一、近幾年國家能源局、發(fā)改委等多部門發(fā)布政策支持氫能發(fā)展。
氫能是清潔、低碳能源，在使用過程中不產(chǎn)生額外污染，也不產(chǎn)生二氧化碳排放，在雙碳背景下，2019 年氫能首次被寫入《政府工作報告》，緊接著國家各部委密集出臺各項氫能支持政策，內(nèi)容涉及氫能制儲輸用加全鏈條關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、氫能示范應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。2022 年 3 月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035 年)》，以實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)為總體方向，明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，提出了氫能產(chǎn)業(yè)的三個五年階段性發(fā)展目標(biāo)，同時也明確了氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點方向，氫能產(chǎn)業(yè)上升至國家能源戰(zhàn)略高度;2022 年 6 月，國家發(fā)改委、國家能源局等九部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，明確要推動可再生能源規(guī)模化制復(fù)利用，為“十四五”期間氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展明確指導(dǎo)方向。
截至目前，全國已有 20 多個省份發(fā)布?xì)淠芤?guī)劃和指導(dǎo)意見共計 200 余份，全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)超過 30 家，集中分布在長三角、粵港澳大灣區(qū)、環(huán)渤海三大區(qū)域，氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)集群化發(fā)展態(tài)勢。目前，中國已初步掌握氫能制備、儲運(yùn)、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用，在制、儲、輸、加、用等全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)超過300 家，集中分布在長三角、粵港澳大灣區(qū)、京津冀等區(qū)域。
二、目前中國以化石燃料制氫為主，短期難以改變；而電解水制氫法可持續(xù)、低污染，長期有望進(jìn)一步發(fā)展。
國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)尚處于市場導(dǎo)入階段，常用的制氫方法包括化石燃料制氫、工業(yè)尾氣副產(chǎn)提純制氫、熱分解制氫、電解水制氫等。現(xiàn)階段國內(nèi)主要用來制氫的方法是化石燃料制氫法，包括煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫等，化石燃料制氫技術(shù)成熟且成本很低，但需要面臨著二氧化碳排放量高、氣體雜質(zhì)多和環(huán)保審批等多重壓力，長期化石燃料制氫的方法不可持續(xù)。工業(yè)副產(chǎn)氫有望迎來快速發(fā)展。
短期內(nèi)，我國工業(yè)副產(chǎn)氣的制氫規(guī)模可進(jìn)一步提高。工業(yè)副產(chǎn)制氫額外投入少，成本低，能夠成為氫氣供應(yīng)的有效補(bǔ)充，具備較高經(jīng)濟(jì)性，同時在工業(yè)副產(chǎn)氫在碳排放量方面相對于現(xiàn)階段電解水和化石能源制氫也具有相對優(yōu)勢。電解水制氫法可持續(xù)且低污染，是長期相對更優(yōu)的一種制氫方式。電解水制氫共有堿性(AWE)、質(zhì)子交換膜(PEM)、固體氧化物(SOEC)和陰離子交換膜(AEM)電解等四種技術(shù)路線，其中堿性 AWE 是較早工業(yè)化的水電解技術(shù)，具有數(shù)十年的應(yīng)用，技術(shù)較為成熟。
近年來，PEM 電解水技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展迅速;SOEC 電解水技術(shù)處于初步示范階段;AEM 電解水的研究剛剛起步。成本方面，電解水制氫一般包括設(shè)備成本、能源成本(電力)、運(yùn)營費(fèi)用及原料費(fèi)用，其中能源成本占比最大，一般占 40%-60%(AWE/PEM)，甚至可達(dá) 80%，由電解制氫效率因素驅(qū)動，設(shè)備成本占比次之。以目前主流的堿性電解水制氫為例測算其經(jīng)濟(jì)性，制氫效率約 5KWh/Nm3 ，電費(fèi)成本約占 72-85%，固定成本占 7.8%，設(shè)備維護(hù)成本占 4.1%，水費(fèi)占 2.8%，其經(jīng)濟(jì)性受電價的影響最大，按照平均工業(yè)電價 0.6 元/KWh 計算，成本約 40-50 元/kg，電解水制氫成本遠(yuǎn)高于其他工藝，短期應(yīng)用受限。
三、氫氣的運(yùn)輸和儲存是突破氫氣大規(guī)模應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。
在常溫常壓下，氫氣的密度只有空氣的 1/14， 即在 0 ℃時，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氫氣的密度為 0.0899 g/L，所以對儲氫技術(shù)具有高安全性、大容量、低成本以及取用方便的要求。儲運(yùn)氫技術(shù)主要包括氣態(tài)存儲、低溫液態(tài)存儲、固態(tài)存儲、有機(jī)液態(tài)存儲。其中高壓氣態(tài)存儲技術(shù)較成熟，有著充放氫速度快、成本低的優(yōu)勢，是目前車用儲氫的主要方法，但也存在體積儲氫密度低的問題，未來高壓氣態(tài)儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展;低溫液態(tài)儲氫低溫液態(tài)儲氫是先將氫氣液化，然后儲存在低溫絕熱真空容器中，該方式的優(yōu)點是氫的體積能量高，但液氫的沸點極低，與環(huán)境溫差極大，對儲氫容器的絕熱要求很高，目前僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
