氢能和燃料电池产业爆发前夜，如何突破瓶颈？

1. 氢能和燃料电池产业爆发前夜，如何突破瓶颈？

氢能和燃料电池技术正加速改变着世界能源格局。
“全球能源转型、汽车转型共同聚焦于低碳化、绿色化，氢能是实现这两大领域转型的重要支撑。”中国电动汽车百人会副理事长兼秘书长张永伟15日在2020氢能产业发展创新峰会上表示，“当前全球主要汽车公司基本上都制定了发展燃料电池汽车的时间表和路线图。越来越多的国家把氢能作为更重要的未来替代性能源，制定氢能源、氢产业、氢经济、氢社会发展的时间表和路线图。我们离氢的全面应用越来越近。”

百人会副理事长兼秘书长张永伟
随着氢能的安全使用问题及燃料电池的技术和成本瓶颈已逐步取得突破，氢能产业发展开始进入示范运营阶段，并开展商业化探索。此次与会的专家学者一致认为，发展氢能和燃料电池产业是我国应对能源安全、实现可持续发展的必要途径和重要历史机遇。
氢能发展迎来大好时机
在政府的系列产业政策支持下，我国氢能产业正在进入快速发展期。
2019年3月，氢能源首次写入《政府工作报告》，明确将推动加氢等设施建设。
2020年4月，国家能源局发布《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》，氢能被列入能源范畴。
6月，氢能先后被写入《2020年国民经济和社会发展计划》、《2020年能源工作指导意见》。
9月，财政部、工信部、科技部等五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，目标利用4年时间，打造国内氢能产业链，让整个产业链趋于完整，将燃料电池汽车购置补贴政策调整为燃料电池汽车示范应用支持政策，以形成布局合理、各有侧重、协同推进的燃料电池汽车发展新模式。
10月，国务院常务会议通过了《新能源汽车产业发展规划》，明确指出要加强充换电、加氢等基础设施建设，加快形成快充为主的高速公路和城乡公共充电网络。完善氢燃料电池汽车的能源补给基础设施建设，促进氢燃料电池汽车发展。
由此可见，政策正在为氢能和燃料电池产业的加速发展带来强力支撑。

国家电投集团氢能科技发展有限公司总经理张银广
国家电投集团氢能科技发展有限公司总经理张银广预测，我国氢能产业发展拐点将出现在2025年，2025-2035年将成为国内氢能产业的高速发展期，2035年之后将会进入规模化应用的阶段。
今年9月22日，中国在第七十五届联合国大会提出，将提高应对气候变化国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳（CO2）排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。在工信部原部长、中国工业经济联合会会长李毅中看来，发展氢能要置于实现2030年前CO2排量达峰和2060年碳中和的大目标之中，响应《巴黎协定》我国政府的承诺目标。

工信部原部长、中国工业经济联合会会长李毅中
“能源的供应侧中可再生能源不能低于80%，能源的需求侧电动化率不低于80%，才有可能实现2060年碳中和的目标。”北京清华工业开发研究院副院长朱德权表示，2025年，可再生能源生产成本将全面低于化石能源，具有经济性。生产侧的经济性和需求侧的经济性也决定了氢能源汽车进入了可持续发展阶段，也就是进入了高速增长的时刻。”

北京清华工业开发研究院副院长朱德权
百人会常务副秘书长刘小诗在发布《中国氢能产业发展报告2020》时预判，从长期愿景来看，到2050年，预计氢能会占终端能源消费比例达10%，氢燃料电池汽车保有量3000万辆，氢气需求量6000万吨，进入氢能社会。

百人会常务副秘书长刘小诗
“绿氢”方向，合理布局
在氢能产业链中，制氢是源头。李毅中在会上提出，“灰氢不可取、蓝氢方可用、废氢可回收、绿氢是方向”，落实氢源首先要有一个合理务实的规划设计和标准，明确方向，防止盲目。
氢能受到了全球主要国家的重视，多数发达国家都发布了氢能愿景和发展规划。我国相关省市、企业和机构也积极行动，纷纷出台发展氢能的方案，提出的远景各有特色。但是，“对氢源研究还不够，难以形成全国性的整体概念”，李毅中呼吁需要调研编制规划指导，抓试点示范，不要一下子铺开。” 他透露，五部委已经在制定这项规划。
他建议，相关部门组织、调研，根据氢气的不同应用场景和市场需求，从能源总体规划的视角提出阶段性布局和工艺路线的指导意见，并制定标准规范。此外，还应抓紧进行二氧化碳捕集、封存和利用的产业化研发。这是灰氢变成蓝氢、由不可取变成可取的关键，这个难题没有解决之前，不宜新建化石能源制氢工厂。 
发展“绿氢”，降成本是关键。刘小诗指出，氢能作为一种二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想媒介，我国现在传统能源结构亟待调整。长期来看，要走零碳、低碳的绿氢路线，经济性有待于进一步提升，关键在于降低电费，也就是用电成本。

