清華大學(xué)　■ 毛宗強(qiáng)

世界氫能炙手可熱中國氫能蓄勢(shì)待發(fā)

清華大學(xué)■ 毛宗強(qiáng)

0　引言

從近年來氫能與燃料電池全球發(fā)展的總體趨勢(shì)來看，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家不斷加大研發(fā)投入和政策支持，氫能與燃料電池在交通領(lǐng)域、固定式發(fā)電領(lǐng)域、通信基站、備用電源領(lǐng)域和物料搬運(yùn)領(lǐng)域都持續(xù)升溫，正加快邁向商業(yè)化的步伐。尤其是日本政府全力支持氫能，日本汽車界、能源界和科技界都全力參與，已超越歐美成為國際氫能領(lǐng)跑者。

1　世界各國氫能發(fā)展現(xiàn)狀

1.1美國

美國一直重視能源的開發(fā)與利用，將氫能與燃料電池確定為維系經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全的技術(shù)之一。2001年以來，美國政府將發(fā)展氫能作為其能源政策的一個(gè)重要方面，先后制定了多項(xiàng)氫能研究計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)向氫經(jīng)濟(jì)的過渡。美國加利福尼亞州制定了明確的燃料電池汽車普及計(jì)劃和加氫站建設(shè)計(jì)劃，加州政府將為氫燃料電池動(dòng)力車制造商和加氫站的運(yùn)營商提供補(bǔ)助，以解決該技術(shù)面臨的困難。截至2014年7月底，加州已有230輛氫燃料電池汽車，另外，運(yùn)營中的氫燃料電池巴士已到16輛。加州政府希望到2025年能有150萬輛零排放汽車( ZEV) 上路，加州各機(jī)構(gòu)通力合作，出臺(tái)了一系列政策來確保這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

美國政府能源部宣布，2015年10月8日為美國首屆氫能與燃料電池日，原因是氫的原子量為1.008。這一提議已得到許多國家氫能界的響應(yīng)。

1.2歐洲

在歐洲，歐盟將氫能作為其優(yōu)先研究和發(fā)展的領(lǐng)域，制定了2020年氫能與燃料電池發(fā)展計(jì)劃，將在燃料電池和氫能研究方面投資近10億歐元，各國均有氫能相關(guān)政策措施推出。

德國已融資3.93億歐元支持氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展。其中，55％的資金用于氫生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)。德國預(yù)計(jì)在2018年建成100個(gè)加氫站，并于2023年建立覆蓋全德的氫能汽車網(wǎng)絡(luò)，包含400座加氫站。寶馬、梅賽德斯-奔馳兩大車企宣布2018年量產(chǎn)氫燃料電池汽車計(jì)劃，奧迪、大眾集團(tuán)也在發(fā)力研發(fā)氫燃料電池汽車。該國燃料電池專家表示，再經(jīng)過5～10年時(shí)間，德國市場(chǎng)上將有超過100萬輛的氫能汽車。

挪威于2014年1月啟動(dòng)氫化奧斯陸(H2OSL)項(xiàng)目，項(xiàng)目旨在為嘎德莫(Gardemoen)機(jī)場(chǎng)用汽車及其他設(shè)備提供氫能，并針對(duì)嘎德莫機(jī)場(chǎng)依托氫能而產(chǎn)生的減排、改善環(huán)境污染狀況及巨大商機(jī)等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行可行性研究。

法國的經(jīng)濟(jì)部長已承諾將法國打造成為氫能領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。氫能源是法國能源計(jì)劃及其建設(shè)“新型工業(yè)國家”項(xiàng)目的一部分。該項(xiàng)目全力支持各種與氫能相關(guān)的技術(shù)發(fā)展，包括氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存，以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和清潔交通的推廣。

