劉 凡，朱宏康

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前 言

隨著世界能源和環(huán)境問題的日益嚴峻，新能源的開發(fā)、利用成為人們關注的熱點，氫能作為一種綠色能源而備受關注。氫能是清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，可通過多種途徑獲取[1,2]。合理利用氫能，一方面能提高能源利用效率，減少能源浪費；另一方面可以控制環(huán)境污染，降低大氣污染和溫室氣體排放。

氫能的產業(yè)鏈包括制氫、儲氫、運氫、應用等環(huán)節(jié)，但目前存在制氫技術難度高、成本高，儲運困難大等問題，因此制氫及儲氫技術的突破，才是氫能產業(yè)發(fā)展的決定因素[3]。常規(guī)的制氫技術路線以傳統(tǒng)化石能源制氫為主，為了實現(xiàn)能源轉型，制氫路線未來將快速由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫。氫氣的安全儲存性能和運輸效率也是氫能網絡建設的瓶頸問題。因此，要滿足產業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求，使其健康、快速發(fā)展，就要進行制氫、儲氫、運氫安全技術的系統(tǒng)性研究。燃料電池是氫能應用的主要方式，處于產業(yè)鏈的核心地位。氫燃料電池以氫為燃料，通過氧化還原反應完成氫能與電能的轉換，具有轉換效率高、無碳排放等優(yōu)點，是目前最佳的氫能利用技術[4-6]。用可再生能源制氫，用儲氫材料儲氫，用氫燃料電池發(fā)電，將構成“凈零排放”、可持續(xù)利用的氫能系統(tǒng)，成為可再生能源之外實現(xiàn)“深度脫碳”的重要路徑。

隨著世界逐步向低碳化、無碳化與清潔化方向轉型，氫能的應用研究和相關基礎設施建設也將持續(xù)加速發(fā)展[7，8]。歐盟、美國、澳大利亞、英國、德國等國家和地區(qū)大力支持氫能產業(yè)，相繼制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略。為實現(xiàn)2030年前碳達峰及2060年前碳中和目標，我國將氫能作為中國能源轉型和動力轉型的重大戰(zhàn)略方向，引導高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉變，發(fā)展氫能燃料電池技術，推動氫能社會的構建。

2 氫能創(chuàng)新研究熱點及應用

2.1 氫的制備生產新方法

氫氣的制備、生產是目前需要攻克的一大難題，如何低成本地工業(yè)化、綠色制氫備受科研人員關注。氫能利用不可避免地要首先考慮氫的來源向題，氫能源按原材料劃分，可以分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”3類?！盎覛洹笔抢没剂鲜?、天然氣和煤制取氫氣，制氫成本較低但碳排放量大；“藍氫”是利用化石燃料制取氫氣，并采用碳捕獲、利用和封存(CCUS)技術處理制氫過程中產生的CO2副產品，但是該方法不可持續(xù)也不環(huán)保；“綠氫”是利用可再生能源(太陽能、水電、風能等)與電解槽結合電解水制氫，該過程完全沒有碳排放，高效低碳可持續(xù)，并且技術業(yè)已成熟。利用可再生資源產生的電力進行水分解以及基于光催化反應直接利用陽光分解水制氫，是可持續(xù)制氫的兩種有前景的方法。開發(fā)和設計高效的產氫電催化劑和光催化劑是當今科學家面臨的最具挑戰(zhàn)性的科研問題之一[9-11]。

愛達荷州國家實驗室的Ding等為電化學電池開發(fā)了一種新的電極材料，能夠有效地將多余的電和水轉化為氫，當電力需求增加時，電化學電池是可逆的，可以將氫氣轉化為電網的電力。新的氧電極材料——一種鈣鈦礦化合物的氧化物，是能夠同時促進水分解和氧還原反應的電子、氧離子和質子的“三重導體”。三維網狀結構的電極，具有更多的表面積將水分解成氫和氧，他們將兩種技術結合，制備的新式氧電極材料在更低的溫度(400～600 ℃)下能夠實現(xiàn)自我持續(xù)以及可逆反應的操作[12]。

阿卜杜拉國王科技大學的Cadiau等開發(fā)出一種基于金屬-有機框架材料(metal organic framework,MOF)的水分解光催化劑，使研究人員在利用陽光生產清潔氫燃料方面邁進了一步。該MOF結構將鈦金屬離子和H4TBAPy(一種已知能從廣譜陽光中吸收能量的有機分子鏈)結合，提高了鈦基MOF材料的光催化性能，該工作開拓了新的研究方向[13]。

