)、規(guī)范氫能產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。在持續(xù)穩(wěn)定的政策環(huán)境下，社會(huì)資本、產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)企業(yè)、地方政府等多因素疊加催化下，近幾年國(guó)內(nèi)以加氫站為代表的氫能基礎(chǔ)設(shè)施（表1），制-儲(chǔ)-運(yùn)-用產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)與裝備得到發(fā)展，初步形成珠三角、長(zhǎng)三角、京津冀等氫能產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)區(qū)域，目前產(chǎn)業(yè)整體處于技術(shù)研究與示范應(yīng)用階段。根據(jù)公開資料整理，目前國(guó)內(nèi)氫燃料汽車超過6000輛，在運(yùn)營(yíng)加氫站46座。《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019）》預(yù)測(cè)，2035年氫能占國(guó)內(nèi)終端能源總量5.9%，加氫站數(shù)量1500座，燃料電池車保有量130萬輛。
面對(duì)全球應(yīng)對(duì)氣候變化政策倒逼，Shell、Total、BP等歐洲石油公司相繼提出2050年“凈零碳排放”目標(biāo)，押注綠色低碳能源成為普遍選擇，其中布局綠色氫工廠、加氫站等氫能業(yè)務(wù)是重點(diǎn)方向。至今，殼牌氫能業(yè)務(wù)已在美國(guó)、日本、德國(guó)投資超過24座加氫站，并與道達(dá)爾等企業(yè)合作在德國(guó)加速推進(jìn)H2 Mobility項(xiàng)目（預(yù)期加氫站建設(shè)規(guī)模超過400座）。國(guó)內(nèi)石化企業(yè)在發(fā)展氫能方面，具有氫源和銷售網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)石化等已開展制氫、加氫站及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)，2018年中國(guó)石化加入國(guó)際氫能委員會(huì)，2019年與法液空開展氫能合作，采用“油氫電一體化”新模式，在現(xiàn)有加油站基礎(chǔ)上配建加氫站，目前已在廣東、上海、浙江建成油氫合建站4座。
2 產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)與成本瓶頸分析
全球氫能及氫燃料電池車示范應(yīng)用進(jìn)展顯著，但氫能產(chǎn)業(yè)涉及制、儲(chǔ)、運(yùn)、用多個(gè)環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，技術(shù)復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)中氫能大規(guī)模推廣應(yīng)用仍面臨氫燃料電池制造成本高、加氫站設(shè)施薄弱、終端用氫成本高等瓶頸。
2.1 技術(shù)因素導(dǎo)致制造氫燃料電池成本較高
氫燃料電池系統(tǒng)由電堆、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件共同構(gòu)成。電堆是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的核心部件，電堆成本占?xì)淙剂想姵叵到y(tǒng)總成本60%左右（見圖1）。造成電堆成本居高的主要因素包括：膜電極、電堆加工制造過程及使用環(huán)境要求。而電堆技術(shù)的瓶頸也導(dǎo)致氫燃料電池系統(tǒng)成本較高。
膜電極是電堆的核心部件，由催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙組成，其成本約占?xì)淙剂想姵叵到y(tǒng)的36%。目前商用催化劑為鉑/碳，其成本約占?xì)淙剂想姵叵到y(tǒng)成本的23%，是成本的主要來源。質(zhì)子交換膜、碳紙材料成本也較高，國(guó)內(nèi)主要依靠進(jìn)口，在性能和批量化上與國(guó)外還存在差距。膜電極已經(jīng)發(fā)展到第三代有序化膜電極技術(shù)，趨勢(shì)是降低大電流密度下的傳質(zhì)阻力，進(jìn)一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量，使膜電極的材料成本大幅降低。
均一性是制約電堆性能的重要因素，也是影響制造成本的關(guān)鍵。電堆通常由數(shù)百節(jié)單電池串聯(lián)而成，均一性與材料的均一性、部件制造過程的均一性有關(guān)；特別是流體分配的均一性，不僅與材料、部件、結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與電堆組裝過程、操作過程密切相關(guān)。由于操作過程生成水累積引起的不均一、電堆邊緣效應(yīng)引起的不均一等，電堆中一節(jié)或少數(shù)幾節(jié)單電池的不均一會(huì)導(dǎo)致局部單節(jié)電壓過低，限制了電流的加載幅度。設(shè)計(jì)、制造、組裝、操作控制等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不均一性直接影響電堆的比功率，進(jìn)而影響電堆成本。
氫燃料電池使用環(huán)境對(duì)其壽命和性能有重要影響。鉑基催化劑與燃料中的一氧化碳、硫等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其失去活性，無法再進(jìn)行催化作用，進(jìn)而導(dǎo)致電堆壽命縮減?？諝庵袠O少量SO2和NOx雜質(zhì)會(huì)引起燃料電池中毒，造成燃料電池電壓衰減，進(jìn)而影響燃料電池性能。有關(guān)空氣質(zhì)量、氫氣品質(zhì)對(duì)氫燃料電池車使用性能的影響已被業(yè)界關(guān)注。2017年10月豐田公司啟動(dòng)氫燃料電池車Mirai在中國(guó)的適應(yīng)性實(shí)證實(shí)驗(yàn)。2019年7月1日實(shí)施的GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》對(duì)適用于聚全氟磺酸類質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣的純度、雜質(zhì)含量等指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。
