王振華，王 麗，鄒業(yè)成，李永哲

（山東東岳未來氫能材料股份有限公司，山東 淄博256401）

2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會(huì)明確提出中國力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年碳達(dá)峰、碳中和被首次寫入政府工作報(bào)告，已列入中國十四五規(guī)劃中，成為中國“十四五”污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的主攻目標(biāo)[1]。

中國2020年碳排放總量約為98.9億t，占全球碳排放量的比重達(dá)30.7%。其中，能源活動(dòng)排放量占碳排放總量的8成以上，按應(yīng)用方向分依次集中于發(fā)電44%、鋼鐵18%、建材13%和交通運(yùn)輸13%等。能源的生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)必須走綠色低碳的道路。綠色電力供應(yīng)、鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳、交通運(yùn)輸全面電動(dòng)化等至關(guān)重要[2]。

氫本身完全無碳、獲取來源廣泛、能量密度高、易于長時(shí)間大規(guī)模集中存儲(chǔ)，被譽(yù)為“終極能源”。未來氫不僅可在交通運(yùn)輸領(lǐng)域與鋰電池推動(dòng)實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化，更可與大規(guī)模的可再生能源耦合，解決調(diào)峰消納難題，構(gòu)建起新型零碳供能體系，還可以助力鋼鐵、冶金、建筑等行業(yè)全面減碳。

1 氫與氫能

氫元素構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，具有密度特別小、液化溫度低、擴(kuò)散速度快、質(zhì)量能量密度特別高等特點(diǎn)，其燃燒熱值達(dá)到142.4 MJ/kg，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍[3，6]。

氫作為一種能量載體，作用與電相似，均可通過多種能源和技術(shù)生產(chǎn)，且二者可互相轉(zhuǎn)化，用于諸多領(lǐng)域。因此，氫能是一種“二次能源”甚至“三次能源”，是聯(lián)系一次能源（化石能源、可再生能源等）和能源用戶的中間紐帶。當(dāng)今電能就是應(yīng)用最廣的“二次能源”，但直接貯存成本極高，因此亟需不依賴化石燃料的、綠色、可再生、易儲(chǔ)存運(yùn)輸且可與電互換互補(bǔ)的新二次能源。

全球?qū)涞男枨笾饾u增長，2018年約為7000萬t，較1975年增長了約4倍。目前主要應(yīng)用是作為原料用于煉油、煤化工以及合成氨等工業(yè)領(lǐng)域。氫氣生產(chǎn)中，以煤、天然氣等化石能源制氫是主要方式，工業(yè)副產(chǎn)氫占比超過1/3，而可再生能源等低碳方式不足0.7%。 國際氫能理事會(huì)預(yù)測(cè)，2050年全球氫需求將增長10倍以上，占能源比重約18%，減排60億t溫室氣體，形成產(chǎn)值2.5萬億美元[4]。2018年全球氫氣生產(chǎn)及應(yīng)用的結(jié)構(gòu)分析圖見圖1。

2019年中國氫氣產(chǎn)能約4 100萬t/a，產(chǎn)量約為3 342萬t，是世界第一產(chǎn)氫國。煤、天然氣制氫總量達(dá)到2 584萬t，占77.3%；工業(yè)副產(chǎn)氫708萬t，占21.2%；電解水制氫約50萬t，僅占不到2%。從終端消費(fèi)來看，合成氨是最大下游消費(fèi)領(lǐng)域，占比32.3%；甲醇、石油煉化與煤化工占比共51.7%，交通領(lǐng)域作為能源使用的占比小于0.1%。在2030年碳達(dá)峰情景下，中國氫氣的年需求量將達(dá)到3 715萬t，在終端能源消費(fèi)中占比約5%。在2060年碳中和情景下，中國氫氣的年需求量將增至1.3億t左右，在終端能源消費(fèi)中占比約為20%[4]。2019年中國氫氣生產(chǎn)與應(yīng)用的結(jié)構(gòu)分析圖見圖2。