截至2015年3月，歐洲加氫站總量為82座，其中德國有29座。

1.3日本

日本政府是推進(jìn)氫能與燃料電池技術(shù)的排頭兵，日本將氫能源利用上升為國家戰(zhàn)略，明確提出氫能發(fā)展藍(lán)圖，描述了氫能使用的3個(gè)階段，并為每個(gè)階段設(shè)定了目標(biāo)。第一階段，預(yù)計(jì)持續(xù)到2025年左右，被認(rèn)為是氫能使用范圍迅速擴(kuò)大階段；該階段的目標(biāo)是增加家用燃料電池單元的數(shù)量(2020年增加到140萬，2030年增加到530萬)，同時(shí)增加加氫站的數(shù)量。第二階段，預(yù)計(jì)從2020年中期持續(xù)到2030年左右，被認(rèn)為是大規(guī)模供氫系統(tǒng)建立階段；該階段的目標(biāo)是從國外購買氫氣，并擴(kuò)大國內(nèi)商業(yè)用途的供氫網(wǎng)絡(luò)。第三階段，預(yù)計(jì)從2040年開始，被認(rèn)為是建立無二氧化碳的供氫系統(tǒng)的階段；該階段的目標(biāo)是通過收集二氧化碳，實(shí)現(xiàn)在氫氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)氫階段二氧化碳的零排放。

日本各大汽車制造商已紛紛投入燃料電池汽車布局、研發(fā)和生產(chǎn)。豐田氫燃料電池汽車Mirai(“未來”)最大續(xù)航里程超過500 km，加滿氫燃料的時(shí)間僅為3 min。Mirai于2014年底正式在日本量產(chǎn)發(fā)售，價(jià)格為723.6萬日元(約37.5萬元人民幣)，享受國家補(bǔ)貼后，消費(fèi)者實(shí)際負(fù)擔(dān)的金額約為520萬日元(約26.9萬元人民幣)，目前Mirai訂單己超1500輛。2015年5 月13日，豐田、馬自達(dá)宣布已同意建立一個(gè)長期合作伙伴關(guān)系，深化產(chǎn)品和技術(shù)方面的合作，其中包括豐田的氫燃料電池汽車的燃料電池系統(tǒng)(FCEVs)。按照豐田計(jì)劃，2020年以后，豐田燃料電池車(FCV) 在全球的年銷量達(dá)到3萬輛以上。2016年3月，本田宣布其氫燃料電池汽車“CLARITY”商業(yè)化，該車最大續(xù)航里程為750 km，加滿燃料的時(shí)間也僅為3 min。該車可當(dāng)作備用電源，緊急情況下可為日本家庭提供一周電力供應(yīng)。該車售價(jià)為6萬美元，減去政府補(bǔ)貼后價(jià)格與豐田Mirai氫燃料電池汽車相當(dāng)。

截至2015年5月，日本投入運(yùn)營的加氫站共22座，還有76座在建設(shè)、申報(bào)中。

1.4韓國

韓國是世界上最為支持氫能與燃料電池技術(shù)的國家之一，其發(fā)展目標(biāo)是成為全球燃料電池制造的領(lǐng)袖之一，長期以來，集中研究MCFC 和PAFC在大型固定電站方面的應(yīng)用。目前，韓國政府將燃料電池研發(fā)的范圍拓展到交通運(yùn)輸及移動(dòng)電話領(lǐng)域的應(yīng)用，并且致力于PEMFC 和SOFC的研究。從企業(yè)研發(fā)方向來看，三星(Samsung)主攻 PEM和DMFC，現(xiàn)代(Hyundai)主攻 FCV，LG化工和LG電子則分別從事MEA、DMFC和PEM、DMFC的研發(fā)。2012 年韓國政府投入建設(shè)氫城市示范項(xiàng)目的預(yù)算總額達(dá)到185億韓元。

