陳宇，張小玉，張榮沛

（中船動(dòng)力研究院有限公司，上海 201206）

0 引言

作為一種綠色、高效的二次能源，氫能還具有熱值高、儲(chǔ)量豐富、來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，是各領(lǐng)域進(jìn)行深度脫碳及實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的絕佳能源。

2019年國(guó)家首次將氫能源概念寫入《政府工作報(bào)告》中，明確開(kāi)展推動(dòng)加氫站等氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，年底的《能源統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度》中，氫氣也首次被納入能源統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。2020年發(fā)改委、司法部及能源局先后發(fā)布《關(guān)于加快建立綠色生產(chǎn)和消費(fèi)法規(guī)政策體系的意見(jiàn)》及《中華人民共和國(guó)能源法（征求意見(jiàn)稿）》，將氫能納入能源范疇并對(duì)其發(fā)展制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和支持政策。同年氫能先后被寫入《2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃》、《2020年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，包括氫氣制備、氫能儲(chǔ)運(yùn)、氫能加注及氫能利用等多方面，一般按上中下游對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行劃分，如圖1所示，制氫為上游產(chǎn)業(yè)，主要方式包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、可再生能源制氫、高溫分解制氫及新興制氫方式（如生物制氫等），儲(chǔ)運(yùn)氫為中游產(chǎn)業(yè)，儲(chǔ)氫方式主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫固態(tài)儲(chǔ)氫，氫能運(yùn)輸主要為車船運(yùn)輸機(jī)管道運(yùn)輸方式，氫能應(yīng)用及加注為下游產(chǎn)業(yè)，主要包括了加氫站建設(shè)、氫燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)。我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體雖然發(fā)展較快，但多個(gè)環(huán)節(jié)仍然存在問(wèn)題，一些關(guān)鍵材料和部件依賴進(jìn)口，關(guān)鍵技術(shù)未取得實(shí)質(zhì)性突破，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足，這些都會(huì)對(duì)我國(guó)整體氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到負(fù)面的作用。

圖1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

1 制氫產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

如圖2所示，全球來(lái)看，目前氫能制備的主要途徑還是依靠傳統(tǒng)能源的化學(xué)重整，其中天然氣重整占比約48%，真正綠色途徑的電解水制氫僅占4%。而日本在電解水制氫方面腳步較快，其鹽水電解制氫的產(chǎn)能占總產(chǎn)能的63%。我國(guó)制氫則主要依賴煤氣化制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫的方式，電解水制氫上我國(guó)應(yīng)用的很少，僅約1%[1-2]。

圖2 國(guó)內(nèi)外制氫方式占比情況

工業(yè)副產(chǎn)制氫具有氫氣提純難度低、耗能低、自動(dòng)化程度高以及無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，但工業(yè)副產(chǎn)制氫的氫氣產(chǎn)量受到主產(chǎn)物產(chǎn)量的限制，長(zhǎng)期來(lái)看無(wú)法成為氫能供應(yīng)的主要方式。由于化石燃料制氫存在環(huán)境污染問(wèn)題，且我國(guó)部分地區(qū)可再生資源利用的提高造成我國(guó)光伏、風(fēng)電發(fā)電成本降低，電解水制氫這種綠氫制備方式成為目前氫能制備領(lǐng)域最好的選擇[3]。如圖3所示，近期氫能仍以化石能源制氫與工業(yè)副產(chǎn)制氫為主，隨著可再生能源電解制氫的發(fā)展和推廣及氫能大規(guī)模長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，氫能總產(chǎn)量上升，傳統(tǒng)制氫方式占比減少，可再生能源電解制氫逐漸成為供氫主體。

圖3 中國(guó)氫能供給結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

當(dāng)前電解水制氫中設(shè)備成本和制氫成本中占比最大的分別是電解槽價(jià)格和電價(jià)，在堿性點(diǎn)解和質(zhì)子交換膜電解方式中，電解槽分別占總設(shè)備成本的50%和60%[4]，兩種電解方式制氫中電價(jià)分別占據(jù)制氫成本的86%和53%[1]（以電價(jià)0.3元/kWh計(jì)）。