在当前技术条件下，电费降到3毛钱每千瓦时，电解水的制氢成本能够降到每公斤20元以下。这样电解水之情的经济性有望提升。储运环节也存在较大降本空间，国内的液氢的生产及运输实现民用化后，储运成本将大幅下降。未来随着可再生能源电价进一步下降，制氢、规模化液氢储运等技术成熟，氢气到站价格会大幅度下降。我国再生能源氢气比较丰富，将来“绿氢”具备成本优势。

构建自主产业链
我国的能源特点是富煤、贫油、少气，每年需要大量进口石油和天然气，为实现低碳减排，提高能源安全，需大力发展可再生能源，利用风能、太阳能和水力发电，选择氢做能源载体，电解水制氢，消除可再生能源发展的天花板，为实现2030年碳排放达峰值，2060年实现碳中和保驾护航。
中国工程院士衣宝廉建议，发展沿海地区海上风电，电解水制氢，用输氢管线将所制氢气运输到加氢站供燃料电池汽车加氢用，同时建氢液化工厂，将液化氢作为能源商品应用，氢供应能力的发展会促进燃料电池，特别是燃料电池车的快速增长。

对燃料电池，首先要建立关键材料与部件的自主产业链，国内优秀的研究结果很多，但很少进行放大工艺研究，制出的样片也很少在电堆中使用和装车运行，因此要建立产品开发联盟，电催化剂、电堆关键零部件等由研发单位一起进行开发、考核及批量生产，只有通过装车运行的材料，才是可信的，才能提高市场占有率，代替进口。另外，在联合攻关时，指标要以国际最先进的产品为目标。
电堆是燃料电池的核心部件，其组装工艺是决定电堆一致性的关键，衣宝廉建议，要创新性的改进电堆组装工艺，大幅度提高电堆中单电池电压的一致性，制定关键材料与部件的国家标准，成立第三方的中立的检测机构，对关键材料与部件、电堆、电池系统和整车进行检测、验证，确保结果的可信性与可靠性。
“氢能产业正处于大规模爆发前夜，十四五时期成为产业链构建关键时期。”张银广表示，“我们和国外的差距在于技术和装备的成熟度，下一步，应通过示范城市群，构建商业模式，让自主技术和装备快速成熟起来。”
优化政策环境
我国氢能产业虽然热度很高，但仍存在很多发展瓶颈，张银广呼吁国家在政策层面去破除制约，增加政策引导。
“氢气管理还是按照化工危险品来管理，同时相关审批没有固定的机构，一定程度上制约了产业发展。”张银广建议“从环保角度、解除能源安全角度政府能给产业长期的引导政策，而不是示范期和示范城市来推广，但是政府推动的应用规模终归是有限的，氢能产业应当探索出商业化模式，从而快速发展。”
张银广判断，2020-2025年是氢能产业进步期，国内氢能发展相关技术、产品逐步成熟，产业链趋于完整，氢能应用场景以重型运输车和物流车为主，主要方向为氢能交通。在加氢基础设施建设上，希望国家能全面规划供给网络，而不是分散式由企业来牵头建设。“大西北廉价氢能如何运输，希望国家出台战略规划。与此同时，通过社会化资本，从较长的生命周期来考虑，构建大的应用场景，让产业具备商业化能力，是我们正在探索的路径。”当生产成本、购买成本下降到一定程度，多个氢能应用场景的市场空间将会梯次打开。 

刘小诗在百人会《中国氢能产业发展报告2020》中也对产业政策提出了建言：一是针对氢能标准体系不完善的现象，建立健全氢安全基础研究体系，二是针对各地发展氢能经济的规划同质化现象，鼓励基础好的地区加速建立示范运营区，鼓励模式创新，探索多能互补模式，因地制宜，避免低水平重复建设。三是针对产业链薄弱环节给予政策激励。如加大基础设施建设，出台和落实电解水制氢的电价优惠措施等。四是把握电动汽车与氢燃料电池车错位互补原则，进行有效资源配置，防止顾此失彼。
从氢的产、储、运、加、用等全产业链出发，依托地方政府、企业、科研院所、平台等多主体，逐步打造“基础设施配套完善，运营模式成熟、创新成果丰富、资金保障充足、示范效果明显、生态效应显著”的氢能产业商业生态圈。
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