神戶大學分子光科學研究中心的Takashi小組使用赤鐵礦光催化劑催化水分解產生氫氣，通過“介晶技術”使赤鐵礦光催化劑中的納米粒子精確排列以控制電子及其空穴的流動。通過將赤鐵礦介晶(由約5 nm的微小納米顆粒組成的超結構)涂覆到透明電極基板上后退火制備了具有極高電導率的光電陽極，從而成倍地加速了水分解反應，大大提高了氫氣產量[14]。

2.2 儲氫新技術

儲氫技術作為氫氣從生產到利用過程中的橋梁，將氫氣以穩(wěn)定的形式儲存起來，以方便使用。目前，氫氣儲存技術主要有高壓儲氫、氫氣液化、有機液體儲氫、固態(tài)儲氫等。高壓氣態(tài)儲氫已得到廣泛應用，低溫液態(tài)儲氫在航天等領域得到應用，有機液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫尚處于應用示范階段。儲氫成本居高不下，核心技術突破少，成為制約氫能發(fā)展的關鍵。為了實現(xiàn)氫能的廣泛應用，研發(fā)高效、低成本、低能耗的儲氫技術是關鍵。

北京航空航天大學水江瀾團隊通過氫氟酸不完全蝕刻Mxene開發(fā)了一種高容量的室溫儲氫材料——塊狀Ti2CTx(T為官能團)。該材料在室溫和相對安全的6 MPa壓力下儲存8.8%的氫氣(質量比)，幾乎是已報道的相同壓力下的最高儲氫能力的兩倍。即使在大氣環(huán)境下，塊狀Ti2CTx仍然能夠保留約4%的氫氣。值得一提的是，Ti2CTx材料中的儲氫是穩(wěn)定且高度可逆的，氫氣的釋放可以在低于95 ℃的溫度下通過壓力調控[15]。

西安交通大學張錦英團隊開發(fā)了石墨烯界面納米閥固態(tài)儲氫材料，以高活性輕金屬氫化物為原材料，在不同組分界面建立石墨烯界面納米閥結構，通過界面納米閥非催化動力學調控機制實現(xiàn)儲氫材料安全、可控、穩(wěn)定釋氫。同時，該界面納米閥結構能有效隔絕水氧，杜絕氫氣自發(fā)泄露，提高材料的儲運安全性，避免了使用笨重的高壓金屬罐或者添加額外的保護裝置來進行運輸，極大地提高了材料便攜性和系統(tǒng)儲氫密度[16]。

以色列威茲曼科學研究院Milstein課題組成功開發(fā)了一種新型高效的液態(tài)-有機氫載體體系，該體系通過釕螯合物催化乙二醇和乙醇的脫氫酯化反應以及可逆條件下的氫化，實現(xiàn)了氫氣的儲存和釋放，具有儲氫密度高、循環(huán)性好、條件溫和等優(yōu)點。反應物乙二醇和乙醇都是豐富、廉價、可持續(xù)和相對無毒的工業(yè)原料，該體系可在無溶劑和無堿條件下進行反應，成本低，展現(xiàn)了較好的經濟性和良好的發(fā)展前景，對促進液態(tài)有機儲氫體系的實際應用具有重要的價值[17]。

2.3 氫能的應用——燃料電池

2.3.1 燃料電池的創(chuàng)新研究

氫能可作為電池驅動的電動汽車的替代能源，只需燃料電池和車載壓縮氫氣罐即可為汽車提供動力。從氫能實際應用來看，氫燃料電池汽車是氫能高效利用的最有效途徑，當前氫能產業(yè)鏈已初具雛形，且燃料電池系統(tǒng)性能已滿足商業(yè)化需求，但氫燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化應用依然受經濟性及實用性制約。

盡管氫燃料電池技術前景廣闊，但是氫燃料電池的膜電極技術比鋰電池難得多，核心技術有待突破。此外，在催化劑方面，采用貴金屬鉑等成本高昂，因此探索新型電極材料及催化劑就顯得尤為重要[18]。

丹麥哥本哈根大學的Sievers等研究出一種廉價鉑催化劑，使用納米線網絡代替納米顆粒，該網絡具有豐富的表面積和高的耐用性，可以用于更便宜、更加可持續(xù)的氫動力汽車。在實驗室中，它只需要目前氫燃料電池中所需鉑量的一小部分。與此同時，這種新型催化劑比目前氫動力汽車上使用的催化劑要穩(wěn)定得多，這種新催化劑的特點是不含碳。有了這一突破，氫動力汽車的概念變得越來越深入人心，變得更加現(xiàn)實化，這也讓氫動力汽車更便宜、更可持續(xù)、更耐用[19]。