2 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

圖1 全球氫氣生產(chǎn)及應(yīng)用的結(jié)構(gòu)分析（2018年）

圖2 中國氫氣生產(chǎn)與應(yīng)用的結(jié)構(gòu)分析（2019年）

20世紀(jì)70年代，美國賓夕法尼亞大學(xué)約翰·鮑克里斯（John Bockris）首次提出“氫能經(jīng)濟(jì)”概念[5]，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究以及氫能產(chǎn)業(yè)開始初步探索[7]。20世紀(jì)90年代，氣候問題成為關(guān)注焦點(diǎn)，氫能的零碳綠色再次獲得全球高度關(guān)注。美國先后出臺(tái)《1990年氫氣研究、開發(fā)及示范法案》《氫能前景法案》。1993年，日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）牽頭開展了為期10年的“氫能源系統(tǒng)技術(shù)研究開發(fā)”項(xiàng)目；歐盟和加拿大開始共同探討一系列氫的儲(chǔ)存和使用案例，以氫能應(yīng)用引領(lǐng)的材料與技術(shù)革命為未來的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)[5，6，8-11]。

21世紀(jì)初，氫能產(chǎn)業(yè)迎來了快速發(fā)展的關(guān)鍵期，全球各國注重加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和加大產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范推廣力度。2001年美國政府率先發(fā)布全球首個(gè)《國家氫能發(fā)展路線圖》，正式提出在未來5年投入12億美元研究氫能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)[7]。隨后歐盟25國開展合作研究“European Research Area（ERA）”項(xiàng)目，重點(diǎn)攻關(guān)氫能和燃料電池領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，并出臺(tái)燃料電池與氫聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（FCH-JU），投資10多億歐元用于氫能和燃料電池的研發(fā)；德國政府在2004年成立了國家氫能與燃料電池組織（NOW），啟動(dòng)國家創(chuàng)新計(jì)劃（NIP）[11]。

近10年，氫能技術(shù)成熟度明顯提升，示范應(yīng)用成果受到廣泛認(rèn)可，氫能經(jīng)濟(jì)、氫能社會(huì)慢慢從概念、模型中顯露出真實(shí)的輪廓。占全球GDP約52%的27個(gè)國家都制定了國家氫能戰(zhàn)略。2015年，美國能源部提出推動(dòng)氫能大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，每年為氫能和燃料電池提供的資金1億美元到2.8億美元。2021年，拜登政府提出將撥出95億美元獎(jiǎng)金用于支持氫能領(lǐng)域。日本將氫能與電力、熱力共同作為“二次能源”，2014年《第四次能源基本計(jì)劃》中明確提出構(gòu)建氫能社會(huì)；2030年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)80余萬輛氫燃料電池汽車、建設(shè)900座加氫站、部署530萬個(gè)家用氫熱電聯(lián)供裝置。韓國政府于2018年發(fā)布了《氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)路線圖》，旨在推動(dòng)氫能燃料電池汽車的普及；2019年發(fā)布《氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》明確到2040年氫燃料電池汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)量達(dá)到620萬輛，加氫站增至1 200個(gè)，氫燃料電池總發(fā)電量達(dá)到15 GW。2016年歐盟發(fā)布《可再生能源指令》，將氫能作為能源系統(tǒng)的重要組成部分；全面加強(qiáng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、規(guī)劃氫生產(chǎn)及應(yīng)用等示范及商業(yè)化探索；2020年7月，歐盟對(duì)外公示了《歐盟氫能戰(zhàn)略》，計(jì)劃未來十年內(nèi)向氫能產(chǎn)業(yè)投入5 750億歐元；2021年8月，英國政府發(fā)布了其首個(gè)氫戰(zhàn)略規(guī)劃，2050年英國20%~35%的能源消耗將以氫為基礎(chǔ)[6，8，11-15]。 各種儲(chǔ)能技術(shù)的適用場(chǎng)景示意圖見圖3。

圖3 各種儲(chǔ)能技術(shù)的適用場(chǎng)景[8]

中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展略晚于發(fā)達(dá)國家，但20余年來飛速發(fā)展，2018年以后成為全球氫能發(fā)展的焦點(diǎn)地區(qū)。2001年中國科技部發(fā)布“863電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)技術(shù)”的“三縱三橫”體系中已明確氫燃料電池汽車方向，2010年以來，國家部委、地方政府對(duì)氫能支持力度不斷加大，已有30余省市出臺(tái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃及支持意見，“十四五”期間更是在雙碳背景下列為多省重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)方向；2019年加強(qiáng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)首次被寫入政府工作報(bào)告；2020年財(cái)政部牽頭，五部委印發(fā)《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，正式開啟氫燃料電池汽車規(guī)劃化商業(yè)推廣的序幕。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，2035年氫燃料電池汽車保有量達(dá)百萬輛[7]。