2. 氢能汽车的加氢站

国际油价持续走高，许多国家都在寻找替代能源。通用汽车与壳牌氢能源公司在美国首都华盛顿联合推出了全美第一个加氢加油站，为普通汽车提供加油服务，并为燃料电池车加氢。加氢设施与普通加油站内的设施没有太大区别，加氢过程与一般汽油车加油类似。加氢站面积比一般加油站大，由氢气分离厂和加气台两部分组成。氢气分离厂内设有氢气分离罐，工程人员向罐内输入水，在电力的作用下，水便分离成氢气和氧气。分离出的氧气通过管道向空中释放，同时将氢气收集在密封压力罐内加压、储存，再通过高压管道为氢汽车加氢。氢是易燃物，所以人们首先会想到加氢站和氢汽车的安全性。据专家介绍，加氢站内的高压罐和管道的压力虽然高达5700大气压单位，但科研人员成功地解决了管道压力问题，顾客加氢时绝对安全。氢汽车不以燃烧氢气为动力，而是经由汽车内的燃料电池与氢气反应，产生电流作为动力。

3. 五大城市群探路“氢能”燃料电池汽车，氢产业发展将会是什么趋势？

加速氢能的使用趋势。随着“双碳”战略目标的提出，各种碳中和政策的指导思想和设计不断增多，氢能的开发利用将进入一个重大发展阶段。随着燃料电池技术的不断提高，新兴的燃料电池核心产业将最清洁地利用氢能，主要集中在氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池汽车和应急电源的产业化。

加快国家氢能创新平台趋势。我国将建成氢能产业国家创新支撑平台，聚焦氢能重点领域和关键环节，在质子交换膜燃料电池技术、关键材料、可再生能源制氢转化效率、单台机组制氢规模、氢能基础设施环节等核心技术研发上取得快速突破。，促进氢能运输、储能、发电和工业领域示范项目的应用。

再者是带动交通运输领域的发展。城市公交和物流车仍是目前最主要的燃料电池终端产品，续航能力300-500km；国内企业相继推出燃料电池乘用车、重型卡车、应急动力汽车等。在燃料电池船方面，中国推出了具有自主知识产权的船用燃料电池系统。中国逐步探索出一条具有中国特色的以商用车为主的燃料电池汽车推广之路。

要知道的是氢能的利用有着悠久的历史。目前氢能之所以受欢迎，主要是燃料电池技术的突破，可以直接产生电能、热能等清洁新能源。燃料电池的种类很多，燃料电池在交通领域的增长最为强劲。道路汽车与目前燃料电池的发展方向相匹配，其中是商用车有很多路线相对固定的场景，对加氢站等基础设施的需求较少，更适合目前燃料电池的技术特点和产业基础。因此，商用车成为氢燃料电池汽车的主要发展重点。

4. 氢能源动力汽车的加氢站

国际油价持续走高，许多国家都在寻找替代能源。近日，通用汽车与壳牌氢能源公司在美国首都华盛顿联合推出了全美第一个加氢加油站，为普通汽车提供加油服务，并为燃料电池车加氢。加氢设施与普通加油站内的设施没有太大区别，加氢过程与一般汽油车加油类似。加氢站面积比一般加油站大，由氢气分离厂和加气台两部分组成。氢气分离厂内设有氢气分离罐，工程人员向罐内输入水，在电力的作用下，水便分离成氢气和氧气。分离出的氧气通过管道向空中释放，同时将氢气收集在密封压力罐内加压、储存，再通过高压管道为氢汽车加氢。氢是易燃物，所以人们首先会想到加氢站和氢汽车的安全性。据专家介绍，加氢站内的高压罐和管道的压力虽然高达5700大气压单位，但科研人员成功地解决了管道压力问题，顾客加氢时绝对安全。氢汽车不以燃烧氢气为动力，而是经由汽车内的燃料电池与氢气反应，产生电流作为动力。