南京工業(yè)大學邵宗平提出了基于熱膨脹補償策略制備復合電極，實現(xiàn)了燃料電池陰極與其他電池組件之間的完全熱機械兼容。他們將具有較高電化學活性和較高熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料結合在一起，在兩者之間引發(fā)了有益的界面反應，從而制備了具有與電解質熱膨脹性能良好匹配的復合電極。優(yōu)化的鈣鈦礦化學組成和良好的熱機械穩(wěn)定性，使這種復合陰極具有出色電化學性能，并為未來的固體氧化物燃料電池的電極設計開辟了一條嶄新路徑[20]。

2.3.2 中國燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池一直受到各國政府和企業(yè)的關注，對其研發(fā)、應用示范和商業(yè)化應用的資金投入不斷增加，以期在未來的能源競爭中占據(jù)領先位置。目前氫能和燃料電池已經在一些細分領域實現(xiàn)了商業(yè)化，其中最大的市場是汽車領域。中國倡導新能源汽車的發(fā)展，為汽車產業(yè)帶來了新的發(fā)展契機[21]。

從目前來看，日本、韓國和中國對燃料電池汽車的整體投入最高，以日本豐田、韓國現(xiàn)代為代表的公司燃料電池乘用車和氫能大巴、物流車的產量均處于全球領先；歐洲的燃料電池研發(fā)起步很早，近年來奔馳等傳統(tǒng)車企以及博世等一級供應商均已進入燃料電池汽車領域。

在技術領域，中國在燃料電池發(fā)動機技術方面達到國際先進水平，但燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)供應鏈基礎較為薄弱，尚未形成較為成熟的零部件供應體系。關鍵零部件仍主要依賴進口，燃料電池的關鍵材料包括催化劑、質子交換膜和碳紙等材料大都依賴進口；膜電極、雙極板、空壓機、氫循環(huán)泵等與國外先進技術相比存在較大差距。近年來，許多政策和規(guī)劃被密集地提出，各公司、研究機構和大學正在開發(fā)質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)相關技術，初步形成了燃料電池相關技術的本地供應鏈，然而，壽命仍然是燃料電池技術的關鍵問題。因此，當前國內企業(yè)仍需要攻克關鍵材料、關鍵部件的核心技術難關。另外，燃料電池汽車領域的相關基礎設施(氫燃料加氣站)、成本、耐久性等因素都應該被考慮[22,23]。

3 國際氫能項目計劃

技術的進步是實現(xiàn)氫能源產業(yè)化的必備條件，有力的政策支撐將保證氫能源產業(yè)能夠順利發(fā)展。氫能作為推動全球能源轉型的一種可行技術路線，發(fā)展?jié)摿υ絹碓奖粐H認可，世界多國積極布局氫能產業(yè)。

3.1 歐盟簽署“氫協(xié)議”

2019年28個歐洲國家簽署了一項“氫協(xié)議”，提出“氫谷”概念，呼吁加強可持續(xù)氫研究和創(chuàng)新。“氫谷”是一個地理區(qū)域——一個城市、一個地區(qū)、一個島嶼或一個工業(yè)集群，其中幾個主要的氫應用結合成為綜合氫生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過消耗大量的氫，來改善項目背后的經濟效益。理想情況下，它涵蓋整個氫氣價值鏈：生產、儲存、分銷和最終使用，歐盟將先期進行燃料電池和氫聯(lián)合建設項目[24]。

3.2 美國能源部氫能項目計劃

2020年11月美國能源部(DOE)發(fā)布了他們制定的氫能項目計劃(Hydrogen Program Plan)，為其氫氣研究、開發(fā)和示范活動提供一個戰(zhàn)略框架。該計劃作為總體文件，確定了氫能計劃的戰(zhàn)略方向，并補充了DOE各辦公室從事氫能研發(fā)活動的技術和未來的方案性計劃，旨在促進氫氣的生產、儲存、運輸和應用。該計劃包括先進的氫儲存和基礎設施研發(fā)，如運輸和儲存氫的新型材料或氫載體，以及相關基礎設施部件的材料。此外，還涉及到氫的集成生產、儲存和燃料系統(tǒng)，包括制氫、儲存、分配和使用在內的完整系統(tǒng)的創(chuàng)新方法等。該計劃的實施將有助于實現(xiàn)美國氫能產業(yè)的發(fā)展愿景：將清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應用于各個領域，并成為美國能源體系中的重要組成部分，推動美國的能源體系變革[25]。

