氫能與燃料電池

氫能是二十一世紀最清潔的二次能源，源蘊藏豐富，無任何污染物排放，效率高、可循環利用，被稱為人類的終極能源。燃料電池是氫能利用的最佳方式，氫燃料電池車也被譽為汽車動力發展路線圖中的終極方案。 燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。只要氫氣不斷輸入，燃料電池就能連續地發電。

力圖構建“氫能社會”的日本

氫能早期應用于航天和軍事領域，在多年研發基礎上，日本近年提出構建“氫能社會”，采取多種措施在引領氫燃料電池技術國際標準和產業化進程中取得先機。

在氫能產業鏈條上，日本龍頭車企已基本掌握氫燃料電池核心技術，東麗等企業主導全球膜、碳紙和碳纖維等關鍵材料生產。受資源稟賦約束，日本在上游制氫環節存在短板，擬從澳大利亞、文萊等國進口氫氣，正積極研發褐煤制氫和可再生能源制氫等技術。目前采用主流的高壓氣態儲氫和壓縮氣體車輛運氫，同時研發低溫液化儲氫和管道輸氫模式。 日本計劃將氫氣價格從目前的100日元/標方(人民幣約6.4元/標方，即71.2元/㎏)下降到2030年30日元/標方(人民幣約1.9元/標方，即21元/㎏)，使其接近汽油和天然氣價格。日本東芝燃料電池在民用領域的大規模應用開始于家庭分布式燃料電池熱電聯供系統(ENE-FARM)，2008年開始量產，并取得了一定的銷量，但是近年來由于受日本政府補貼政策的影響，該項目并未得到大規模的擴展，僅僅停留在對原有項目的維護上。 氫能在日本交通上的應用，是2014年豐田推出世界上第一款燃料電池乘用車MIRAI時才實現的。截至2019年5月，MIRAI累計生產9500輛，其中出口6500輛，在全球率先實現量產。

打造“氫經濟”的韓國

韓國氫燃料電池汽車研發有數十年積累，目前已將“氫經濟”列為三大創新增長戰略之一，將氫燃料電池汽車作為下一個經濟增長引擎，擬迅速占領全球氫燃料電池汽車市場。韓國擁有自主膜電極技術，但碳纖維等關鍵材料依賴進口。目前正推進碳紙、高壓容器零部件等國產化，計劃到2022年實現100%國產化。 韓國主要采用天然氣裂解制氫，已形成仁川、平澤、三陟、同陽等制氫基地，2018年氫氣產量13萬噸，計劃到2040年增至526萬噸。韓國氫氣產量難以滿足產業發展需要，也在籌劃海外進口通道。在儲運上，主要采用“高壓氣態+管道”方式，擁有蔚山、麗水、大山為中心的氫氣管道，液化氫和液態儲運技術仍處于前期研發階段。應用環節，乘用車發展較快，現代公司NEXO燃料電池乘用車技術世界領先。商用車方面，于2018年推出第三代燃料電池大巴車。

國內氫能發展啟示

(1)氫源和成本問題未得到有效解決。日韓雖然有扎實的技術積累，但氫源和成本問題一直未得到有效解決。氫氣怎么來?因為目前缺少生產、儲存以及運輸氫的基礎設施建設。豐田汽車美國銷售公司高級技術總監克雷格·斯科特認為：“目前我們主要的劣勢是在等待建立加氫站，現在還受到數量不足的限制。而一旦網絡建立起來，對消費者來說就沒有什么限制了。” 然而他卻忽視了一個更加現實的問題，即加氫站建設的成本問題。目前加氫站建設成本約1500萬左右，設備成本約占百分之八十，其中不含土地成本和后期運營成本，而加氫站建設的單站國家補貼僅400萬元。 除了高昂的加氫站網絡的布局成本之外，日本氫氣價格目前為71.2元/㎏，即便日本的燃料電池汽車已經非常成熟，但是高昂的使用成本仍然會讓消費者望而卻步。然而在國內，水氫技術已經完全降低用氫成本，根據目前的357技術轉換效率(3公斤甲醇可以制5標準立方米氫氣發7度電)，用氫成本不到20元/kg。

水氫技術甲醇水溶液(甲醇與水的摩爾比為1:1)為原料，通過汽化——催化重整——純化轉化成超高純氫氣，為發電系統(質子膜系統)供氫。水氫機是采用催化重整及純化多項技術從醇水中獲得高純氫，通過質子膜系統產生電、熱等多種能源的裝置，實現了在同一設備中可移動即時制氫和發電，無需存儲氫氣。如此一來，氫源和成本問題都得到有效解決。

(2)對氫能應用不能局限于造車。 目前氫能發展的注意力主要集中在交通領域，各大車企都在積極布局氫燃料電池汽車。然而氫能在農業、工業及第三產業都有廣泛用途，氫對能源體系的作用也是多方面的，在發電、儲能、建筑等領域，氫能都將大有可為。 水氫技術的應用除了有水氫汽車，還有水氫離網智能充電站、水氫通訊基站電源、水氫旅游觀光車等多個應用領域，未來水氫技術還會在更多的領域上取得更多的應用成果。

(3)選擇適合我國氫能發展的道路。 我國資源能源稟賦多樣，對能源的選擇及經濟調控的回旋空間較大，應切實從我國國情出發，根據我能源戰略和產業發展需要，從全產業鏈系統謀劃，科學理性明確氫能定位。 首先，水氫機使用的原料甲醇價格低廉，其來源廣泛，除了是傳統能源煤、石油、天然氣的副產物，還可以通過間歇式可再生能源太陽能、風能電解制氫加CO2獲取，此外還可以通過糞便、垃圾等生物質降解處理。此外，甲醇的燃點高于汽油，車載甲醇遠比車載氫罐安全。發展甲醇能源作為制氫原料是完全符合我國煤炭大國及農業大國的國情。 其次，水氫產業從發展之初就從全產業鏈上統籌謀劃，明確氫能的發展定位，為氫能與燃料電池發展開辟了一條一體化、小型化、低溫化的新型路徑，解決了氫能應用的安全與成本問題及加氫基建的巨額投資問題，對推動氫能廣泛應用具有戰略性意義。