氢能与燃料电池的发展现状分析及展望

2023-01-19＊张爽

当代化工研究 2022年11期

关键词：储氢制氢氢能

＊张爽

（北京新材料和新能源科技发展中心北京 100094）

引言

随着我国可再生能源装机占比不断地提升，可再生能源的有效利用被认为是推动碳减排的良好途径，国家也在大力部署、创建低碳能源体系。

氢能是实现能源结构绿色转型的重要手段，是实现“碳中和、碳减排”目标的重要支撑。氢气的制取可以来源于可再生能源，氢燃料电池可应用到汽车上，作为汽车的动力来源，可替代燃油车实现碳减排。基于此，发展氢能与燃料电池有着非常重要的战略意义。

1.氢能与燃料电池的基本特性与工作原理

氢燃料电池系统是一种发电系统，氢气和氧气通过在电堆中发生的化学反应，把化学能逐渐地转换为电能，从而实现动力输出。燃料电池系统含有多个组成部分，主要部件有电堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统以及燃料电池系统控制器。对于核心部件电堆来说，它主要包括膜电极组件、双极板以及端板、密封件等。

其中，膜电极组件主要由质子交换膜、催化剂层以及气体扩散层组成。质子交换膜为氢离子的迁移和输送提供通道，氢离子能够在其中进行自由移动；对于催化剂层来说，是反应气体发生电化学反应的场所。因此对于氢燃料电池汽车而言，其所使用的能源来源就是氢气，并且伴随着化学反应的发生。

化学反应的总反应式为“H2+1/2O2→H2O”，反应的过程中生成水。当车辆在行驶期间，氢燃料电池汽车能够达到零排放的效果，所以氢燃料电池汽车相对于传统内燃机汽车在节能减排上占有较大优势。

2.发展氢能与燃料电池的重要意义

(1)清洁的能源系统是实现碳减排目标的重要手段

2018年，在全球的CO2排放量中，中国的CO2排放量占比接近30%。作为CO2排放量较多的国家之一，我国在《巴黎协定》中做出相关承诺，并在2020年宣布预计到2030年CO2排放到达峰值，并且尽早达到峰值，在2060年实现碳中和，这一目标宣示了我国应对气候变化所做出的信心和决心。经过国家的长期部署和不懈努力，2020年我国单位GDP CO2排放量比15年前下降了近一半。然而，我们应充分地考虑到，我国现阶段能源消费的结构占比中，石油、煤炭以及天然气等化石能源供应占比居高不下，在2018年该类能源的供应占比达到85.7%，化石能源的燃烧是CO2排放的重要来源，而清洁能源譬如风电、水电、光伏等能源供应占据的比例仅为14.3%，与其它发达国家的能源结构相比，我国清洁能源占比较低。因此，我国在碳减排方面面临的问题任重道远。

基于我国能源结构现状，为了能够实现碳减排这一目标，能源结构转型势在必行，需要对现有的能源结构进行优化和调整，使得能源体系变得更加的清洁和，从而大幅减少我国温室气体的排放，以应对气候变化，减缓气候变暖。在碳减排的过程中，为了有效地推动能源结构的优化，需要一种新的能量载体。氢的能量密度较高，优势突出，可通过可再生能源发电后通过电解水制氢获得，氢燃料电池可在工业、交通、化工等多种领域应用，用途广泛，使用过程中无碳排放，是促进我国实现低碳转型的主要抓手。

(2)氢燃料电池汽车在交通行业减排潜力较大

氢能产业链指的是制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等各个环节。氢能不仅在传统领域中发挥着重要作用，也在交通运输行业中发挥着重要作用，氢燃料电池汽车得到越来越多的推广应用。与其它传统类型汽车相比较，氢燃料电池汽车主要的优势为：

第一，具有较长的续航里程，氢气具有较高的质量能量密度，其质量能量密度约为120MJ/kg，是柴油、汽油和天然气的近3倍，所以能够保持长时间的续航能力。

第二，能量转化效率高，传统柴油汽车能量转化效率一般约50%，而燃料电池汽车的能量转化效率高达55%～65%。

第三，加氢时间相对较短，一般只需约5～8min左右就可以加满，接近传统燃油汽车的加油时间。

第四，从能量来源的角度讲，氢气是一种二次能源，其来源十分广泛，可以通过煤气化制氢、电解水制氢、工业副产氢提纯、甲醇重整制氢等多种来源，近些年光解水制氢、生物质制氢等多元制氢方式也在快速研发和应用验证中。特别是随着可再生能源发电技术的推广，通过“绿电”来制作“绿氢”，可以最大限度地降低制氢过程的碳排放。可以展望的是，未来可再生能源发电将会大规模应用，氢气的生产成本将进一步降低。