在燃料電池汽車發(fā)展方面，現(xiàn)代計(jì)劃于2016年生產(chǎn)4000～5000輛氫燃料電池汽車，而國家也出臺(tái)了相關(guān)的補(bǔ)貼方案。 韓國的 LPG加氣站非常普及，日前，政府和現(xiàn)代集團(tuán)及LPG運(yùn)營公司共同合作，推出LPG加氣站改加氫站計(jì)劃，韓國氫燃料電池行業(yè)將快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年7月，韓國共有加氫站12座。

2　氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

2.1各國政府愈加重視氫能利用

氫能優(yōu)勢(shì)突出，是未來綠色能源體系的重要組成部分。作為一種戰(zhàn)略性高效清潔能源，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界各國的廣泛關(guān)注和重視。目前，各國紛紛制定和出臺(tái)一系列的政策及規(guī)劃，明確氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，投入巨額財(cái)政資金用于氫能與燃料電池技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)啟動(dòng)氫能與燃料電池的示范應(yīng)用項(xiàng)目，并不斷完善配套加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。伴隨著燃料電池商業(yè)化進(jìn)程加快，世界各國愈加重視氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，政策導(dǎo)向性更加明確。另外，為了推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各國開始加強(qiáng)聯(lián)盟合作，如荷蘭、丹麥、瑞典、法國、英國與德國6國已達(dá)成共同開發(fā)推廣氫燃料電池汽車的協(xié)議，這些國家的聯(lián)盟合作或成為國際氫能產(chǎn)業(yè)合作的新趨勢(shì)。

2.2氫燃料電池汽車開啟產(chǎn)業(yè)化

從技術(shù)方面來看，歐美日等發(fā)達(dá)國家大多已完成氫燃料電池汽車基本性能的研發(fā)階段，解決了若干關(guān)鍵技術(shù)問題，在整車性能、可靠性、壽命和環(huán)境適應(yīng)性等方面均與傳統(tǒng)汽車相當(dāng)。成本方面，氫燃料電池系統(tǒng)成本持續(xù)下降，整車成本從2005年之前的每輛100萬美元降到現(xiàn)在的每輛5～10萬美元的可接受范圍；基礎(chǔ)設(shè)施方面，各國政府和企業(yè)紛紛制定相應(yīng)的加氫站建設(shè)計(jì)劃，以保障氫燃料電池汽車加氫需求。綜合來看，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化條件已經(jīng)具備。

目前，世界主要汽車制造商均設(shè)定了燃料電池汽車的商業(yè)化時(shí)間表。其中，豐田已于2014 年12月15日在日本國內(nèi)開始銷售其氫燃料電池汽車Mirai；通用、福特、奔馳都將在3年內(nèi)推出量產(chǎn)車型；寶馬和日產(chǎn)均有2020年前推出氫燃料電池商品車計(jì)劃。因此，2015年被視為氫燃料電池汽車的市場(chǎng)化元年，產(chǎn)業(yè)化黎明已經(jīng)到來。2020年則被看作是市場(chǎng)啟動(dòng)年，屆時(shí)將大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池汽車。

2.3氫燃料電池成本進(jìn)一步下降

近10年來，燃料電池的成本控制一直是研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界最重要的目標(biāo)之一。根據(jù) DOE的估算，基于2013年的技術(shù)水平，在年產(chǎn)5萬套的規(guī)模下，車用80 kW功率的PEMFC燃料電池成本降低到55美元/kW，較2002年的275美元/kW下降了80％，這一數(shù)字已經(jīng)逐步接近美國能源部設(shè)定的2017年30美元/kW的成本目標(biāo)。

預(yù)計(jì)隨著氫能與燃料電池、關(guān)鍵材料等技術(shù)的逐步成熟，氫燃料電池系統(tǒng)的成本繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，將更加有利于氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。