在40余年的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，全球已涌現(xiàn)出大量杰出的企業(yè)持續(xù)開展氫能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化發(fā)展。加拿大巴拉德首次將質(zhì)子交換膜氫燃料電池用于汽車上；美國Plug Power公司已成為全球領(lǐng)先的氫燃料電池叉車及應(yīng)用生態(tài)企業(yè)；日本豐田2014年推出的氫燃料電池汽車MIRAI驚艷全球，成為氫燃料電池汽車的標(biāo)桿；韓國現(xiàn)代NEXO后來居上，已成為全球單一銷量最多的氫燃料電池汽車等。近5年中國氫能產(chǎn)業(yè)化速度明顯加快，尤其是企業(yè)、資本的關(guān)注與參與大幅增加，已涌現(xiàn)出包括億華通、重塑、上汽捷氫、東岳氫能等一批骨干企業(yè)正在全面加快發(fā)展步伐，努力實(shí)現(xiàn)后來居上。

3 氫能應(yīng)用

基于對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高度重視、持續(xù)投入和不斷實(shí)踐，美、日、歐、韓及中國等國家在氫能應(yīng)用上已積累較多經(jīng)驗(yàn)，氫能的潛力已被證實(shí)，遠(yuǎn)不止于交通運(yùn)輸領(lǐng)域，在新能源體系、工業(yè)脫碳及醫(yī)療農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也擁有著巨大潛力，很可能全面滲透入人們未來的生產(chǎn)生活中。

3.1 交通運(yùn)輸

自1879年卡爾·本茨發(fā)明出第一臺(tái)單缸煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)開始，油氣能源在交通運(yùn)輸領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)，能源危機(jī)、尾氣污染等問題帶來持續(xù)困擾，全面電動(dòng)化/零排放已成為未來發(fā)展的必然選擇。鋰電池是目前電動(dòng)化主要采用的技術(shù)方式，然而鋰電池能量密度、安全性及回收難等問題到目前為止仍很難有效解決。氫能作為另一技術(shù)路線，目前已被越來越多地應(yīng)用在汽車、工業(yè)機(jī)械、軌道交通等各方向，氫燃料電池作為氫能最主要也是最理想的應(yīng)用形式，裝機(jī)總量不斷增長，已成為目前氫能應(yīng)用的主要方向。

（1）氫燃料電池汽車

1966年美國通用汽車首次真正將氫燃料電池（堿性）應(yīng)用在汽車上（Electrovan），將所有的燃料電池部件和儲(chǔ)氫罐裝在面包車的后部，整車僅容下兩人，行駛里程約120英里。1993年加拿大巴拉德動(dòng)力公司研制出世界首輛質(zhì)子膜氫燃料電池汽車。

近20年，戴姆勒、現(xiàn)代、豐田等各個(gè)車企在氫燃料電池汽車方面不斷研發(fā)改進(jìn)，已陸續(xù)開發(fā)出NECAR、NEXO、MIRAI等一系列標(biāo)志性的車型，也快速打開了氫燃料電池在全球各類車型上的全面應(yīng)用。與美日韓等國主推氫燃料電池乘用車不同，中國基于自身國情實(shí)際，公交車、城際客車、輕中卡、環(huán)衛(wèi)車、渣土車、牽引車等商用車的應(yīng)用推廣更獲得政府與企業(yè)的高度重視與支持，減碳貢獻(xiàn)顯著。據(jù)氫云鏈數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，截至2020年底全球氫燃料電池汽車保有量已達(dá)到33 398輛，其中韓國10 906輛、美國8 931輛、中國7 355輛、日本4 838輛[15-18]。

（2）氫燃料電池工業(yè)機(jī)械

工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用最早、應(yīng)用量最多的是叉車。與內(nèi)燃機(jī)、鉛酸電池、鋰電池叉車相比，氫燃料電池具有零排放、動(dòng)力續(xù)航長、充注時(shí)間短、耐低溫性能好等明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，特別適合于大規(guī)模、集中化的高頻應(yīng)用，尤其是室內(nèi)、低溫場(chǎng)景。美國Plug Power公司長期深耕氫燃料電池叉車領(lǐng)域，已大量應(yīng)用在倉儲(chǔ)運(yùn)輸中，累計(jì)產(chǎn)銷量已超過2.5萬輛。中國叉車領(lǐng)域電動(dòng)化正在快速進(jìn)行，目前天津港、上海青浦區(qū)工業(yè)園等地也已啟動(dòng)氫燃料電池叉車的應(yīng)用示范，未來叉車將成為國內(nèi)氫燃料電池應(yīng)用的一片新藍(lán)海。此外，2019年，青島港率先投用了全球第一個(gè)氫動(dòng)力軌道吊車，為氫能港口和工業(yè)機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域做出新探索。