3.3 澳大利亞聯(lián)邦政府《國家氫能戰(zhàn)略》

2019年11月澳大利亞聯(lián)邦政府發(fā)布的《國家氫能戰(zhàn)略》，確定了15大發(fā)展目標，在未來10年，該戰(zhàn)略將確定具體指標，這些指標將顯示市場和技術在哪些方面進展迅速，在哪些方面進展緩慢或落后。并確定了57項聯(lián)合行動，均圍繞“國家協(xié)調、發(fā)展產能、滿足當?shù)匦枨蟆钡闹黝}，這些具體行動同時考慮到了相關的出口、運輸、工業(yè)使用、天然氣網絡、電力系統(tǒng)，以及諸如安全、技術和環(huán)境影響等跨領域問題。該戰(zhàn)略旨在將澳大利亞打造為亞洲三大氫能出口基地之一，同時在氫安全、氫經濟以及氫認證方面走在全球前列。該戰(zhàn)略將側重于消除市場壁壘，建立有效的供需關系，并提高澳大利亞氫能供應的全球成本競爭力。根據(jù)《國家氫能戰(zhàn)略》，到2030年，澳大利亞期望進入亞洲氫能市場的前3名，成為有國際影響力的氫能出口國[26]。

3.4 英國的“氫能網絡計劃”

2021年1月英國制定“英國氫能網絡計劃”，提出在全球建成首個100%的氫氣供應管道網絡，以更廣泛的行動實現(xiàn)向氫能轉型；同時，到2030年建成首座氫能城鎮(zhèn)，計劃在2023年前將高達20%的氫混合到當?shù)靥烊粴饩W絡中，到2025年和2030年分別實現(xiàn)1 GW、5 GW的制氫目標?！坝鴼淠芫W絡計劃”還指出，英國政府的氫能戰(zhàn)略需要在多個領域做好支持工作，包括：在制氫方面，必須保證足夠的氫氣產能，以便從2030年開始，進行廣泛的管道網絡輸氫；在儲氫方面，從2025年起，需要將儲氫能力擴大到每年幾百GW的水平，一些現(xiàn)有的氣體儲存設施將轉化為儲氫設施；為了更快地供應更多氫氣，到2030年，確保碳捕獲、封存技術在多個產業(yè)集群中大規(guī)模發(fā)展。該計劃旨在推進建設英國第一座氫能城鎮(zhèn)，不僅僅是為了取代目前大多數(shù)家庭所依賴的天然氣，更是為了以安全可靠的方式減少碳排放。氫能城鎮(zhèn)將為家庭、企業(yè)和社區(qū)提供有意義的選擇，對英國全國范圍內氫能的經濟效益和規(guī)模化發(fā)展十分重要[27]。

3.5 德國政府《國家氫能戰(zhàn)略》

德國高度重視“綠色氫能源”，將氫視為德國能源轉型成功的關鍵原材料。2020年6月，德國政府發(fā)布了總投資將達90億歐元的《國家氫能戰(zhàn)略》，推出38項具體措施，涵蓋氫的生產制造和應用等多個方面。在生產領域，致力于對傳統(tǒng)電解氫生產方式的革新，政府鼓勵使用可再生能源產生的過量電力生產氫氣；在存儲領域，研究氫的各種存儲技術的可能性，比如地下儲氫、利用現(xiàn)有天然氣存儲設施儲氫、固態(tài)儲氫等；在運輸領域，除了關注利用德國發(fā)達的天然氣管網傳輸氣態(tài)氫外，還鼓勵根據(jù)氫可與不飽和有機化合物反應形成能量豐富液體的特點，開發(fā)有機液體氫化物儲氫技術，使氫能像石油一樣存儲或運輸；在應用領域，德國專注于改善氫燃料電池的效率、壽命和性能。此外，在太陽能、環(huán)保以及氣候保護方面，德國政府也做出了相應的努力，將《國家氫能戰(zhàn)略》作為減少該國溫室氣體排放計劃的一部分,多主體行動致力環(huán)境保護。德國希望2050年實現(xiàn)氣候中和的目標以及交通運輸部門的減排目標，計劃建設眾多加氫站，形成歐洲最大的加氫站網絡。預計到2030年，德國所建氫氣生產設施的產能將達到5 GW[28]。