3　我國氫能與燃料電池情況

相比國際氫燃料電池汽車開始商業(yè)化起步，我國氫燃料電池汽車大體落后10年以上。目前，國內(nèi)有數(shù)家公司可以制作千瓦級(jí)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，但國產(chǎn)氫燃料電池電站還沒有產(chǎn)品問世。據(jù)報(bào)道，2015年1月9日營創(chuàng)三征(營口)精細(xì)化工有限公司與荷蘭的MTSA Technopower、NedstackFuelCell Technology和Akzo Nobel Industrial Chemicals四方簽署合作協(xié)議，項(xiàng)目由營創(chuàng)三征引進(jìn)荷蘭三方裝置技術(shù)，利用營創(chuàng)三征氯堿副產(chǎn)氫氣資源，建造全球首套2 MW氫燃料電站。該氫燃料電站作為示范項(xiàng)目，獲得歐盟氫能利用項(xiàng)目支持，計(jì)劃于2016年7月建成投入運(yùn)行。

我國氫燃料電池技術(shù)水平與先進(jìn)國家相比差距逐步加大，主要體現(xiàn)在：氫燃料電池總體上尚處于工程化開發(fā)階段，功率特性、冷啟動(dòng)、可靠性等主要技術(shù)性指標(biāo)與世界標(biāo)桿產(chǎn)品相比還有很大差距；關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域所擁有的專利數(shù)目不少，但核心技術(shù)無幾；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還未形成體系；成本居高不下；催化劑、雙極板等關(guān)鍵材料和高壓儲(chǔ)氫罐、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件基本不具備產(chǎn)業(yè)化能力。我國氫燃料電池備用電源和直供電源也僅有很少量的示范。

在氫燃料電池汽車方面，我國開發(fā)氫燃料電池汽車較早，1999年，清華大學(xué)就研制出中國第一輛氫燃料電池汽車。但是，我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)體系以大學(xué)為主，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)及大連化學(xué)物理研究所承擔(dān)了大量的研發(fā)工作；而燃料電池汽車的生產(chǎn)體系建設(shè)較為緩慢，只有上汽集團(tuán)及字通集團(tuán)參與相關(guān)的工作。更何況自2008年起，我國將新能源車的重點(diǎn)放在了純電池的電動(dòng)車上，結(jié)果氫燃料電池汽車的研制技術(shù)水平不進(jìn)反退。目前，我國氫燃料電池汽車已明顯落后于國際水平，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氫燃料電池汽車起步晚于我國的韓國。所幸，我國燃料電池大客車尚有亮點(diǎn)，2016年下半年，首批量產(chǎn)的28輛氫燃料電池公交車將先后在佛山、云浮兩地投入示范運(yùn)營；宇通公司最近也有建造百臺(tái)氫燃料電池大客車計(jì)劃。中車青島四方車輛廠和唐山車輛廠分別造出以氫燃料電池為動(dòng)力的輕軌車頭，有望在2017年用于佛山輕軌。

我國氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后。前文已經(jīng)說明國外有很多加氫站建設(shè)、運(yùn)營的成功案例，而截至2015年7月，我國僅有3座加氫站，分別位于北京、上海和鄭州，加注氫氣壓力只有35 MPa(國際上70 MPa為主流)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后將嚴(yán)重制約國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)的推廣和發(fā)展。

雖然國家不顧一切地全力發(fā)展純電池的電動(dòng)車，但投入的巨額補(bǔ)貼也催生了觸目驚心的“騙補(bǔ)”行為。所幸，國內(nèi)不乏有遠(yuǎn)見、有魄力的政府官員、科學(xué)家、企業(yè)家和投資家，都開始呼吁中央政府關(guān)注氫能與燃料電池。

據(jù)報(bào)道，在3月初結(jié)束的兩會(huì)上，李小琳代表的提案是《加快發(fā)展電轉(zhuǎn)氣(P2G)技術(shù)的建議》。提案指出，電轉(zhuǎn)氣(Power to Gas，P2G)技術(shù)是近年來興起的一種與清潔能源，特別是間歇式可再生能源發(fā)電緊密結(jié)合的新型大規(guī)模工業(yè)化電解水制氫技術(shù)。提案還提出通過3種途徑將電能以氫氣的方式存儲(chǔ)起來，并提出具體實(shí)施辦法。