2.2 氫燃料電池車成本較高限制了商業(yè)化銷售規(guī)模
車用燃料電池系統(tǒng)成本高是造成氫燃料電池車售價(jià)高的主要根源。由電堆、氫瓶和空壓機(jī)等主要部件組成的燃料電池系統(tǒng)是氫燃料電池車的核心，約占?xì)淙剂想姵剀嚦杀镜?0%。其中除電堆成本高外，供氫系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)成本也較高，技術(shù)上與國(guó)外還存在較大差距。
氫燃料電池車尚未規(guī)?；a(chǎn)，市場(chǎng)銷量有限。目前，全球最大的氫燃料電池車企業(yè)——豐田公司現(xiàn)有生產(chǎn)能力僅3000輛/年，2020年也只能達(dá)到3萬輛/年，本田、現(xiàn)代、日產(chǎn)、上汽等車企雖相繼推出商業(yè)化車型，但市場(chǎng)銷量依然有限（見表2）。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)億華通與宇通客車、福田汽車、中通客車等車企合作，建設(shè)了國(guó)內(nèi)首條自動(dòng)化氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線，年產(chǎn)能也僅1萬臺(tái)。生產(chǎn)規(guī)模小導(dǎo)致整車成本較高，如豐田公司官網(wǎng)上2020款Mirai售價(jià)為58 550美元，是混合動(dòng)力2020款PRIUS售價(jià)（24325美元）的2.5倍，遠(yuǎn)高于消費(fèi)者預(yù)期。
降低燃料電池系統(tǒng)成本是目前車企及相關(guān)領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)和研究的方向。根據(jù)美國(guó)能源部研究數(shù)據(jù)，車用燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)成本從2006年的124美元/kW降至2015年的53美元/kW，下降幅度近60%，2020年目標(biāo)降至40美元/kW。我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中，車用燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)成本2020年目標(biāo)是1000元/kW，2025年500元/kW，2030年150元/kW，預(yù)期成本下降幅度很大。
2.3 加注車輛少及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化仍是早期加氫站發(fā)展的主要限制因素
加氫站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)仍面臨發(fā)展初期的困難。新建加氫站及將現(xiàn)有加油站改造為加油加氫站難度較大。新建加氫站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要采用《GB 50516—2010加氫站技術(shù)規(guī)范》，其對(duì)氫氣儲(chǔ)運(yùn)安全和建站選址條件的要求較高，特別是加氫站的氫氣工藝設(shè)施與站外建筑物、構(gòu)筑物的防火距離。加油加氫合建站設(shè)計(jì)要符合《GB 50156汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》，依托現(xiàn)有加油站設(shè)施進(jìn)行改造困難較大，特別是大城市、人口密集地區(qū)問題更加突出。
加氫站的網(wǎng)絡(luò)布局與氫燃料電池車的市場(chǎng)規(guī)模依然是產(chǎn)業(yè)初期互相掣肘的因素。純電動(dòng)車推廣和充電樁建設(shè)也曾經(jīng)面臨過同樣問題，加注車輛較少，限制了加氫站的良性滾動(dòng)發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)建設(shè)和在運(yùn)營(yíng)加氫站分別是66座和46座，分布在19個(gè)省市，其中廣東、上海、江蘇、山東是加氫站主要集中地區(qū)（見表3）。目前國(guó)內(nèi)加氫站數(shù)量與規(guī)劃2020年建設(shè)100座、2030年建成1000座還有較大差距。國(guó)內(nèi)最早示范運(yùn)營(yíng)的上海安亭、北京永豐加氫站始終處于加氫車輛少的尷尬局面。德國(guó)H2 Mobility項(xiàng)目已建成的加氫站也存在車少的狀況，但仍在推進(jìn)2023年建設(shè)400座加氫站網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，試圖解決產(chǎn)業(yè)初期的問題。
加氫站設(shè)備國(guó)產(chǎn)化還面臨瓶頸，氫氣壓縮機(jī)、加注機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備目前仍以進(jìn)口為主。根據(jù)公開資料整理，加注量1000kg/d的35MPa加氫站建設(shè)成本高達(dá)1500萬元，高出加油站數(shù)倍。其中儲(chǔ)氫裝置、壓縮機(jī)、加注機(jī)、站控系統(tǒng)等占加氫站總投資約60%，其中氫壓縮機(jī)占比最高，約為30%。
2.4 終端用氫成本高，制儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)亟待突破
目前，氫作為燃料的價(jià)格仍遠(yuǎn)高于化石燃料。氫燃料電池車的用氫成本包括從制、儲(chǔ)、運(yùn)到加注的全過程成本。與傳統(tǒng)燃油車相比，氫燃料電池車百公里消耗的燃料費(fèi)用要高于燃油車。根據(jù)國(guó)內(nèi)示范項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)初步估算，氫燃料電池車的燃料費(fèi)用約為燃油車的1.8倍左右。氫燃料終端售價(jià)雖高于化石燃料，但國(guó)內(nèi)外仍通過車企、政府補(bǔ)貼方式來彌補(bǔ)氫燃料價(jià)格的劣勢(shì)，推動(dòng)氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