1.1 化石燃料制氫

我國(guó)煤制氫的主要企業(yè)有中國(guó)石化、國(guó)家能源集團(tuán)、江蘇恒力集團(tuán)以及山東利津石化。其中產(chǎn)量最大的為國(guó)家能源集團(tuán)，目前年產(chǎn)超過(guò)400萬(wàn)噸氫氣，為世界首位，而中國(guó)石化產(chǎn)量為300萬(wàn)噸/年[5]。天然氣制氫企業(yè)主要有常州蘭博凈化、亞聯(lián)高科技、上海華西化工等，制氫裝置規(guī)模及產(chǎn)物指標(biāo)如表 1所示。

表1 化石燃料制氫企業(yè)裝置規(guī)模

煤制氫技術(shù)較為成熟，在我國(guó)相比天然氣制氫而言成本低，煤制氫成本約0.55～0.83元/m3，而我國(guó)天然氣較依賴進(jìn)口，因此天然氣制氫成本較高，約0.8～1.75元/m3[6]。

1.2 工業(yè)副產(chǎn)制氫

氯堿行業(yè)的鴻興達(dá)業(yè)和濱化股份在氫能方面已有布局，二者燒堿產(chǎn)能超過(guò)100萬(wàn)噸，副產(chǎn)氫可達(dá)2.5萬(wàn)噸/年，嘉化能源可實(shí)現(xiàn)氯堿副產(chǎn)氫1萬(wàn)噸，同時(shí)其產(chǎn)業(yè)鏈可實(shí)現(xiàn)制、儲(chǔ)、運(yùn)、加氫全覆蓋。目前我國(guó)焦?fàn)t煤氣制氫龍頭是擁有660萬(wàn)噸焦炭產(chǎn)能的美錦能源，副產(chǎn)氫氣可達(dá)到5.9萬(wàn)噸/年。丙烷脫氫（PDH）方面，國(guó)內(nèi)PDH項(xiàng)目計(jì)劃2023年產(chǎn)氫37.04萬(wàn)噸/年。衛(wèi)星石化未來(lái)有250萬(wàn)噸乙烷裂解項(xiàng)目投產(chǎn)，產(chǎn)氫16萬(wàn)噸；東華能源現(xiàn)有副產(chǎn)氫5萬(wàn)噸，寧波二期PDH建成后達(dá)到7.5萬(wàn)噸。

目前采用PSA技術(shù)的焦?fàn)t煤氣制氫、氯堿尾氣制氫等裝置已經(jīng)得到推廣。當(dāng)前氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫生產(chǎn)成本約1.1～1.4元/Nm3，計(jì)入PSA成本后綜合成本約1.2～1.8元/Nm3，而焦?fàn)t煤氣提純制氫綜合成本約0.83～1.33元/Nm3[7]。

