曹 湘 洪

(中國(guó)石油化工集團(tuán)公司，北京100728)

氫能開(kāi)發(fā)與利用中的關(guān)鍵問(wèn)題

曹 湘 洪

(中國(guó)石油化工集團(tuán)公司，北京100728)

通過(guò)分析利用化石能源及可再生能源制氫和氫氣利用過(guò)程的能源效率、三廢排放對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)作用，強(qiáng)調(diào)氫能是一次能源高效利用的有效途徑，氫能是最清潔的二次能源，發(fā)展氫能將有力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，氫能開(kāi)發(fā)利用中的安全風(fēng)險(xiǎn)是可以控制的。系統(tǒng)完整的技術(shù)支持是氫能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵，提出了我國(guó)開(kāi)發(fā)利用氫能需要深入研究開(kāi)發(fā)的技術(shù)與裝備。

氫能 開(kāi)發(fā) 利用 能源效率 安全風(fēng)險(xiǎn)

長(zhǎng)期以來(lái)，氫氣主要在煉油及化工行業(yè)作為原料使用。1839年英國(guó)的Grove發(fā)明了燃料電池，用氫氣與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流。從此以后，燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)在氫燃料電池汽車(chē)已投放市場(chǎng)，兆瓦級(jí)燃料電池發(fā)電的工業(yè)示范項(xiàng)目已在計(jì)劃中，氫氣作為重要的二次能源的潛力開(kāi)始逐步被人們認(rèn)知。但氫氣能否真正成為未來(lái)重要的二次能源，持懷疑態(tài)度的人仍然很多。因此有必要從氫能對(duì)化石能源和可再生能源等一次能源的高效利用、氫能的環(huán)保效益和減排二氧化碳效果、氫能開(kāi)發(fā)利用對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的帶動(dòng)作用、氫能使用中的安全風(fēng)險(xiǎn)控制等方面深化對(duì)氫能的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)氫能的開(kāi)發(fā)和利用，加強(qiáng)氫能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的創(chuàng)新，使我國(guó)氫能的開(kāi)發(fā)利用跟上世界先進(jìn)水平。

1 氫能是實(shí)現(xiàn)一次能源高效利用的最有效途徑

氫氣的能量密度為140 MJ/kg，是汽油能量密度(43 MJ/kg)的3.25倍，固體燃料能量密度(50 MJ/kg)的2.80倍。氫氣可來(lái)自化石能源，包括煤(含高硫煤等劣質(zhì)煤)制氫、石油焦和渣油(含高硫石油焦、劣質(zhì)渣油、石油瀝青)制氫、天然氣制氫。雖然這些技術(shù)仍在不斷改進(jìn)，但已經(jīng)相當(dāng)成熟。氫氣也可來(lái)自可再生能源，自然界大量存在的生物質(zhì)可氣化制氫，水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生的電可電解水制氫。風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電是不穩(wěn)定電源，為保證電網(wǎng)安全，有上網(wǎng)比例限制，利用棄風(fēng)的風(fēng)電、棄光的光伏電電解水制氫，將氫氣壓縮或液化后儲(chǔ)存，有利于解決“棄風(fēng)、棄光”問(wèn)題。大型電廠可利用峰谷電電解水制氫，將氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，作為燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力源。氫氣還可以來(lái)自工業(yè)過(guò)程排放的含氫尾氣，如鋼鐵廠的焦?fàn)t煤氣。

氫燃料電池有很高的能源利用效率，日本豐田公司和本田公司已經(jīng)向市場(chǎng)銷(xiāo)售的車(chē)用燃料電池的效率可以達(dá)到65%；日本三菱重工業(yè)有限公司正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、計(jì)劃2017年投入市場(chǎng)的工業(yè)用1 350 kW固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率已達(dá)到55%；日本北九州八幡市實(shí)施氫能的示范項(xiàng)目家用燃料電池可為家庭供電及提供熱水，能源效率達(dá)到90%以上[1]。