（3）氫燃料電池軌道交通

世界上第一輛氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)車誕生于2002年，美國Vehicle Projects公司和加拿大Placer Dome礦業(yè)公司聯(lián)合開發(fā)了世界上首個(gè)用于地下金礦開采的氫燃料電池拖運(yùn)機(jī)車；2018年薩克森州正式啟用首列氫燃料電池客運(yùn)列車，實(shí)現(xiàn)氫能在軌道交通領(lǐng)域的商業(yè)化運(yùn)行。2019年11月，中國佛山市高明區(qū)正式啟動(dòng)全球首條氫燃料電池輕軌的商業(yè)化運(yùn)行，該輕軌車由中車集團(tuán)制造，最大可載客360人，最高運(yùn)行時(shí)速為70 km/h，每列車頂部安裝6個(gè)儲(chǔ)氣瓶，續(xù)航能力達(dá)100 km[20]。

（4）氫燃料電池船舶

氫燃料電池的技術(shù)特點(diǎn)非常適合作為船舶電動(dòng)化的動(dòng)力系統(tǒng)，已獲得了諸多國家重視。2019年9月，美國GGZEM公司的美國首艘氫燃料電池客船“Water-Go-Round”號(hào)試運(yùn)行；2021年美國首艘氫燃料電池船“Sea Change”號(hào)開始在加利福尼亞州舊金山灣投入運(yùn)營；歐盟資助的 “旗艦計(jì)劃（FLAGSHIPS）”于2019年1月啟動(dòng)，支持法國船舶運(yùn)營商CFT在隆河谷運(yùn)營一艘氣態(tài)氫燃料頂推船，挪威開發(fā)一艘Norled公司的車客渡船；中國內(nèi)河湖泊的水上航運(yùn)減碳?jí)毫艽?，?duì)船用氫燃料電池應(yīng)用需求迫切、市場(chǎng)空間巨大。近日，氫燃料電池游船“仙湖1號(hào)”在廣東佛山下水運(yùn)行，由武漢長江船舶設(shè)計(jì)院、中船重工712所聯(lián)合研發(fā)設(shè)計(jì)的氫燃料電池動(dòng)力船通過方案設(shè)計(jì)審查，意味著國內(nèi)燃料電池船舶技術(shù)管理和實(shí)踐或?qū)⑦M(jìn)入新階段。

（5）其他交通運(yùn)輸

目前，氫能在航空器、自行車、軍用潛艇等方面也有較多的應(yīng)用探索。2012年，遼寧通用航空研究院聯(lián)合中航工業(yè)研制的“雷鳥”（LN60F）氫燃料電池固定翼無人機(jī)首次試飛成功。中國的武漢眾宇動(dòng)力、北京新研創(chuàng)能、深圳科比特等企業(yè)不斷在民用及工業(yè)級(jí)無人機(jī)產(chǎn)品上提升續(xù)航表現(xiàn)，可滿足長時(shí)間的能源巡檢、公共安全、應(yīng)急救援、測(cè)繪、環(huán)保等工業(yè)應(yīng)用需求；2020年9月英國的ZeroAvia公司成功試飛全球首個(gè)由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的商用飛機(jī)，正式開啟了氫燃料電池在載人航空器上的應(yīng)用。

2001年意大利ENEA推出了首個(gè)氫能源自行車；2017年在法國環(huán)境與能源署支持下，Pragma Industries公司推出了一款氫燃料電池動(dòng)力自行車（Alpha bike），并有數(shù)十輛的示范應(yīng)用。中國的氫燃料電池自行車項(xiàng)目始于2004年，但真正的產(chǎn)品是2007年上海攀業(yè)展示的國內(nèi)首個(gè)氫燃料電池自行車PHB，并在2008年為西班牙世博會(huì)提供20輛氫燃料電池自行車進(jìn)行服務(wù)，近20年來，國內(nèi)外氫燃料電池電動(dòng)車發(fā)展更迭較快，但受加氫便利性和購置成本等因素影響，大規(guī)模商業(yè)化推廣仍緩慢。