1.3 電解水制氫

當(dāng)前國(guó)內(nèi)電解水制氫三種技術(shù)路線中，堿性水電解槽（ALK）技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)供液化，蘇州競(jìng)立、揚(yáng)州中點(diǎn)、天津大陸制氫等公司當(dāng)前單臺(tái)最大產(chǎn)氣量為1000Nm3/h[8]，但設(shè)備體積大以及存在污染的問(wèn)題。質(zhì)子交換膜水電解槽（PEM）需要采用貴金屬催化劑，成本較高，目前國(guó)內(nèi)單臺(tái)最大產(chǎn)氣量為蘇州國(guó)能圣源的設(shè)備，可提供500Nm3/h產(chǎn)量[8]，在單機(jī)能耗上，我國(guó)PEM制氫設(shè)備較優(yōu)，但總體規(guī)模與國(guó)外仍有差距。隨著國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜技術(shù)的不斷突破，長(zhǎng)期看好PEM電解槽的成本降低和市場(chǎng)份額提高，并與光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電方式相結(jié)合，發(fā)電成本及電價(jià)會(huì)持續(xù)下降，當(dāng)電價(jià)降低至0.3元/kWh以下時(shí)，電解水制氫具有較高的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告預(yù)測(cè)，隨著可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，可再生能源發(fā)電成本將快速降低，在2030年光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電成本分別降至0.2元/kWh和0.25元/kWh，電解水制氫的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨之提升[1]。固體氧化物水電解槽（SOEC）技術(shù)的研發(fā)國(guó)內(nèi)外都仍在進(jìn)行，主要研發(fā)機(jī)構(gòu)包括日本三菱重工、東芝、京瓷；美國(guó)Idaho國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Bloom Energy公司；丹麥托普索燃料電池公司；韓國(guó)能源研究所；中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)等。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)制氫方式相對(duì)于國(guó)外而言，在環(huán)保方面仍有不足，主要以傳統(tǒng)化石能源制氫方式為主，結(jié)合工業(yè)副產(chǎn)制氫方式。出于環(huán)保的考慮，以及可再生能源發(fā)電的推廣及發(fā)展造成電價(jià)的持續(xù)下降，電解水制氫成本降低，傳統(tǒng)化石能源制氫方式產(chǎn)量逐漸降低，并被可再生能源發(fā)電結(jié)合電解水制氫方式取代。電解水制氫方式中，PEM電解制氫處在快速發(fā)展階段，SOEC電解技術(shù)國(guó)內(nèi)外也都在加快研發(fā)進(jìn)度。

2 氫氣儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

由于氫氣的摩爾質(zhì)量太低，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的體積能量密度較低。為了提高氫能的儲(chǔ)存運(yùn)輸效率，目前儲(chǔ)氫技術(shù)使用較多的是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫等，氫能運(yùn)輸主要采用陸上運(yùn)輸、海上運(yùn)輸以及管道運(yùn)輸。

各儲(chǔ)氫方式特點(diǎn)如表2所示[9]，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在國(guó)外應(yīng)用較多，我國(guó)現(xiàn)階段普遍采用技術(shù)較為成熟的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)結(jié)合長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸?shù)姆绞?。這種儲(chǔ)運(yùn)方式在氫能需求量較小，運(yùn)輸距離較短的情況下具有較高的經(jīng)濟(jì)性，但隨著氫能需求的增大、運(yùn)輸距離的增長(zhǎng)，氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的方式的經(jīng)濟(jì)性必不能滿足要求，液態(tài)儲(chǔ)存方式結(jié)合海上運(yùn)輸或管道輸氫的方式是氫能儲(chǔ)運(yùn)下一步的發(fā)展方向。

表2 儲(chǔ)氫方式對(duì)比

2.1 儲(chǔ)氫產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1.1 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫

目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方面，國(guó)外主流壓力等級(jí)為70MPa氫瓶，而國(guó)內(nèi)主要采用35MPa氫瓶，70MPa高壓儲(chǔ)氫在國(guó)內(nèi)還在推廣階段。當(dāng)前國(guó)內(nèi)35MPa儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)公司主要包括中材科技、沈陽(yáng)斯林達(dá)、京城股份等，其中沈陽(yáng)斯林達(dá)已具備70MPa儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)資格。

2.1.2 低溫液態(tài)儲(chǔ)氫

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫需要將氫氣冷卻降溫至20K，使氣態(tài)氫轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，使用具有極高保溫效果的低溫儲(chǔ)罐存儲(chǔ)。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫可將氣態(tài)氫體積壓縮800倍，能量密度遠(yuǎn)高于高壓氣態(tài)氫氣，但在液化以及運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)存在很大的能耗，當(dāng)前將1kg氫氣液化需耗電4～10kWh，且液態(tài)氫過(guò)低的溫度在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中也會(huì)從外界吸熱造成蒸發(fā)，這對(duì)保溫材料有極高的要求。