美國(guó)能源部提出了如圖1所示的煤制氫-燃料電池發(fā)電工廠的生產(chǎn)流程，采用煤氣化-高溫脫硫-高溫陶瓷膜分離制氫-固體氧化物燃料電池發(fā)電方案，工廠的總熱效率(高熱值基準(zhǔn))可達(dá)65.2%。采用如圖2所示煤制氫、氫氣燃?xì)馔钙桨l(fā)電、氫分離器尾氣(含CO，CO2，H2)燃?xì)馔钙桨l(fā)電的煤制氫-聯(lián)產(chǎn)電力流程，包括CO2回收系統(tǒng)的整體熱效率(高熱值基準(zhǔn))可達(dá)到59%[2-3]。日本電力(J-power)公司正在開(kāi)發(fā)IGFC(煤氣化和固體氧化物燃料電池集成發(fā)電)技術(shù)，其能源效率有望達(dá)到55%[4]。這些研究表明，以煤為原料的IGFC技術(shù)及氫-電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的能源效率都可明顯高于正在研究開(kāi)發(fā)的能源效率達(dá)到48%的新一代超臨界發(fā)電技術(shù)。

圖1 煤制氫-燃料電池發(fā)電工廠的生產(chǎn)流程示意

圖2 煤制氫-聯(lián)產(chǎn)電力工廠的生產(chǎn)流程示意

2 氫能是最清潔的二次能源

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，受發(fā)展階段及發(fā)展方式、人口及消費(fèi)模式等諸多因素的影響，能源消費(fèi)總量快速增長(zhǎng)，環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，近幾年許多地區(qū)霧霾天氣經(jīng)常出現(xiàn)，二氧化碳排放總量躍升至世界首位，調(diào)整我國(guó)能源結(jié)構(gòu)是解決問(wèn)題的重要措施。

控制能源消費(fèi)總量、調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)成為我國(guó)今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)必須著力解決的問(wèn)題。面向未來(lái)，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，可再生能源及核電的比例會(huì)逐步上升，然而國(guó)情決定2050年乃至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，化石能源是主要能源，且化石能源中煤炭是主要的一次能源的格局不會(huì)改變。必須高度重視化石能源的高效清潔利用，尤其是煤炭的高效清潔利用。通過(guò)轉(zhuǎn)化成氫能不僅可實(shí)現(xiàn)煤炭等化石能源的高效利用，而且利用過(guò)程的清潔環(huán)保程度高于電能、油品等二次能源。

從化石能源制氫過(guò)程分析，煤炭(包括劣質(zhì)煤炭)、石油產(chǎn)品(包括高硫渣油、石油焦或石油瀝青)、天然氣采用如圖3所示的非催化部分氧化氣化制氫，原料中的碳和氧氣在高溫氣化爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，生成合成氣，合成氣的主要組成為一氧化碳、氫氣、二氧化碳，還含有原料中硫化物轉(zhuǎn)化成的硫化氫，原料中的重金屬會(huì)聚集到氣化爐排出的灰渣中。對(duì)于天然氣制氫過(guò)程，因天然氣本身清潔，合成氣不會(huì)含硫化氫，也沒(méi)有重金屬排放，其流程更簡(jiǎn)單。合成氣經(jīng)過(guò)水煤氣變換，脫除硫化氫、二氧化碳后，通過(guò)變壓吸附即可得到高純氫氣，硫化氫經(jīng)過(guò)脫硫制硫裝置可轉(zhuǎn)化成硫磺加以回收利用。整個(gè)過(guò)程不產(chǎn)生氧化氮，氧化硫排放量也很低。2012年中國(guó)華能集團(tuán)公司在天津建成IGCC示范電站，裝機(jī)容量265 MW，采用2臺(tái)干式粉煤加氫氣化爐，生成的合成氣凈化后進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，長(zhǎng)周期運(yùn)行結(jié)果顯示，粉塵排放量為0.6 mg/m3，SO2排放量為0.9 mg/m3，NOx排放量為50 mg/m3，其中NOx排放由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生[5]。