5. 氢能源动力汽车的氢燃料电池

现在可以使用的主要有这样几种：熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）1980年研制成功，在650摄氏度下工作，把熔融碳酸盐作为电解质，把送到正极的二氧化碳作为离子载体。不需要催化剂，而且可以使用天然气等其他气体燃料。但是启动时间较长。固体氧化物燃料电池（SOFC）1980年研制成功，电解质为含有氧化锆等成分的固体陶瓷材料。工作在800~1000摄氏度的高温，离子可以通过陶瓷材料。不需要铂等催化剂。也可以使用其他气体燃料，启动时间也较长。磷酸燃料电池（PAFC）1967年研制成功，工作温度接近200度，需要催化剂，电解质为磷酸水溶液，在饭店和医院使用较多。固体高分子燃料电池（PEFC）目前投入研究力量最大的电池，电解质为高分子树脂薄膜，可以实现小型化。工作温度在100度以下，但是需要催化剂。也可以使用甲醇。启动时间也最短。

6. 氢能源汽车提供动力的氢应该如何研制？

氢是氢能汽车的主要能源。氢在自然界中以化合物的形式存在。氢气的开发主要有以下几种方法
一、通过分解水产生氢气
水电是一种廉价的可再生资源。水力电解水制氢是一种常用的方法；特别是直接热化学水裂解、光电化学水裂解、光热发电电解水、光催化水裂解等制氢技术发展迅速，是近期替代化石燃料的发展方向。对于水资源、风能资源、太阳能资源丰富的地区，电解水不仅可以生产廉价的氢气，还可以实现资源的合理互补利用，具有一定的现实意义。

二、化石燃料制氢
氢是由石油、煤和天然气等化石燃料产生的。虽然制氢消耗的化石原料性质有限，但在更先进、更成熟的制氢方法出现之前，制氢仍将是未来获取氢气的重要途径。

三、生物制氢法
生物制氢法也是目前主要的制氢方法之一。它利用生物技术制氢，包括微生物制氢和生物质气化热解制氢。它具有原料来源丰富、反应条件温和、能耗低、不消耗矿产资源、节能、清洁、环保等优点。

氢能储运技术是发展氢能有效利用的重要课题。目前比较常用的储运方式有氢气压缩，即高压氢气的储运，即氢气压缩的压力为25 ~ 30 mpa甚至更高，这就使用了特殊的钢瓶、高压储氢容器，便于储运。但由于氢气密度低，氢气的重量远低于钢瓶的重量，存在爆炸的风险，是一种效率较低的方法；对于氢气的液化储存和运输，氢气在室温下是气态的，并且具有非常大的体积。很大。较好的储运方式是液氢液化和液氢运输。但液氢生产技术落后，工艺流程相对落后，设备陈旧，生产规模小。因此，液氢价格昂贵，应用范围有限；金属氢化物的储存和运输。储氢金属或合金是指在一定温度和氢气压力下，能够可逆地吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。金属氢化物储氢是目前应用最广泛的储氢材料，具有能耗低、容量大、制备技术成熟、安全可靠等优点。