化石能源制氫技術(shù)成熟、規(guī)模大、成本低（見表4）。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能為2500萬t/a，氫氣來源構(gòu)成主要是煤制氫、天然氣制氫、石油制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫以及電解水制氫，占比分別是40%、12%、12%、32%和4%。在氫能及氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，化石能源制氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫是低成本氫燃料的主要來源，有利于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但化石能源制氫CO2排放量大，利用可再生能源制取低成本氫氣是業(yè)界一直瞄準(zhǔn)的方向和攻關(guān)重點(diǎn)，最終目標(biāo)是氫氣價(jià)格與化石燃料價(jià)格持平。
綠色、低成本制氫技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫技術(shù)在總體效率、工作電流密度、氫氣純度、產(chǎn)氣壓力以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等方面優(yōu)于堿性水電解制氫技術(shù)（詳見表5），能適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，是氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)之一，但目前面臨采用鉑催化劑、電耗高而導(dǎo)致的制氫成本較高問題。突破鉑催化劑、電堆等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高電流密度、系統(tǒng)能效、降低投資是PEM制氫技術(shù)的重點(diǎn)開發(fā)方向。
目前國(guó)內(nèi)氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不完善，導(dǎo)致氫燃料只能以氣態(tài)方式運(yùn)輸，限制了加氫站的技術(shù)選擇。液氫儲(chǔ)運(yùn)在國(guó)內(nèi)僅用于航天軍工領(lǐng)域，商用加氫站未有液氫供應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。國(guó)家層面正通過立法將氫能作為能源進(jìn)行管理，并制定商用液氫制、儲(chǔ)、運(yùn)、用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，2019年已完成三項(xiàng)液氫國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)民用領(lǐng)域液氫標(biāo)準(zhǔn)空白，由此可能帶來氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)突破，從而降低終端用氫成本。
液態(tài)氫密度高達(dá)70.6g/L（-253℃），相同有效裝載容積下液氫儲(chǔ)運(yùn)能力遠(yuǎn)高于高壓儲(chǔ)氫。盡管氫液化的能耗比氫壓縮的能耗高1倍以上，但在運(yùn)輸環(huán)節(jié)液氫的運(yùn)輸成本只有高壓氫的1/5~1/8。國(guó)外仍采用高壓氫氣管束車作為主要運(yùn)氫方式，氣態(tài)氫限制了儲(chǔ)運(yùn)能力，詳見表6。
3 思考與建議
氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入早期示范應(yīng)用階段，大規(guī)模商業(yè)化推廣仍需解決產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)與成本瓶頸。具體來講，加快氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)商業(yè)化步伐需要政策、規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)等因素協(xié)同發(fā)力。
持續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)支持環(huán)境，配套相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼，對(duì)早期氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要哦。國(guó)家應(yīng)盡快啟動(dòng)氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)，編寫國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案，統(tǒng)籌規(guī)劃氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，明確產(chǎn)業(yè)鏈制、儲(chǔ)、運(yùn)、用環(huán)節(jié)的發(fā)展路徑。技術(shù)方面，加強(qiáng)綠色低碳制氫、高效低成本燃料電池、氫壓縮機(jī)、加氫機(jī)等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)、核心零部件重點(diǎn)攻關(guān)，加快設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，完善產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。具體實(shí)施建議國(guó)家主導(dǎo)設(shè)立氫能科技重大項(xiàng)目，聯(lián)合企業(yè)、高校科研院所，集中力量突破核心技術(shù)、材料、裝備及關(guān)鍵零部件，打造自主技術(shù)、材料、設(shè)備生態(tài)鏈，進(jìn)一步降低成本，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。
展望未來綠色氫氣制取、儲(chǔ)運(yùn)、加注與燃料電池技術(shù)突破以及氫能基礎(chǔ)設(shè)施完善與普及，將激發(fā)氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景多元化與規(guī)模化應(yīng)用，推動(dòng)氫能在全球能源轉(zhuǎn)型中擔(dān)當(dāng)更加重要的角色。