圖3 常規(guī)煤或渣油氣化制氫工藝流程示意

圖4 天然氣蒸汽重整制氫工藝流程示意

表1 天然氣蒸汽重整制氫裝置的工藝數(shù)據(jù)

天然氣制氫采用如圖4所示的水蒸氣重整工藝，某天然氣蒸汽重整制氫裝置的工藝數(shù)據(jù)如表1所示。該工藝技術(shù)成熟，工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)豐富，高熱值當(dāng)量熱效率可達(dá)83.9%[2]。該過(guò)程中，蒸汽重整反應(yīng)在并列管式反應(yīng)爐中進(jìn)行，反應(yīng)溫度850 ℃，壓力1.5～3.0 MPa，反應(yīng)爐煙氣中含有NOx，雖然與天然氣氣化制氫工藝相比有一定量的NOx排放，但也是清潔的制氫工藝。

從作為能源利用的過(guò)程看，氫氣在燃料電池中與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電，生成水，沒(méi)有任何污染物排放。

綜合化石能源制氫與氫能利用的全過(guò)程，氫能是最清潔、最環(huán)境友好的二次能源。從全壽命周期看，氫燃料電池汽車(chē)才是最接近零污染排放和最低二氧化碳排放的汽車(chē)，并且氫能利用方式具有高能源利用效率，因此氫能是化石能源高效清潔利用的最佳方式。正因?yàn)槿绱?，世界上一些知名的汽?chē)公司和能源公司都十分重視氫能及燃料電池技術(shù)開(kāi)發(fā)，如戴姆勒奔馳汽車(chē)公司始終將燃料電池汽車(chē)視為可持續(xù)交通的終極解決方案；殼牌公司認(rèn)為氫能將成為未來(lái)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿χ籟6]。

美國(guó)加州對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放的管控世界領(lǐng)先，2011年12月加州環(huán)保局空氣資源董事會(huì)發(fā)布的“先進(jìn)清潔汽車(chē)”報(bào)告提出了“先進(jìn)清潔汽車(chē)計(jì)劃”，明確在滿足環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和減少溫室氣體排放上繼續(xù)擔(dān)任領(lǐng)先角色，要協(xié)調(diào)低排放汽車(chē)、零排放汽車(chē)和清潔燃料的銷(xiāo)售，期望的目標(biāo)如圖5所示，到2040年新車(chē)銷(xiāo)售中零排放汽車(chē)銷(xiāo)量接近100%，2050年道路行駛汽車(chē)中氫燃料電池汽車(chē)約占60%，與電動(dòng)汽車(chē)合計(jì)占道路行駛汽車(chē)的87%[7]。加州“先進(jìn)清潔汽車(chē)計(jì)劃”也印證了氫能是最清潔和高效的二次能源。

圖5 美國(guó)加州道路行駛輕負(fù)荷車(chē)的期望目標(biāo)

3 發(fā)展氫能將有力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型

發(fā)展氫能可以實(shí)現(xiàn)化石能源的高效清潔利用，可以成為風(fēng)電、光電等不穩(wěn)定電能的大容量?jī)?chǔ)能手段，是能源利用上的一項(xiàng)重大變革，這項(xiàng)變革是一個(gè)逐步推進(jìn)的過(guò)程。目前處于市場(chǎng)起步階段的燃料電池汽車(chē)成本高，加氫站建設(shè)、氫氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸投入大、運(yùn)行費(fèi)用高，暫時(shí)難以被市場(chǎng)接受并大規(guī)模推廣，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步及市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，其經(jīng)濟(jì)性會(huì)明顯改善。如豐田汽車(chē)公司2014年12月開(kāi)始向市場(chǎng)發(fā)售Mirai燃料電池汽車(chē)，其2014年電池堆的成本是2008年的1/20。從事燃料電池汽車(chē)研究的專(zhuān)家預(yù)計(jì)，未來(lái)燃料電池汽車(chē)的成本將與同級(jí)別的電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相當(dāng)。日本政府制定并開(kāi)始實(shí)施的氫能燃料電池戰(zhàn)略路線圖提出，2020年氫能燃料電池汽車(chē)的氫氣費(fèi)用將實(shí)現(xiàn)與混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油費(fèi)用同等或以下，2025年銷(xiāo)售的FCV汽車(chē)的售價(jià)與同配置的混合動(dòng)力汽車(chē)相當(dāng)[8]。因此決不能因?yàn)闅淠苣壳笆褂玫慕?jīng)濟(jì)性差而忽視其未來(lái)發(fā)展將會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，要充分重視其未來(lái)發(fā)展對(duì)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的推動(dòng)作用。