1980年，德國開始研究潛艇用燃料電池系統(tǒng)，并于1987年霍瓦茲船廠改裝了205型潛艇U-1號(hào)，使用堿性燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。隨后，研制質(zhì)子膜燃料電池作為主動(dòng)力的212型潛艇，使用固態(tài)儲(chǔ)氫罐和液氧罐儲(chǔ)存，安全性和可靠性在試運(yùn)行中得到驗(yàn)證。1988年蘇聯(lián)海軍也將堿性燃料電池安裝在“卡特蘭”號(hào)潛艇試驗(yàn)。中國海軍也在積極開展氫氧燃料電池常規(guī)潛艇的研制工作，目前還未有下海驗(yàn)證的相關(guān)報(bào)道。未來隨著儲(chǔ)氫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)成熟度不斷提升，燃料電池很有希望成為常規(guī)潛艇新動(dòng)力技術(shù)。

交通運(yùn)輸領(lǐng)域除了氫燃料電池這一利用形式外，氫內(nèi)燃機(jī)很早就獲得了關(guān)注和探索。早在1852年，慕尼黑的宮廷鐘表匠便制成了世界上第一臺(tái)氫內(nèi)燃機(jī)；1972年，德國大眾汽車研制的氫內(nèi)燃機(jī)汽車在美國舉行的城市交通工具對(duì)大氣污染最小的比賽中獲得第一名；1979年，寶馬汽車集團(tuán)研制的第一輛氫內(nèi)燃機(jī)汽車實(shí)現(xiàn)上路；2007年，寶馬發(fā)布了世界首款氫動(dòng)力汽車“氫能7系”。2007年，中國長安汽車與北京理工大學(xué)合作研究氫內(nèi)燃機(jī)汽車。2021年5月，在中國品牌博覽會(huì)上中國一汽紅旗展出最新一代的氫內(nèi)燃機(jī)。國際領(lǐng)先飛機(jī)制造企業(yè)法國空客公布其氫動(dòng)力飛機(jī)計(jì)劃，將于2035年推出3款以液氫為燃料的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)大型商業(yè)飛機(jī)。氫內(nèi)燃機(jī)雖然研制較早，但目前來說交通運(yùn)輸領(lǐng)域的商業(yè)化示范應(yīng)用還很少。

3.2 能源變革

當(dāng)前中國的一次能源中煤和石油等化石能源仍占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是煤力比例遠(yuǎn)高于世界平均水平和發(fā)達(dá)國家，導(dǎo)致碳排放總量居世界第一。雖然國家已在交通運(yùn)輸領(lǐng)域大力推廣新能源汽車來降低碳排放，但真正碳中和的社會(huì)必須要從能源端實(shí)現(xiàn)變革，構(gòu)建以綠色可再生能源為主導(dǎo)的新能源體系[21-24，26]。

（1）光伏、風(fēng)電耦合儲(chǔ)能

據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年太陽能和風(fēng)能將成為世界上主要的能源來源，兩者合計(jì)提供全球62%的電力能源?？稍偕茉吹牟▌?dòng)、間隙、分布不均將使電網(wǎng)消納利用的壓力激增，與傳統(tǒng)的抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能方式相比，氫能可通過充分利用棄電轉(zhuǎn)化為氫集中存儲(chǔ)，并在需要時(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)化為電并網(wǎng)供應(yīng)，整個(gè)過程可實(shí)現(xiàn)完全的零碳循環(huán)。2018年日本在福島實(shí)施的FH2R項(xiàng)目，是目前世界最大的可再生能源制氫及電網(wǎng)平衡項(xiàng)目?？得魉乖诘湹腍yBalance項(xiàng)目利用可再生能源風(fēng)能電解水制造綠氫，同樣發(fā)揮著平衡電網(wǎng)的作用。中國目前大量能源企業(yè)也開始快速布局相關(guān)示范項(xiàng)目，國電投、中石化、隆基股份等均已公布項(xiàng)目計(jì)劃。未來30年，氫能將大量應(yīng)用于與可再生能源耦合構(gòu)建起的新能源體系，電解制氫與燃料電池發(fā)電市場(chǎng)潛力巨大[21，22，26，27]。