2016年3月23-24日，世界氣候組織等機(jī)構(gòu)在北京舉辦了“2016全球清潔技術(shù)峰會(huì)”，國務(wù)院參事、科技部原副部長劉燕華在會(huì)上以《可持續(xù)發(fā)展的能源出路》為題作主題演講，演講中談及中國能源轉(zhuǎn)型問題，指出交通運(yùn)輸行業(yè)“綠色出行”的轉(zhuǎn)型應(yīng)該是從“電力”向“氫燃料”發(fā)展。

中國工程院原副院長杜祥琬院士于近日接受記者采訪時(shí)表示：“除了儲(chǔ)能以外，還可進(jìn)行可再生能源峰值利用。當(dāng)可再生能源無法上網(wǎng)時(shí)，為避免浪費(fèi)，當(dāng)發(fā)電量達(dá)到峰值時(shí)，利用這部分能量去電解水，或者進(jìn)行海水淡化。電解水可制氫，氫又可成為能量載體被利用?！?/p>

廣東佛山和江蘇如皋都在積極推動(dòng)以氫燃料電池大客車為代表的氫產(chǎn)業(yè)鏈，均有一定進(jìn)展。

4　我國氫能與燃料電池進(jìn)步緩慢的問題所在

我國氫能與燃料電池進(jìn)步緩慢的原因很多，國內(nèi)專家已經(jīng)多有論述。筆者個(gè)人認(rèn)為主要原因在于我國迄今為止無氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，氫能與燃料電池未得到應(yīng)有的地位。世界各國如日本、美國、德國等國均有氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃及技術(shù)路線圖，并統(tǒng)籌考慮氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須配套的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)；推行政府與私人的共建合作模式，政府給予氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各種優(yōu)惠、補(bǔ)助措施及政策上的扶持等，對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展方向、重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域等重點(diǎn)進(jìn)行了研究；形成了一個(gè)發(fā)展規(guī)劃、一個(gè)技術(shù)路線圖、一盤棋的頂層設(shè)計(jì)。我國則無氫能路線圖，發(fā)展自由行，無方向，行動(dòng)如一盤散沙。

筆者認(rèn)為，我國氫燃料電池攻關(guān)主體錯(cuò)位也是我國氫能與燃料電池進(jìn)步緩慢的重要原因。到今天，世界燃料電池已經(jīng)以企業(yè)作為經(jīng)營主體，向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展；而我國仍然以高等院校和科研單位為主力，企業(yè)不參與或者做陪襯。導(dǎo)致的后果是關(guān)鍵技術(shù)與生產(chǎn)需求脫節(jié)，政府投入資金不少，可實(shí)際結(jié)果乏善可陳。

筆者還認(rèn)為，國內(nèi)對(duì)基本無污染、但價(jià)格仍較高的可再生能源制氫沒有補(bǔ)貼政策，使得棄風(fēng)、棄光、棄水比例逐年變大。政府如何確保穩(wěn)定的、價(jià)格可競爭的清潔氫氣供應(yīng)，將成為推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵，也是政府的責(zé)任所在。

目前，國際氫能與燃料電池升溫，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展令人驚喜，我國氫能則是蓄勢(shì)待發(fā)。春江水暖鴨先知，我國一批對(duì)氫能與燃料電池有遠(yuǎn)見的政府官員、企業(yè)家、投資家已經(jīng)開始動(dòng)作。由此我深信，我國的氫能與燃料電池發(fā)展也將很快爆發(fā)。

2016-04-08

毛宗強(qiáng)(1947—)，男，教授，主要從事氫能及燃料電池方面的研究。maozq@tsinghua.edu.cn