燃料電池是氫能利用的最佳方式，按使用的電解質(zhì)不同分為五大類(lèi)，即堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。這五類(lèi)燃料電池有不同的工作溫度，性能特點(diǎn)各異，適用于汽車(chē)、家庭、工業(yè)發(fā)電等不同場(chǎng)合。氫能的開(kāi)發(fā)利用將逐步創(chuàng)造出一個(gè)規(guī)模龐大的燃料電池產(chǎn)業(yè)，燃料電池和服務(wù)燃料電池的制氫、氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸與分銷(xiāo)又會(huì)給材料及裝備制造業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇。

燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)與推廣將使傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)、汽油、柴油逐步失去市場(chǎng)，傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、煉油業(yè)是受到直接沖擊的產(chǎn)業(yè)，與其相關(guān)的一批產(chǎn)業(yè)會(huì)間接受到?jīng)_擊。與煉油業(yè)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)就有石油開(kāi)采、石油與成品油運(yùn)輸、石油與煉油工程、石油與煉油裝備制造等等，涉及面非常廣。

順應(yīng)氫能的發(fā)展，將石油加工、油品銷(xiāo)售轉(zhuǎn)變成制氫、儲(chǔ)氫、氫氣銷(xiāo)售，煉油行業(yè)將會(huì)在轉(zhuǎn)型中獲得新生；將內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)制造轉(zhuǎn)變成燃料電池汽車(chē)制造，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)也將從產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中得到新的發(fā)展。

充分認(rèn)識(shí)氫能的開(kāi)發(fā)利用將會(huì)給已有產(chǎn)業(yè)帶來(lái)沖擊以及給產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新帶來(lái)的機(jī)遇，應(yīng)對(duì)沖擊、把握機(jī)遇、未雨綢繆，積極參與科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，適時(shí)實(shí)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型才是正確的選擇。

4 氫能開(kāi)發(fā)利用中的安全風(fēng)險(xiǎn)是可以控制的

氫氣是一種易燃易爆氣體，在空氣中的爆炸極限是4%～75%(φ)，發(fā)展氫能時(shí)人們最擔(dān)心的是氫能使用的安全性問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外物理危險(xiǎn)性類(lèi)似氫氣的氣體利用及制氫用氫實(shí)踐證明，氫氣利用中的安全風(fēng)險(xiǎn)是可以控制的。

乙炔俗稱(chēng)電石氣，相對(duì)分子質(zhì)量為26.04，氣體密度為1.16 kg/m3，熔點(diǎn)為-80.8 ℃，沸點(diǎn)為-84 ℃，易燃易爆，在空氣中的爆炸極限是2.3%～72.3%。因分子中有不飽和的炔鍵，化學(xué)性質(zhì)活潑，在液態(tài)和固態(tài)下，或在氣態(tài)和一定壓力下就有猛烈爆炸的危險(xiǎn)?？墒抢闷湓谘鯕庵腥紵蛇_(dá)3 600 ℃的特性，將其廣泛應(yīng)用于氣焊和氣割。氫氣在空氣中的爆炸極限與乙炔相近，但其密度小，僅為0.089 9 kg/m3，密度僅為空氣密度的1/14，輕微泄漏很容易在空氣中向上逸散，乙炔的密度是空氣密度的90%，泄漏到空氣中時(shí)其擴(kuò)散比氫氣要困難得多，與乙炔氣相比氫氣發(fā)生著火爆炸的危險(xiǎn)性要小，應(yīng)該可以像乙炔那樣廣泛應(yīng)用。