此外，將可再生能源電解水制得的“綠氫”與天然氣混摻，通過天然氣加氫工藝儲(chǔ)存為家用天然氣，既利用了氫氣火焰?zhèn)鞑タ斓奶攸c(diǎn)，又能降低碳排放，還能通過燃?xì)夤芫W(wǎng)解決氫能輸運(yùn)的難題。歐盟通過Power to Gas（PtG）技術(shù)利用可再生能源發(fā)電大規(guī)模制取并通過管道輸送氫氣，建成目前全球最長天然氣摻氫管道輸送，最大程度解決歐洲可再生能源利用和運(yùn)輸問題。日本為了實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模發(fā)電，2018年起在Port Land地區(qū)推進(jìn)含20%氫的天然氣混合燃料的燃?xì)廨啓C(jī)混燒發(fā)電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與示范，并開展500 MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。川崎重工于2018年在全球率先實(shí)現(xiàn)以100%氫氣作為1 MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組的燃料，在測(cè)試期內(nèi)即向神戶市中央?yún)^(qū)人工島Port Land內(nèi)提供了功率為1.1 MW的電能和2.8 MW的熱能。隨著降低NOx值、提高發(fā)電效率等技術(shù)難題的突破，將使氫氣或摻氫天然氣大規(guī)模發(fā)電替代煤電成為可能[28，29]。風(fēng)光可再生能源耦合的氫儲(chǔ)能應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 風(fēng)光可再生能源耦合的氫儲(chǔ)能應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖[26]

（2）分布式發(fā)電/微電網(wǎng)

氫燃料電池分布式發(fā)電是采用氫燃料電池替代傳統(tǒng)火電、水電等的發(fā)電機(jī)組。目前質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和磷酸燃料電池（PAFC）3種均可用于分布式發(fā)電，其中PAFC和SOFC均可用于大型分布式發(fā)電系統(tǒng)。PEMFC成本略高，啟動(dòng)速度快，體積功率密度高，通常用于小型分布式發(fā)電。氫燃料電池作為分布式電源或組建微電網(wǎng)適合在電力基礎(chǔ)配套薄弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)、獨(dú)立的海島、高原地區(qū)甚至邊防哨所等，可利用充足的可再生能源與氫能共同實(shí)現(xiàn)綠色可靠的供能需求。美國Bloom Energy于2009年開始實(shí)現(xiàn)了數(shù)百千瓦到數(shù)兆瓦的中型SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用，發(fā)電效率60%（LHV）以上；美國FuelCell Energy、LG Fuel Cell Systems和日本三菱（日立）也成功示范運(yùn)行50~250 kW的SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)。中國的分布式發(fā)電系統(tǒng)，尤其是SOFC分布式發(fā)電的技術(shù)水平較國外仍有一定差距，目前商業(yè)化示范應(yīng)用案例較少[25，30]。

（3）家用/商用熱電聯(lián)供

氫燃料電池家熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種將制氫、供熱水及發(fā)電過程有機(jī)結(jié)合在一起的能源利用系統(tǒng)，將制氫與發(fā)電預(yù)熱充分利用，大大提高了能源利用率，經(jīng)濟(jì)效益良好。日本自2009年開始推廣家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（Ene-farm），是目前世界上規(guī)模最大、推廣最成功的商業(yè)化燃料電池利用系統(tǒng)，到2019年4月，日本家庭熱電聯(lián)產(chǎn)裝置數(shù)量已超過30萬臺(tái)，到2030年，日本計(jì)劃達(dá)到530萬臺(tái)。歐洲FCHJU主導(dǎo)實(shí)施了Ene-field示范項(xiàng)目，在2012－2017年共花費(fèi)資金5 200萬歐元，11個(gè)國家支持推廣了1 046套300～500 W的微型燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置。2017年又啟動(dòng)了新一期5年計(jì)劃“PACE項(xiàng)目”，預(yù)算9 000萬歐元，計(jì)劃在11個(gè)國家推廣2 800套裝置[11，12]。