因此，相较于传统燃油汽车，氢燃料电池汽车能量转换效率高，且工作过程中无有害气体的排放，无硫和微粒排放，为零排放、零污染技术。此外，氢燃料电池车辆具有续航里程长、加氢时间短、载重量大、清洁环保等优势，在长途重载领域普遍认为适合发展燃料电池重型车辆，以契合其“大载重、长续航”的优势。重卡车型在交通运输结构中占比不大，但其排放的各项污染物对空气污染造成的影响居于前列。2017年重型卡车在我国汽车总保有量里占比仅3.0%，一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物四项污染物排放量分别占汽车总排放的7.3%、13.5%、45.9%和59.8%，山东省和河北省位居四项污染物排放量前五位。2019年我国重型卡车销售117.4万辆，同比增长2.3%，在重卡车辆中使用氢燃料电池汽车替代具有重要意义。

3.氢燃料电池的发展现状分析

(1)氢燃料电池汽车发展现状

国际上，日、韩及欧美等国家和地区比较早地重视氢能利用，研制氢燃料电池汽车，并且积累了丰富的经验。丰田是氢燃料电池汽车的探路者和先行者，早在20世纪90年代初期，丰田公司就开始研制该类型的汽车。经过20余年的技术攻关，2014年丰田推出的第一款氢燃料电池汽车品牌Mirai正式进入大众视野，Mirai一代加氢约需3min，续航约500km，迄今Mirai销量过万。2020年9月，Mirai二代氢燃料电池汽车亮相北京车展，续航达到了800km。2016年，日本本田公司也推出了氢燃料电池汽车品牌，即本田Clarity。本田Clarity加氢时间3min左右，续航750km。随后在2018年，韩国现代公司推出其第一款氢燃料电池汽车品牌NEXO，加氢5min，续航里程达到805km。在2017年，德国奔驰公司也研发出第一款此种类型的品牌车辆GLCF-GELL。与此同时，美国通用公司以及德国大众公司等传统汽车企业也都在积极布局并快速推进氢燃料电池汽车的研发进程。

与国外丰田、现代等企业主要以发展氢燃料电池乘用车的路线略有不同，我国燃料电池汽车研发的起步较晚，且大部分车企主要研制的方向为商用车领域。截止2020年底，全球的氢燃料电池汽车保有量超过3万辆，其中中国为0.7万辆，占比达到23.3%。随着近几年氢燃料电池汽车在我国的快速推进，进一步促进了加氢基础设施产业的发展，截止2020年底我国加氢站建成数量128座，同比增长85%。

(2)氢燃料电池重卡发展现状

如上文所述，氢燃料电池尤其适合“大载重、长续航”的重卡应用场景，也是欧美、日、韩等国家和地区发展燃料电池汽车的重点方向，整车企业相继推出产品。现代汽车公司2020年将XCIENTFuelCell氢燃料电池重卡商业化应用，2021款XCIENTFuelCell搭载由两个90kW电堆组成的180kW燃料电池发动机、7个容积为185L的35MPa储氢瓶，续驶里程400km。同时，丰田和日野也在联合开发基于日野Profia的25t燃料电池卡车，该车使用丰田Mirai二代的氢燃料电池技术，燃料电池发动机功率达到228kW，搭载70MPa储氢瓶，续驶里程达到600km。

在战略规划上，美国能源部（DOE）在2019年底发布了氢燃料电池8级卡车发展目标，提出到2030年燃料电池系统寿命达到25000h、峰值效率超过68%、成本达到80美元/kW。英国2021年发布《国家氢能战略》提出，将运输视为氢能产业的最大组成部分之一，2024年前开展氢燃料电池重卡示范项目并逐步扩大在交通运输行业的使用，同时正在讨论研究非零碳排放的重型货运车辆淘汰机制。欧盟在《欧盟氢能战略》中把“氢能战略”作为“能源一体化战略”的部署，为交通运输等领域实现去碳化的目的，进一步帮助这种潜力逐渐变为现实。欧洲燃料电池和氢能联合组织2020年发布的《欧洲氢能路线图》中提出，氢是卡车领域最有发展潜力的脱碳选择，到2030年将推广4.5万辆氢燃料电池卡车和巴士。同年的日本发布《绿色增长战略》，进一步明确预计到2050达到碳中和的目标，进一步创建“零碳的社会”，氢能领域还需要重视对氢能与燃料电池车辆方面的发展。韩国2019年发布的《氢能经济发展路线图》提出，2040年将推广3万辆氢燃料电池卡车。