關(guān)于氫氣的安全風(fēng)險(xiǎn)控制，國(guó)內(nèi)外已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。煉油廠內(nèi)一般都有制氫裝置和采用加氫工藝的油品加工裝置，而且采用高溫高壓加氫工藝進(jìn)行油品深度加工的裝置越來(lái)越多，制氫用氫超過(guò)50 kt/a的煉油廠越來(lái)越多；中國(guó)神華集團(tuán)1 Mt/a直接法煤制油項(xiàng)目中煤制氫裝置的產(chǎn)氫量約為120 kt/a，用氫裝置都是高溫高壓裝置。大量制氫、用氫的煉油及現(xiàn)代煤化工工廠極少發(fā)生制氫用氫系統(tǒng)的著火爆炸事故。

為開(kāi)發(fā)和推廣燃料電池汽車(chē)，全球已建成運(yùn)行的加氫站超過(guò)200座，還沒(méi)有發(fā)生過(guò)加氫站著火爆炸事故的報(bào)道。2016年7月筆者專(zhuān)門(mén)赴日本進(jìn)行氫能考察，其中一項(xiàng)重要的內(nèi)容是考察日本開(kāi)發(fā)利用氫能的安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和安全風(fēng)險(xiǎn)防控措施。所接觸的日本專(zhuān)家都介紹，他們的做法就是嚴(yán)格執(zhí)行日本政府20世紀(jì)50年代發(fā)布的“高壓氣體法”，沒(méi)有另立其它安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

日本巖谷產(chǎn)業(yè)制氫工廠有兩條3 000 L/h的液氫生產(chǎn)線，兩條600 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))的高壓壓縮氫生產(chǎn)線，產(chǎn)生的氫氣全部外銷(xiāo)，液氫用專(zhuān)用液氫罐車(chē)，20 MPa高壓壓縮氫氣用集裝壓縮氣瓶車(chē)送到客戶(hù)處，該工廠已投運(yùn)11年，嚴(yán)格執(zhí)行“高壓氣體法”，沒(méi)有發(fā)生過(guò)安全事故。參觀考察了3個(gè)公司、6座加氫站，除豐田汽車(chē)廠試驗(yàn)車(chē)廠加氫站以外，都建在居民稠密區(qū)(如圖6所示)，與居民住宅的距離只有一墻之隔，站內(nèi)有儲(chǔ)存壓力為70 MPa的氫氣瓶、小型氫氣高壓壓縮機(jī)、向燃料電池汽車(chē)注氫的加氫機(jī)。采用集裝高壓氣瓶車(chē)將氫氣送到加氫站，通過(guò)管線轉(zhuǎn)移到站內(nèi)的儲(chǔ)氣瓶中，是一個(gè)完整的接、卸、儲(chǔ)、加系統(tǒng)；還有一個(gè)加氫站用站內(nèi)的以丙烷為原料的小型制氫工廠供氫，不需要外供氫氣。在北九州八幡市氫能示范社區(qū)，用家用燃料電池為家庭和公用設(shè)施供電、供熱水，從新日鐵工廠向社區(qū)供氫的管線如圖7所示，這些管線穿過(guò)JR高速鐵路和北九州都市高速路，離管線5 m處有員工宿舍，離管線10 m處有居民住宅。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線泄漏，在氫氣中注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-6數(shù)量級(jí)的有臭味的環(huán)己烯，同時(shí)在管線上鋪設(shè)了光纜，對(duì)氫氣管線運(yùn)行過(guò)程中的異常情況及時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理。