圖4展示了液氫的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和占比，如圖所示，目前國(guó)外儲(chǔ)氫采用低溫液態(tài)儲(chǔ)氫占大多數(shù)，其中又以美國(guó)市場(chǎng)占比最大，以其兩個(gè)低溫液氫巨頭公司AP和PRAX為代表[10]。亞洲市場(chǎng)份額中，日本占據(jù)三分之二。我國(guó)當(dāng)前低溫液氫存儲(chǔ)方面相比國(guó)外較為落后，國(guó)內(nèi)低溫液氫的產(chǎn)量還很少，幾乎全部應(yīng)用在軍用航空領(lǐng)域，且在低溫液氫的生產(chǎn)成本上我國(guó)相比美國(guó)差距很大，約為美國(guó)的20倍。鴻達(dá)興業(yè)在內(nèi)蒙古投資的國(guó)內(nèi)首個(gè)民用液氫生產(chǎn)項(xiàng)目于2020年4月順利產(chǎn)出液氫[11]，這也標(biāo)志著我國(guó)液氫生產(chǎn)成本降低的開(kāi)始。

圖 4 世界與亞洲低溫液氫產(chǎn)量分布

2.1.3 有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫

有機(jī)液體儲(chǔ)氫利用有機(jī)液體（環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷等）與氫氣進(jìn)行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存。這種儲(chǔ)氫方式的優(yōu)勢(shì)在于儲(chǔ)氫密度比較高（可達(dá)到18wt%的儲(chǔ)氫密度）、安全性高，但往往需要配備相應(yīng)的加氫脫氫裝置，流程繁瑣，效率較低，抬高儲(chǔ)氫成本，影響氫氣純度。

武漢氫陽(yáng)是國(guó)內(nèi)目前唯一一家從事有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫的公司, 其開(kāi)發(fā)的常溫常壓下液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫(LOHC)技術(shù)攻克了氫氣常溫常壓下液態(tài)儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)碾y題，具有脫氫溫度低、儲(chǔ)氫可逆及載體無(wú)消耗的優(yōu)勢(shì)。

2.1.4 固態(tài)儲(chǔ)氫

固態(tài)儲(chǔ)氫方式利用某些金屬較強(qiáng)的捕捉氫氣的能力，這些金屬不需要很高的溫度和壓力便能吸收大量的氫氣，生成金屬氫化物，而再次對(duì)其加熱便能將吸收的氫氣釋放。常用的儲(chǔ)氫材料有稀土類化合物、鈦系化合物、鎂系化合物以及釩、鈮等金屬合金。這種儲(chǔ)氫方式存在一些缺點(diǎn)，如合金自身重量較高，造成單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度低，還有些金屬氫化物脫氫需要很高的溫度。

國(guó)內(nèi)固態(tài)合金儲(chǔ)氫還在研發(fā)階段，主要包括應(yīng)用稀土材料的北京浩云金能、廈門鎢業(yè)，鎂基材料的鎂源動(dòng)力、鎂格氫動(dòng)[10]。

2.2 氫氣輸運(yùn)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.2.1 車船運(yùn)輸

當(dāng)前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，采用車輛的陸上運(yùn)氫占大多數(shù)，只是國(guó)內(nèi)大多為高壓氣氫運(yùn)輸，國(guó)外液氫技術(shù)較為成熟的國(guó)家大多采用液氫槽車運(yùn)輸。液氫槽車運(yùn)輸?shù)姆绞絾翁丝蛇\(yùn)輸更多的氫，經(jīng)濟(jì)性更高。