7. 氢能汽车的动力来源

燃料电池的优势，科技手段中，尚没有一项能源生成技术能如燃料电池一样将诸多优点集合于一身。能源安全性。自1970年代的石油危机后，各大工业国对石油的依赖仍有增无减，而且主要靠石油输出国的供应。美国载客车辆每日可消耗约600万桶油，占油料进口量之85%。若有20%的车辆采用燃料电池来驱动，每日便可省下120万桶油。国防安全性。燃料电池发电设备具有散布性的特质，它可让地区摆脱中央发电站式的电力输配架构。长距离、高电压的输电网络易成为军事行动的攻击目标。燃料电池设备可采集中也可采分散性配置，进而降低了敌人欲瘫痪国家供电系统的风险。高可靠度供电。燃料电池可架构于输配电网络之上作为备援电力，也可独立于电力网之外。在特殊的场合下，模块化的设置(串联安装几个完全相同的电池组系统以达到所需的电力)可提供极高的稳定性。燃料多样性。现代种类繁多的电池中，虽然仍以氢气为主要燃料，但配备「燃料转化器(或译重组器，fuel reformer)」的电池系统可以从碳氢化合物或醇类燃料中萃取出氢元素来利用。此外如垃圾掩埋场、废水处理场中厌氧微生物分解产生的沼气也是燃料的一大来源。利用自然界的太阳能及风力等可再生能源提供的电力，可用来将水电解产生氢气，再供给至燃料电池，如此亦可将「水」看成是未经转化的燃料，实现完全零排放的能源系统。只要不停地供给燃料给电池，它就可不断地产生电力。高效能。由于燃料电池的原理系经由化学能直接转换为电能，而非产生大量废气与废热的燃烧作用，现今利用碳氢燃料的发电系统电能的转换效率可达40~50%；直接使用氢气的系统效率更可超过50%；发电设施若与燃气涡轮机并用，则整体效率可超过60%；若再将电池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85%。用于车辆的燃料电池其能量转换率约为传统内燃机的3倍以上，内燃引擎的热效率约在10~20%之间。环境亲和性。科学家们已认定空气污染是造成心血管疾病、气喘及癌症的元凶之一。最近的健康研究显示，市区污染性的空气对健康的威胁如同吸入二手烟。燃料电池运用能源的方式大幅优于燃油动力机排放大量危害性废气的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料电池虽亦排放二氧化碳，但其含量远低于汽油之排放量(约其1/6)。燃料电池发电设备产生1000仟瓦-小时的电能，排放之污染性气体少于1盎斯；而传统燃油发电机则会产生25磅重的污染物。因此，燃料电池不仅可改善空气污染的情况，甚可能许给人类未来一片洁净的天空。可弹性设置/用途广。燃料电池的迷人之处在于其多样风貌。除了前述的集中分散两相宜的特点外，它还具有缩放性。利用黄光微影技术可制作微型化的燃料电池；利用模块式堆栈配置可将供电量放大至所欲的输出功率。单一发电元所产生的电压约为0.7伏特，刚好能点亮一只灯。将发电元予以串接，便构成燃料电池组，其电压则增加为0.7伏特乘以串联的发电元个数。燃料电池的劣势主要是价格和技术上存在一些瓶颈，摘列如下：燃料电池造价偏高：车用PEMFC之成本中质子交换隔膜(USD300/m2)约占成本之35%;铂触媒约占40%，二者均为贵重材料。反应/启动性能：燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到，但提高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。碳氢燃料无法直接利用：除甲醇外，其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。氢气储存技术：FCV的氢燃料是以压缩氢气为主，车体的载运量因而受限，每次充填量仅约2.5~3.5公斤，尚不足以满足现今汽车单程可跑480~650公里的续航力。以-253℃保持氢的液态氢系统虽已测试成功，但却有重大的缺陷：约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温，使氢维持于液态，且从隙缝蒸发而流失的氢气约为总存量的5%。氢燃料基础建设不足：氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全世界充氢站仅约70站，仍值示范推广阶段。此外，加气时间颇长，约需时5分钟，尚跟不上工商时代的步伐。

8. 氢能源在未来会成为主力军吗？氢能源对汽车行业有何影响？

氢能源在未来会成为主力军吗？氢能源对汽车行业有何影响？目前的纯电动和氢能源车都还有一些难点尚未攻克，取代传统燃油车都还存在一些问题，尚不可一概而论。纯电动车的技术瓶颈主要在续航能力和充电时间尚不能与传统燃油车分庭抗礼。氢能源车的瓶颈更多，发生碰撞后的安全是最大的隐患，除此之外，氢能源的保存和加注都比目前的传统燃油车风险大，技术上还不成熟。从对环境的影响来看，氢能源车似乎更胜一筹，燃烧充分，而且燃烧以后只剩下水，十分环保。

电动汽车和氢能源车，似乎是两者只能留其一。其实电动汽车和氢燃料汽车是同宗的模式，都是电机驱动，不同的是电动汽车的能源供应来自锂电池而氢能源汽车的能源供应来自氢燃料电池而已。不过，从某种意义上说确实纯电动汽车应该只是一种过渡形式，纯电动汽车开发得越完善，将来氢燃料电池车将越完美，这段过渡时间就用来研发氢的制备和储存技术吧！

氢能源目前还有很多技术没有掌握，如果要发展氢能源在电动车上的作用，那需要很大的投入，可能又是一个需要投入大量资金的项目，未来的发展可能很大程度受于政策的支持。如果，氢能源后期研发不是很困难，且氢能源电动车的价格广大消费者能接受，再加上氢能源的来源是正在的无污染，是对环境在保护，那这个发展趋势一定是好的。氢能源目前还有很多技术没有掌握，如果要发展氢能源在电动车上的作用，那需要很大的投入，可能又是一个需要投入大量资金的项目，未来的发展可能很大程度受于政策的支持。如果，氢能源后期研发不是很困难，且氢能源电动车的价格广大消费者能接受，再加上氢能源的来源是正在的无污染，是对环境在保护，那这个发展趋势一定是好的。