圖6 日本東京目黑加氫站

圖7 日本北九州氫能試點(diǎn)的街區(qū)氫氣管線示意

對(duì)于燃料電池汽車(chē)在意外情況下的安全性問(wèn)題，豐田汽車(chē)公司展示了燃料電池車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)的視頻，在外力撞擊致車(chē)輛徹底破壞的情況下，儲(chǔ)氫的高壓氣瓶完好無(wú)損；并且在車(chē)輛遭遇突發(fā)事故時(shí)，氫氣罐可采用快速卸壓等安全措施以保障安全。在日本進(jìn)行氫能開(kāi)發(fā)利用的商業(yè)示范中，認(rèn)為安全距離只要符合“高壓氣體法”的規(guī)定，控制氫氣安全風(fēng)險(xiǎn)的措施就是嚴(yán)格執(zhí)行“高壓氣體法”。

5 系統(tǒng)完整的技術(shù)支持是實(shí)現(xiàn)氫能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵

氫氣作為能源使用有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于氫氣的特殊性質(zhì)和使用過(guò)程的特點(diǎn)，也面臨一系列的挑戰(zhàn)，既有技術(shù)性問(wèn)題，也有經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。比如氫氣是世界上已知的密度最小的氣體，沸點(diǎn)為-252.8 ℃，熔點(diǎn)為-259.2 ℃，可壓縮成高壓氣體或轉(zhuǎn)化成液體儲(chǔ)存運(yùn)輸，工程技術(shù)問(wèn)題都可以解決，但各有難度、成本高；汽車(chē)是隨機(jī)變速的移動(dòng)機(jī)械，燃料電池作為汽車(chē)動(dòng)力，電池的電能輸出要與隨機(jī)的動(dòng)力需求契合，技術(shù)上可以找到解決方案，但動(dòng)力系統(tǒng)必將復(fù)雜化，同時(shí)導(dǎo)致成本增加。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上一直面臨挑戰(zhàn)，因此提出燃料電池原理117年后的1955年，燃料電池才開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用于美國(guó)的雙子星計(jì)劃(Project Gemini)，1991年才發(fā)明首個(gè)應(yīng)用于汽車(chē)的氫氧燃料電池。經(jīng)過(guò)一代又一代科學(xué)家和工程師堅(jiān)持不懈的努力，燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的條件逐步成熟，2014年日本率先向市場(chǎng)銷(xiāo)售燃料電池汽車(chē)。

我國(guó)進(jìn)行燃料電池的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)有四十多年的歷史，經(jīng)過(guò)努力國(guó)內(nèi)已掌握了燃料電池汽車(chē)整車(chē)、動(dòng)力系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的集成技術(shù)。上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司開(kāi)發(fā)的第三代榮威950燃料電池車(chē)，布置了2個(gè)容量為4.34 kg的儲(chǔ)氫瓶，續(xù)航里程300 km，百公里耗氫量低于1 kg。北汽福田汽車(chē)股份有限公司開(kāi)發(fā)的燃料電池客車(chē)的電堆使用壽命為2 000～3 000 h，續(xù)航里程也達(dá)到了300 km。但是我國(guó)開(kāi)發(fā)的燃料電池汽車(chē)的性能數(shù)據(jù)與國(guó)外已在市場(chǎng)銷(xiāo)售的燃料電池汽車(chē)的性能數(shù)據(jù)相比，電池的功率密度、壽命、低溫環(huán)境適應(yīng)性等都存在明顯的差距。

圍繞氫能的開(kāi)發(fā)利用，國(guó)際上除了燃料電池汽車(chē)研究外，還在進(jìn)行新一代高效化石能源制氫技術(shù)、高效低成本電解水制氫技術(shù)、多孔材料儲(chǔ)氫技術(shù)、化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)、家庭用燃料電池技術(shù)、工業(yè)及商業(yè)用燃料電池技術(shù)等的研究與開(kāi)發(fā)。在日本家用燃料電池2009年就開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2020年、2030年家用燃料電池的銷(xiāo)量將分別達(dá)到140萬(wàn)臺(tái)和530萬(wàn)臺(tái)，2017年工業(yè)及商業(yè)用燃料電池也將進(jìn)入市場(chǎng)。我國(guó)在上述方面的差距也很大。