（4）備用電源/移動(dòng)式供能

氫燃料電池因耐候性好，長時(shí)間儲(chǔ)能衰減少、能量密度高、續(xù)航時(shí)間長、充能速度快等特點(diǎn)，還被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊基站、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)急備用電源以及戶外移動(dòng)電源等領(lǐng)域。此類產(chǎn)品在替代鋰電池備用電源方面具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但因成本和配套加氫等問題尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

3.3 工業(yè)脫碳

相比于可再生能源為主導(dǎo)方向的能源減碳路徑，受工業(yè)脫碳技術(shù)、成本等多因素影響，目前仍存在諸多不確定性?？上驳氖?，氫與氫能在冶金工業(yè)中的顯著作用已被驗(yàn)證，未來將成為鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳的有效路徑。氫冶金是指用氫替換煤和焦炭作為高熱燃料和煉鐵還原劑，使煉鐵工序大幅減少碳排放。該技術(shù)為直接還原煉鐵技術(shù)，目前單模塊直接還原煉鐵設(shè)備生產(chǎn)規(guī)?？蛇_(dá)250萬t/a，也為氫能煉鐵領(lǐng)域奠定了裝備基礎(chǔ)。2019年德國宣布“以氫代煤”煉鐵，用氫氣作為高爐還原劑以減少煉鐵過程中的碳排放；2018年啟動(dòng)的瑞典鋼鐵HYBRIT項(xiàng)目將在2035年之前形成基于氫冶金的無碳解決方案。韓國政府亦將氫還原煉鐵法指定為國家核心技術(shù)，采取成熟的氫還原煉鐵工藝將使韓國碳排放降低15%以上。2019年中國寶武集團(tuán)、中核集團(tuán)及清華大學(xué)簽訂核制氫與氫煉鐵耦合項(xiàng)目，助力中國工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，近期擬建設(shè)百萬噸級(jí)氫冶金示范工廠；2020年河鋼集團(tuán)啟動(dòng)建設(shè)“全球首例富氫氣體直接還原示范工程”，打造120萬t/a規(guī)模的氫冶金示范工程。中國“十四五”規(guī)劃也明確提出將加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展的建議驅(qū)動(dòng)下，中國應(yīng)統(tǒng)籌推進(jìn)氫能應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，制定詳細(xì)的氫能冶金規(guī)劃，構(gòu)建氫的生態(tài)系統(tǒng)[6，10，11]。

4 氫能產(chǎn)業(yè)的未來展望及發(fā)展建議

氫作為新型二次能源越來越受到全球主要國家和企業(yè)的重視。近幾年氫能的商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域被不斷拓展，從地上交通走向航空水運(yùn)，從供熱供能開始走向儲(chǔ)能調(diào)峰與工業(yè)脫碳，從軍用、工業(yè)級(jí)產(chǎn)品走向小型化消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品等。在雙碳目標(biāo)指引下，中國的可再生能源與新能源汽車產(chǎn)業(yè)將在未來30年里迎來確定性的高速發(fā)展，鋼鐵等冶金產(chǎn)業(yè)也亟需找到脫碳的有效方式，氫能產(chǎn)業(yè)目前處于爆發(fā)式增長的前夜，有望在5年后真正迎來配套完善、規(guī)模提升、效益顯著、全面應(yīng)用的發(fā)展新階段。其中，質(zhì)子膜水電解制氫、質(zhì)子膜燃料電池、液流電池儲(chǔ)能等技術(shù)方向的增長潛力最大。

從世界各國的經(jīng)驗(yàn)來看，氫能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展需要解決政策保障、技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、基礎(chǔ)配套、成本控制、社會(huì)認(rèn)知等多方面問題。2017年以來，中國多地政府密集出臺(tái)大量支持政策推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，企業(yè)、高校院所以及投資機(jī)構(gòu)熱情高漲，近1/3央企積極布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，近半數(shù)能源企業(yè)涉足氫能。然而產(chǎn)業(yè)鏈中部分核心技術(shù)存在短板、很大程度上制約了中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此對(duì)于未來一段時(shí)期中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出以下建議。

（1）加強(qiáng)頂層規(guī)劃與設(shè)計(jì)?！笆奈濉币?guī)劃已明確提出氫能作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略地位，亟需制訂國家氫能戰(zhàn)略，明確氫能發(fā)展定位，面向不斷拓展的氫能新應(yīng)用，滾動(dòng)制訂切合實(shí)際的中長期發(fā)展目標(biāo)和配套政策，堅(jiān)定推進(jìn)氫能的規(guī)模化應(yīng)用及生產(chǎn)體系建設(shè)。