各儲(chǔ)運(yùn)氫方式的特點(diǎn)如表3所示。即便采用當(dāng)前運(yùn)量較大的液氫槽車進(jìn)行運(yùn)輸，其單趟運(yùn)量也僅在數(shù)噸以內(nèi)，而采用液氫運(yùn)輸船進(jìn)行海上運(yùn)輸，單趟運(yùn)量可達(dá)到百噸甚至更多，這種運(yùn)氫方式相比液氫槽車單趟可運(yùn)輸更多的氫能，且可以實(shí)現(xiàn)全球轉(zhuǎn)運(yùn)。海上運(yùn)輸除了運(yùn)量和距離的優(yōu)勢(shì)外，還可以脫離?；返缆愤\(yùn)輸?shù)南拗啤?/p>

表3 各種車船運(yùn)輸方式比較

近年日本開(kāi)展的海上氫能供應(yīng)項(xiàng)目較多，從澳大利亞、新西蘭、挪威、文萊等國(guó)均開(kāi)展有海上供氫項(xiàng)目，但這些項(xiàng)目均為有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫，而非低溫液態(tài)儲(chǔ)氫。日本首艘低溫液氫運(yùn)輸船已于2019年底下水，國(guó)內(nèi)在海上運(yùn)氫方面尚未有應(yīng)用。

2.2.2 管道運(yùn)輸

管道運(yùn)輸氫氣的方式是成本最低的運(yùn)輸方式，最適宜大規(guī)模、長(zhǎng)距離的氫氣運(yùn)輸，但此方式依賴于整體用氫系統(tǒng)規(guī)模的成型。管道輸氫存在前期較高的建設(shè)費(fèi)，由圖5（a）可看出，輸氫成本隨著管道長(zhǎng)度增加而降低，管道長(zhǎng)度從25km至500km，輸氫單位成本可從2.75元/kg百公里下降至0.48元/kg百公里，當(dāng)運(yùn)輸距離達(dá)到300km以上時(shí)，單位成本降至0.5元/kg百公里[12]。國(guó)內(nèi)已有少量的氫氣運(yùn)輸管道，如中國(guó)石化濟(jì)源-洛陽(yáng)全長(zhǎng)25km，巴陵-長(zhǎng)嶺輸氫管道全長(zhǎng)42km，年輸氣量分別為4.42萬(wàn)噸和10.04萬(wàn)噸[1]。圖5（b）對(duì)目前三種運(yùn)氫方式的單位成本進(jìn)行對(duì)比，可看出，管道運(yùn)輸始終是單位成本最低的方式，而運(yùn)輸距離在300km內(nèi)，高壓氣氫管束車運(yùn)輸單位成本較低，300km以上液氫槽罐車單位成本要低于管束車。

圖5 輸氫方式成本分析

國(guó)內(nèi)氫能儲(chǔ)運(yùn)方式主要為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫結(jié)合管束車運(yùn)輸，且主要采用35MPa高壓儲(chǔ)氫方案，70MPa儲(chǔ)氫罐初步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。國(guó)外以低溫液態(tài)儲(chǔ)氫結(jié)合液氫槽車運(yùn)輸居多，而我國(guó)液氫民用剛剛起步，且液化成本相比美國(guó)也高出許多。但目前采用的高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)方式運(yùn)量過(guò)低，各相關(guān)企業(yè)都在追求技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)液氫儲(chǔ)運(yùn)或管道輸氫。隨著氫能應(yīng)用端的擴(kuò)張，氫能需求增大，長(zhǎng)距離供氫管網(wǎng)和液氫海上船舶運(yùn)輸均為未來(lái)發(fā)展方向。

3 氫氣應(yīng)用產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

加氫站是氫能應(yīng)用最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，我國(guó)目前全部采用氣氫加氫站，采用外供氫，加氫站中的壓縮機(jī)主要還是依賴進(jìn)口。國(guó)外液氫加氫站以美國(guó)和日本為主。氫燃料電池在產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼和國(guó)家政策支持等措施下，近些年在國(guó)內(nèi)發(fā)展十分迅猛，與國(guó)外的技術(shù)差距正在逐漸減小，隨著氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫燃料電池價(jià)格不斷下降，這也給氫燃料電池在船舶、航空、軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了很好的契機(jī)。氫能在其他方面的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)占比較少，如依托燃料電池技術(shù)，建立分布式能源網(wǎng)絡(luò)，做到區(qū)域或城市電力、熱能和冷能的聯(lián)合供應(yīng)等。