在氫能利用中，氫氣的壓縮、液化、儲(chǔ)存及運(yùn)輸過(guò)程，加氫站氫氣接卸、壓縮、氫氣加注過(guò)程對(duì)工藝操作及設(shè)備、材料及儀器儀表都有很高的技術(shù)要求。國(guó)外都進(jìn)行過(guò)相關(guān)技術(shù)研究，我國(guó)的研究則比較遲后。我國(guó)已制定的加氫站設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也有不小的差距，要通過(guò)研究論證修改完善。我國(guó)氫氣長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸還沒(méi)有設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，要盡快研究制定。這些問(wèn)題解決不好，都會(huì)成為氫能開(kāi)發(fā)利用的制約因素。

總之，氫能開(kāi)發(fā)利用是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須有完整的、系統(tǒng)的技術(shù)支持，要針對(duì)我國(guó)存在的問(wèn)題和差距，加大研發(fā)投入，開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新，組織聯(lián)合攻關(guān)，形成支持氫能開(kāi)發(fā)利用的系列技術(shù)。

在氫能開(kāi)發(fā)方面，要開(kāi)展化石能源高效制氫及水電解低成本高效制氫技術(shù)研究?；茉锤咝е茪浼夹g(shù)包括化石能源高效制合成氣技術(shù)、合成氣脫硫脫碳與水蒸氣變換制氫集成新工藝、低成本提純生產(chǎn)高純度氫氣新技術(shù)等。水電解低成本高效制氫技術(shù)包括新型電極及隔膜技術(shù)、電解質(zhì)改性技術(shù)。面向未來(lái)的技術(shù)還包括熱化學(xué)制氫、光催化制氫、光電化學(xué)制氫、太陽(yáng)能直接制氫技術(shù)。

在儲(chǔ)氫技術(shù)與裝備研究方面，壓縮儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫是近中期可行的儲(chǔ)氫和氫氣運(yùn)輸方式，其技術(shù)與裝備研究的重點(diǎn)是承壓70 MPa和90 MPa氫氣瓶用的低成本碳纖維材料生產(chǎn)技術(shù)和氫氣瓶制造工藝及裝備技術(shù)，高壓氫氣瓶及液氫儲(chǔ)罐使用壽命檢測(cè)評(píng)估技術(shù)。著眼長(zhǎng)期的儲(chǔ)氫技術(shù)有化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)、多孔材料吸附儲(chǔ)氫技術(shù)。

加氫站裝備制造技術(shù)研究的重點(diǎn)是新型防爆單電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型多缸氫氣高壓壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，加氫槍批量制造裝備及工藝技術(shù)，加氫槍使用安全性監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)壽命評(píng)測(cè)技術(shù)。操作工藝技術(shù)研究的重點(diǎn)是氫氣接卸及車(chē)輛注氫全過(guò)程生熱與溫度控制技術(shù)。

車(chē)用燃料電池研究包括高功率密度、高效燃料電池研究，無(wú)鉑高效高功率密度燃料電池研究，低成本燃料電池汽車(chē)整車(chē)集成技術(shù)研究。其它用途燃料電池研究包括工業(yè)用大功率高效燃料電池技術(shù)研究，燃料電池與化石能源氣化制氫發(fā)電集成(IGFC)技術(shù)研究；家用高效燃料電池技術(shù)研究，燃料電池與家庭供熱、制冷集成技術(shù)研究。