（2）建立健全的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)與政策保障體系。盡早將氫能作為支撐雙碳目標(biāo)的重要能源形式制定政策，結(jié)束僅以單一“危化品”維度的一刀切式管理；明確政府主管部門，不斷完善標(biāo)準(zhǔn)體系，制訂長效支持舉措，統(tǒng)籌政府、企業(yè)和資本等各界資源，積極引導(dǎo)鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化投入，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

（3）以市場(chǎng)應(yīng)用為導(dǎo)向，強(qiáng)化技術(shù)開發(fā)和探索示范推廣。氫燃料電池汽車、尤其是商用車方向是當(dāng)前中國氫能發(fā)展應(yīng)用的重點(diǎn)，但基于中國實(shí)際，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氫儲(chǔ)能在可再生能源的消納和解決新能源并網(wǎng)問題，以及氫冶金等領(lǐng)域的巨大潛力。借鑒歐洲、日本等技術(shù)領(lǐng)先國家在氫能發(fā)展方面的經(jīng)驗(yàn)，探索更多、更好的氫能利用方案。同時(shí)，中國氫能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)儲(chǔ)備及產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)較為薄弱，應(yīng)鼓勵(lì)企業(yè)加大氫能技術(shù)攻關(guān)，尤其是核心關(guān)鍵材料及產(chǎn)業(yè)化裝備的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主化。

（4）提升格局和定位，增強(qiáng)中國氫能產(chǎn)業(yè)鏈綜合競(jìng)爭(zhēng)力。氫能產(chǎn)業(yè)鏈長，“制儲(chǔ)運(yùn)加用”各環(huán)節(jié)緊密相扣，任何環(huán)節(jié)存在短板或脫節(jié)都會(huì)制約整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國正處產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的地域分布嚴(yán)重不均，且投入大、回報(bào)低，各地政府對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用示范的支持力度差異較大，使得各環(huán)節(jié)企業(yè)主體的深化合作存在一定障礙，很容易產(chǎn)生互相觀望等待，而部分企業(yè)不斷低水平重復(fù)建廠以獲取短期市場(chǎng)及資金支持，進(jìn)一步降低了技術(shù)研發(fā)攻關(guān)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力提升方面投入的準(zhǔn)確性和有效性。2020年9月，財(cái)政部牽頭發(fā)布的《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》已釋放明確信號(hào)，鼓勵(lì)未來示范期內(nèi)跨區(qū)域、跨產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共同增強(qiáng)中國氫能產(chǎn)業(yè)鏈的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，這樣才能使中國的氫能產(chǎn)業(yè)在能源體系變革中、在全球競(jìng)爭(zhēng)中盡快脫穎而出。

5 結(jié)語

中國是能源需求大國，經(jīng)濟(jì)的快速增長伴隨著未來相當(dāng)長一段時(shí)間里能源消費(fèi)量仍將繼續(xù)增長，能源戰(zhàn)略安全問題與低碳環(huán)保壓力將更加嚴(yán)峻。雙碳目標(biāo)指引下，構(gòu)建可再生能源為主的新型能源體系勢(shì)在必行，交通、工業(yè)等減碳脫碳也成為必然選擇，氫能將在其中扮演必不可少的重要角色。

當(dāng)前氫能應(yīng)用已在交通運(yùn)輸、分布式供能等領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用示范，正在快速規(guī)?；?、商業(yè)化推廣；在鋼鐵冶金脫碳、可再生能源耦合儲(chǔ)能等領(lǐng)域受到高度重視，并已開始規(guī)?；瘧?yīng)用；在建筑、航空、船運(yùn)、軍工國防等領(lǐng)域也開始有諸多探索，應(yīng)用前景極具想象空間。當(dāng)然，目前成本、配套、標(biāo)準(zhǔn)、政策以及社會(huì)認(rèn)知等方面還制約著氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但看待氫能發(fā)展的目光應(yīng)該更長遠(yuǎn)，這不是一個(gè)5年、10年的短期賽道，而是具有30年、50年甚至更久遠(yuǎn)的廣闊空間。中國的氫能發(fā)展已獲得政府、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)與資本等各界的高度重視和關(guān)注，已具有良好的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，相信在未來的雙碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代將會(huì)爆發(fā)出驚人的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。