固體儲氫方法的體積儲氫密度高、安全性高、且操作條件不需要高壓容器，得到的氫氣純度高，但存在質(zhì)量儲氫密度低且吸收氫有溫度要求的缺點，目前仍處于實驗研究階段;有機(jī)液態(tài)儲氫是通過加氫反應(yīng)將氫氣與甲烷等芳香族有機(jī)化合物形成分子內(nèi)結(jié)合有氫的甲基環(huán)己烷等飽和環(huán)狀化合物，可在常溫常壓下，以液態(tài)形式進(jìn)行儲存和運(yùn)輸，使用時在催化劑作用下通過脫氫反應(yīng)提取出氫氣，儲運(yùn)過程安全、高效，但還存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、操作苛刻，脫氫能耗大，脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。
四、氫能的應(yīng)用和廣泛商業(yè)化離不開加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。
加氫站是將不同來源的氫氣通過壓縮機(jī)增壓儲存在站內(nèi)的高壓罐中，再通過加氣機(jī)為氫燃料電池汽車加注氫氣，從氫源供應(yīng)方式可分為外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站，目前國內(nèi)以外供氫加氫站為主。加氫站系統(tǒng)包括供氫系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)和加注系統(tǒng)四個主要模塊。供氫系統(tǒng)是通過外供槽車與卸氣柱，提供氫氣來源;壓縮系統(tǒng)是壓縮氫氣，主要設(shè)備有氫氣隔膜壓縮機(jī)、冷卻器等;存儲系統(tǒng)的功能是在加氫站內(nèi)部存儲氫氣，主要設(shè)備是儲氫瓶組;加注系統(tǒng)是將加氫站和公交車的儲罐相連接，為車輛加注氫氣，主要設(shè)備是加氫機(jī)。
加氫站成本主要是由設(shè)備構(gòu)成，包括壓縮機(jī)、加氫機(jī)、高壓閥門及管件、冷水機(jī)組和循環(huán)水管路系統(tǒng)、卸氣柱、儲氣瓶組和控制系統(tǒng)等，儲氣瓶組、壓縮機(jī)和加氫機(jī)占據(jù)加氫站成本的主要部分，以外供氫氣作為氫源的加氫站，設(shè)備方面的投資主要在于氫氣壓縮設(shè)備(40%)和高壓儲氫裝置(30%)。當(dāng)前加氫站因為運(yùn)營的氫燃料電池汽車少，很難實現(xiàn)運(yùn)營盈利，各地加氫站更像是地方政府為發(fā)展氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)配套服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，未來加氫站的建站方式將由單一加氫站向油氫合建、氣氫合建、氫電合建發(fā)展，從單個加氫站逐步向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。
五、氫能的應(yīng)用場景豐富，包括道路車輛、鐵路、船舶、管道運(yùn)輸?shù)龋瑲淠苡型诮煌ㄟ\(yùn)輸領(lǐng)域率先實現(xiàn)商業(yè)化。
用氫環(huán)節(jié)上，燃料電池是氫能利用的主要途徑。氫燃料電池是通過氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，可廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、建筑、軍事等領(lǐng)域，燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，有無需燃燒、功率密度高等特點。按照電解質(zhì)的不同，常用的燃料電池可分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和磷酸型燃料電池(PAFC)、堿性燃料電池 (AFC)和碳酸型燃料電池 (MCFC)等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是最快發(fā)展起來的，具有體積小、快速啟動、壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、電流密度大和應(yīng)用場景廣泛的優(yōu)點，是現(xiàn)階段燃料電池汽車廠商普遍采用的燃料電池技術(shù)。此外，電堆和系統(tǒng)也是兩個重要組成部分，電堆有雙極板、膜電極、催化劑膜、氣體交換層次膜。電化學(xué)工藝主要發(fā)生在膜電極當(dāng)中，雙極板主要分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板，其中石墨雙極板是目前使用面積最大的，金屬雙極板較容易氧化，石墨雙極板和復(fù)合雙極板的穩(wěn)定性較強(qiáng)。
電堆運(yùn)行需要一個燃料電池系統(tǒng)來進(jìn)行控制，氧氣主要來源于空氣，氫氣和氧氣流轉(zhuǎn)的速率由系統(tǒng)來控制。目前氫燃料電池汽車滲透率很低，不到 1 萬量，基礎(chǔ)設(shè)施沒有跟上，已經(jīng)可以應(yīng)用于上路的車也僅為 50%-60%，我國政策上目前規(guī)劃是 2025 年燃料電池汽車可達(dá) 5 萬輛，2030 年達(dá)到 100萬輛以上;同時也對成本提出了要求，到 2025 年商用車低于 200 萬，乘用車低于 20 萬到 2030 年商用車低于 100 萬，乘用車低于 18 萬，主要應(yīng)用于客車、中卡、重卡、城市環(huán)衛(wèi)車、垃圾車等，減少對煤炭、石油、天然氣的依賴。近年來燃料電池和制氫系統(tǒng)的性能逐漸提高，成本不斷下降，但是推進(jìn)氫能應(yīng)用需要協(xié)調(diào)區(qū)域和部門共同制定燃料電池和氫相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從而在研發(fā)、布局和制造方面實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，存在很大的發(fā)展障礙。