3.1 氫能下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)

3.1.1 加氫站

加氫站是整個(gè)氫能應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，向用氫設(shè)備提供氫能。氫能系統(tǒng)的發(fā)展必然離不開(kāi)加氫站的建設(shè)，政府也提出對(duì)加氫機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的補(bǔ)貼。近些年，我國(guó)每年新建成加氫站數(shù)量快速增長(zhǎng)，如圖 6所示，截至2020年，建成加氫站118座（不含已拆除的3座），在建和擬建加氫站有167座之多[13]，數(shù)量上廣東和上海占據(jù)前兩位，加氫站建設(shè)投入較多的地區(qū)也將會(huì)成為推動(dòng)整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主力。

圖6 我國(guó)加氫站建設(shè)情況

目前國(guó)內(nèi)加氫站保有數(shù)量較國(guó)外存在些許差距，且國(guó)內(nèi)加氫站全部采用高壓氣態(tài)氫氣，受制于政策及技術(shù)問(wèn)題，沒(méi)有采用液氫加氫站。但國(guó)外，如美國(guó)，液氫加氫站技術(shù)較為成熟，后續(xù)建設(shè)加氫站上液氫加氫站數(shù)量將超過(guò)高壓氣態(tài)加氫站[14]。國(guó)內(nèi)從事加氫站建設(shè)的企業(yè)主要包括舜華新能源、國(guó)富氫能、氫楓能源、海德利森、中極氫能、雄韜股份等[1]。

3.1.2 氫燃料電池

氫燃料電池不同于傳統(tǒng)熱機(jī)，能量轉(zhuǎn)換效率不受到卡諾循環(huán)的限制，可達(dá)到40%～60%，且具有震動(dòng)小、無(wú)噪聲、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。氫燃料電池應(yīng)用范圍廣泛，小至便攜式電源、可移動(dòng)電源，大到氫燃料電池動(dòng)力船舶、氫燃料電池發(fā)電站。當(dāng)前氫燃料電池應(yīng)用最多的領(lǐng)域是小型無(wú)人機(jī)和氫燃料電池汽車，在實(shí)船應(yīng)用上還沒(méi)有達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，多個(gè)國(guó)家都在開(kāi)展氫燃料電池在大型船舶上的應(yīng)用工作。

氫燃料電池汽車是當(dāng)前國(guó)內(nèi)氫燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域，但在車用燃料電池技術(shù)上，仍是國(guó)外較為領(lǐng)先，以日本為代表，本田和豐田均有較為成熟的氫燃料電池汽車產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)電堆供應(yīng)商主要為捷氫、新源動(dòng)力、廣東國(guó)鴻、濰柴動(dòng)力等，捷氫于2020年發(fā)布的金屬板電堆，功率密度達(dá)3.8kW/L，實(shí)現(xiàn)雙極板和膜電極100%自主化與國(guó)產(chǎn)化、-30℃低溫啟動(dòng)和6000h耐久測(cè)試。大同氫雄研發(fā)的130kW大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)程序。表 4列出了國(guó)內(nèi)外一些主要的氫燃料電池電堆產(chǎn)品特性參數(shù)[1,15]，六款電堆均為車用燃料電池電堆，其中Mirai二代、PROME M3H于HYMOD-110均為2020年新發(fā)布。

表4 國(guó)內(nèi)外氫燃料電池電堆產(chǎn)品及參數(shù)