3.6 中國氫能計劃

據(jù)統(tǒng)計，我國氫氣產能約每年4100萬噸，產量約3342萬噸，是世界第一產氫國[29]。我國氫氣主要來源是“灰氫”，即化石能源制氫，主要是工業(yè)副產氫，“藍氫”和可再生能源制取的“綠氫”的占比需進一步提升?，F(xiàn)如今我國已將氫能產業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)，從鼓勵創(chuàng)新與投資、獎勵與優(yōu)惠等多方面頒布了多項支持政策，各級地方政府與企業(yè)積極開展產業(yè)布局和項目建設[30]，相關重要政策列于表1。

表1 2016～2020年國家層面氫能產業(yè)典型政策[30]Table 1 Typical policies for hydrogen energy industry at national level from 2016 to 2020[30]

2020年底國務院發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書[31]，提出要加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系，提出了加速發(fā)展“綠氫”制取、儲運和應用等氫能產業(yè)鏈技術裝備，促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產業(yè)鏈發(fā)展。“十四五”規(guī)劃明確我國將積極布局氫能產業(yè)，并部署了一批氫能重點專項任務[32]。2021年全國兩會召開期間，“2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標也被首次寫入政府工作報告。兩會提出，綠色轉型可以從優(yōu)化產業(yè)結構和調整能源結構入手，加快發(fā)展地熱、氫能等新能源，有序開展綠色清潔能源替代。2021年上半年，國內各省紛紛出臺了“十四五”規(guī)劃綱要，全國大部分省、自治區(qū)、直轄市均把發(fā)展氫能相關的目標列入“十四五”規(guī)劃綱要中[33]，如表2所列。

表2 中國主要地區(qū)氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃[33]Table 2 Hydrogen energy industry development plan of major regions in China[33]

我國對于氫燃料電池汽車的發(fā)展也給予了多項具體政策支持，在2020年出臺的《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》等文件中，明確提出要大力發(fā)展氫燃料電池汽車，提出要攻克氫能儲運、加氫站和車載儲氫等燃料電池汽車應用支撐技術[34]；并提出到2030年，我國要實現(xiàn)氫燃料電池汽車保有量200萬輛的目標。另外，國務院《2020政府工作報告》也明確要引導加大氫燃料電池基礎科研投入。在國家政策大力支持下，我國氫燃料電池汽車的產業(yè)發(fā)展將不斷加速，市場將不斷擴大。

目前國內氫能源及氫燃料電池產業(yè)鏈仍處于起步階段，在諸多環(huán)節(jié)和產品的技術經濟性和可靠性上還有很大差距。關鍵核心技術的自主可控是最重要的，所以要在關鍵裝備制造和關鍵材料的開發(fā)制備上下大力氣。隨著我國氫能產業(yè)的頂層設計的推出以及各地氫燃料電池產業(yè)規(guī)劃的推進，相關技術有望得到突破，規(guī)?；瘧靡矊沓杀鞠陆?，這將加快氫能的商業(yè)化應用進程。

4 結 語

氫能作為一種高能量密度、清潔高效能源，在解決能源危機、全球變暖及環(huán)境污染等方面發(fā)揮著重要作用。基于可再生能源電分解水制氫以及光催化水分解制氫有望成為大規(guī)模制氫發(fā)展趨勢。儲氫技術是氫能應用的關鍵，今后研究重點應集中在新型高效安全的儲氫材料的研發(fā)。氫燃料電池技術是新能源汽車產業(yè)的核心技術，現(xiàn)階段通過改良催化劑以及研發(fā)新型電極材料降低成本、提高安全性，推進燃料電池新能源汽車大范圍推廣。

梳理多國對氫能產業(yè)和技術的重點建設，可以看到未來30年全球能源市場需求結構將發(fā)生根本變化，化石燃料的比例持續(xù)降低，清潔能源份額將不斷增長，氫能產業(yè)會有很大的空間?？梢灶A測，未來幾乎所有的經濟領域都將考慮使用綠色氫能，這將有利于增加氫能的未來需求，還有利于通過潛在的協(xié)同作用來降低綠色氫能價值鏈中的成本。

總的來看，氫能的研究并不局限于技術層面，更將涉及到能源安全、能源技術、氫能產業(yè)、社會消費等更加廣闊的層面，這將對未來社會具有巨大的潛在經濟價值和重要的戰(zhàn)略意義。氫能系統(tǒng)的構建和發(fā)展，必將成為涉及到運輸、建筑、工業(yè)、制造、電力以及全社會普遍能源利用的一次巨大的產業(yè)革命。