在我国，氢燃料电池重卡近年也在快速发展中。2020年底，苏州金龙交付50辆燃料电池重卡，搭载120kW燃料电池发动机。2021年三一公司首台氢燃料电池重卡下线，该车总重10.6t，搭载120kW燃料电池发动机，35MPa储氢系统，续驶里程超过450km。2021年清华大学联合北汽福田等研发的全球首款35t级、49t级液氢重卡，搭载60kg、100kg的大容量车载液氢储氢系统，首席将液氢应用于车载燃料电池储氢系统。

(3)氢燃料电池轨道交通车辆发展现状

随着氢能越来越得到全球的重视，氢燃料电池的利用也逐渐向多元化发展，对燃料电池轨道交通车辆探索的积极性也越来越高，并且获得了良好的技术积累。在2006年，日本东京的一家铁路企业将其NE型混动列车进行改制，开发出首款燃料电池列车原型车，该列车搭载两组65kW的燃料电池，最高行驶速度能够达到100km/h。经过多年的攻关，2022年初，该公司与丰田合作研发的名为“云雀（HYBARI）”的氢燃料电池轻轨列车开始进行测试，这两节车厢列车搭载了丰田的Mirai燃料电池，储氢罐位于车顶，一次加氢可行里程为140km，目标是2030年前投入使用。在2016年，法国阿尔斯通公司首次推出一款名为CoradiaiLint的氢动力客运列车，在第二年在德国开展了相关的测试工作。该机车最高的行驶速度能够达到140km/h，载客最多达到300人，续驶里程达到一千公里，之后在德国开始载客示范运行，目前行驶里程已超过10万公里，积累了丰富的运行经验。

在我国，西南交通大学自2010年起开展对氢燃料电池作为机车动力来源的技术进行研究，历时四年成功研发出中国第一辆“蓝天号”氢燃料电池机车，应用于轨道交通，搭载150kW的燃料电池系统，时速65km，一次加氢可连续运行24h。在2016年，西南交通大学和中车公司联合研制出商用燃料电池/超级电容混合动力有轨电车，该车搭载35MPa高压储氢系统，最高的行驶速度达到70km/h，最大载客量超过300人。与此同时，2015年清华大学和中车青岛联合攻关研制出我国首台氢燃料电池有轨电车，行驶速度达到36km/h，搭载4个35MPa储氢罐，单次加氢能够持续行驶70km。

4.我国氢能与燃料电池汽车发展展望

根据相关研究规划，预计在“十四五”期间，我国氢燃料电池汽车保有量将达到10万辆，2035年将突破100万辆，应用场景也将会呈现出多元化发展的趋势。国务院办公厅在2020年发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》提出，力争经过15年的持续努力，燃料电池汽车实现商业化应用。为进一步推动我国氢燃料电池汽车产业规模化、有序化的健康持续发展，国家在2020年制定了燃料电池汽车示范应用的支持政策，鼓励产业集群联合开展关键技术产业化攻关。截止2022年2月，已有两批5个城市群获批，各城市群的申报方案充分地结合了组团城市氢燃料电池汽车产业链企业的技术优势，深入地挖掘了特色的应用场景，譬如家具配送、港口运输、冷链物流等，同步规划相关基础设施，并在支持技术研发、引进高质量人才、搭建创新平台等支持政策和地方配套资金上给予充分保障。

从国家及地方出台的相关政策来看，我国对氢燃料电池产业扶持的重心，是从系统集成逐渐扩展到上游的关键零部件以及核心材料方面。可以展望的是，随着我国燃料电池汽车城市群示范工作的不断推进，将持续拉动产业规模化发展并促进关键核心技术升级，氢能制、储、运、加、用的全链条成本将进一步降低，氢燃料电池汽车全生命周期成本将逐步和传统燃油车辆接近。结合商业运营模式的持续探索和完善，氢燃料电池汽车将实现商业化应用，产业链竞争力将快速提升，我国氢燃料电池汽车的发展将进入快车道。