氫燃料電池船舶方面，中國(guó)船級(jí)社在2019年海事展上發(fā)布了500kW內(nèi)河燃料電池貨船的AIP原理認(rèn)可，屬于國(guó)內(nèi)首例，國(guó)際領(lǐng)先，此船儲(chǔ)供氫和動(dòng)力系統(tǒng)是由中船動(dòng)力研究院有限公司設(shè)計(jì)。該船動(dòng)力系統(tǒng)采用直流電網(wǎng)型式，由4組135kW氫燃料電池與4組315kWh鋰電池組供電，鋰電池組靠岸采用岸電快充可在2小時(shí)內(nèi)充滿，儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用35MPa高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，儲(chǔ)能可提供船舶續(xù)航140km。當(dāng)前，歐美各國(guó)也已經(jīng)將采用氫燃料電池作為動(dòng)力源的中型、大型船舶方案列為了下一步的工作目標(biāo)。

3.1.3 氫內(nèi)燃機(jī)

氫內(nèi)燃機(jī)基本原理與普通的汽油或者柴油內(nèi)燃機(jī)的原理一樣，是基本的汽缸—活塞式的內(nèi)燃機(jī)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，只是氫內(nèi)燃機(jī)里的燃料是氫氣。表5對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)的一些優(yōu)缺點(diǎn)做了描述，由于可從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)經(jīng)摻氫內(nèi)燃機(jī)過(guò)渡至純氫內(nèi)燃機(jī)，氫內(nèi)燃機(jī)在成本和產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上要比氫燃料電池更有優(yōu)勢(shì)。

表5 氫內(nèi)燃機(jī)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

氫內(nèi)燃機(jī)在車輛和發(fā)電領(lǐng)域都有所應(yīng)用。上世紀(jì)初就有將氫作為燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，從寶馬到馬自達(dá)再到福特、沃爾沃都有過(guò)氫內(nèi)燃機(jī)汽車的應(yīng)用。我國(guó)上世紀(jì)80年代開(kāi)始，一些高校和科研院所對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)潆p燃料內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行研究。2000年后，以北京理工大學(xué)和長(zhǎng)安汽車集團(tuán)為代表，在氫內(nèi)燃機(jī)車輛方面做出了一些研究成果。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)豐富的海洋資源、風(fēng)力資源以及太陽(yáng)能資源，這都會(huì)給氫能的發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)條件。雖然我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)仍然處在發(fā)展的初期，但發(fā)展前景十分廣闊。

在十四五規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，明確指出加速氫能未來(lái)產(chǎn)業(yè)孵化及產(chǎn)業(yè)布局。實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰與2060年碳中和的目標(biāo)，也必然與氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、氫能生態(tài)的建立密切相關(guān)。

在推動(dòng)氫能生態(tài)建立的同時(shí)，仍需要解決較多問(wèn)題。基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、氫能的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等需要加強(qiáng)關(guān)注，一些關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵技術(shù)如氫循環(huán)泵、氫氣液化技術(shù)、液氫儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)等，也會(huì)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的命脈，需要進(jìn)一步的突破。同時(shí)近些年氫能汽車的發(fā)展迅速，對(duì)氫能的應(yīng)用需從車輛向航空、海運(yùn)等整個(gè)交運(yùn)領(lǐng)域擴(kuò)展，氫能飛機(jī)、氫能船舶作為新能源交運(yùn)設(shè)備，在技術(shù)與市場(chǎng)兩方面對(duì)我國(guó)而言都是較大的機(jī)遇，同時(shí)也存在挑戰(zhàn)，深空深海裝備同樣如此。另外在高溫氧化物燃料電池的熱電聯(lián)供方面我國(guó)還需要做大量工作，從微型熱電聯(lián)供至大型電站化熱電聯(lián)產(chǎn)，并逐步實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的構(gòu)建。推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展可將氫能與其他清潔能源相結(jié)合，如光伏、風(fēng)能通過(guò)電解水制氫，使氫能從生產(chǎn)到應(yīng)用實(shí)現(xiàn)全周期綠色。