在氫能開(kāi)發(fā)利用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)研究與制定方面，要致力形成氫能安全高效開(kāi)發(fā)利用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)是借鑒國(guó)外的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，圍繞加氫站、氫氣液化運(yùn)輸及氫氣高壓壓縮運(yùn)輸專(zhuān)用設(shè)備、氫氣長(zhǎng)距離管道輸送，研究建立相應(yīng)的達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的系列標(biāo)準(zhǔn)，如：充分利用土地資源并可保證安全的加氫站的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)、使用、維修標(biāo)準(zhǔn)系列；液氫儲(chǔ)罐和高壓儲(chǔ)氫瓶的設(shè)計(jì)、制造、使用、維修、檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、壽命評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列；液氫和高壓壓縮氫運(yùn)輸車(chē)輛的設(shè)計(jì)、使用、維修標(biāo)準(zhǔn)系列；氫氣長(zhǎng)輸管線的設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)系列。

6 結(jié)束語(yǔ)

氫能是實(shí)現(xiàn)一次能源高效利用的最有效途徑，是最清潔的二次能源，發(fā)展氫能將有力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，氫能開(kāi)發(fā)利用中的安全風(fēng)險(xiǎn)是可以控制的，系統(tǒng)完整的技術(shù)支持是實(shí)現(xiàn)氫能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵。我國(guó)要針對(duì)氫能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)與國(guó)外的差距，開(kāi)展化石能源高效制取高純度氫氣及水電解高效低成本制氫技術(shù)、儲(chǔ)氫技術(shù)、儲(chǔ)氫裝備和加氫站裝備材料及制造技術(shù)、高功率密度低成本車(chē)用燃料電池技術(shù)、家庭和工業(yè)用燃料電池技術(shù)等的研究與開(kāi)發(fā)，同時(shí)建立氫能安全高效開(kāi)發(fā)利用的國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

[1] 日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)組織.NEDO氫能白皮書(shū)(日文版)[R].2015

[2] 陳俊武，李春年，陳香生.石油替代綜論[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009：570-579

[3] Gary D，Tomlinson G.Hydrogen from Coal[R].Mitretek Technical Paper，MTR 2002-31

[4] J-POWER Group.Harmonizing Energy Supply with the Environment [R/OL].http：//www.jpower.co.jp/english/company_info/environment/pdf/er2016pdf/16-all.pdf

[5] 許世森，劉練波.火電廠燃燒后和燃燒前CO2捕集技術(shù)研發(fā)與示范[J].基石，2016，4(4)：50-55

[6] Hellenic Shipping News.Big Oil Replaces Rigs with Wind Turbines[R/OL].http：//www.hinterstellar.com/a/article/58d4522b1290715cc2f5e04e

[7] California Environmental Protection Agency Air Resources Board.Advanced Clean Cars[R].2012 pes-4

[8] 経済産業(yè)省.「水素·燃料電池戦略ロードマップ」をとりまとめました[EB/OL].http：//www.meti.go.jp/press/2014/06/20140624004/20140624004.html

KEYTODEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFHYDROGENENERGY

Cao Xianghong

(ChinaPetrochemicalCorporation，Beijing100728)

Based on the analysis on energy efficiency，“three wastes” discharges，and driving force for relevant industries of hydrogen manufactures from fossil and renewable energies and its utilization processes，it is recognized that hydrogen energy is the high efficiency way to utilize the primary energy sources and is the cleanest secondary energy.The development of the hydrogen energy will drive industrial innovation and industrial transformation.The risks in the development and applications of hydrogen energy can be controlled and the key is to develop a complete and systematic technical support.The technologies and equipments for developing and utilizing hydrogen energy in China are suggested.

hydrogen energy； development； application； energy efficiency； safety and risk

2017-04-26。

曹湘洪，中國(guó)工程院院士，美國(guó)國(guó)家工程院外籍院士，現(xiàn)任中國(guó)石化集團(tuán)公司科技委員會(huì)資深委員，兼任國(guó)家石油產(chǎn)品和潤(rùn)滑劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)主任、國(guó)家能源咨詢(xún)專(zhuān)家委員會(huì)委員。

曹湘洪，E-mail：caoxh@sinopec.com。