李建林，李光輝，馬速良，宋潔

（1.儲能技術(shù)工程研究中心（北方工業(yè)大學），北京市石景山區(qū) 100144；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京市昌平區(qū) 102211）

0 引言

我國能源高度對外依存及“碳達峰、碳中和”目標的提出，一方面為豐富我國能源結(jié)構(gòu)組成，減少能源對外依存度，保障我國能源安全，另一方面，為實現(xiàn)“2030年碳達峰，2060年碳中和”目標，能源行業(yè)紛紛向低碳、綠色、清潔方向轉(zhuǎn)型，風力、光伏等可再生能源得到快速發(fā)展[1-3]。氫能作為一種高能量密度和無污染綠色能源，具有極佳的儲能能力，適合大規(guī)模儲能，對于不穩(wěn)定的、富裕的可再生能源轉(zhuǎn)化的電能，是較佳的儲運介質(zhì)[1,4]。但由于氫氣的高能量密度和特殊化學性質(zhì)，其安全儲運和利用給研發(fā)人員帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，世界各國開始探索安全高效的氫能儲運和電力應用技術(shù)，如日本大力研發(fā)有機液態(tài)儲氫技術(shù)及高效氫燃料電池發(fā)電技術(shù)，提高氫能儲運及發(fā)電的安全性和效率。我國也積極探索氫能發(fā)展戰(zhàn)略，加強對氫能儲運及電力應用的政策支持，保障氫能產(chǎn)業(yè)的安全高效發(fā)展。

在2020年國務院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》中提到，力爭經(jīng)過15年的持續(xù)努力，氫燃料供給體系建設穩(wěn)步推進，要求攻克氫能儲運、加氫站、車載儲氫等氫燃料電池汽車應用支撐技術(shù)，支持有條件的地區(qū)開展氫燃料電池汽車商業(yè)化示范運行，有效促進節(jié)能減排水平和社會運行效率的提升[5]。可見氫能儲運技術(shù)及氫燃料電池技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中亟待技術(shù)攻關(guān)的領域，也是我國“十四五”電力規(guī)劃中的電力關(guān)鍵技術(shù)。2020年9月8日，國家發(fā)改委等四部委印發(fā)《關(guān)于擴大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資，培育壯大新增長點增長極的指導意見》，意見指出加快新能源發(fā)展，加快制氫加氫設施建設[6]。隨著氫能相關(guān)政策的頒布和完善，國家還鼓勵支持了一大批氫能儲運及應用項目規(guī)劃和啟動。隨著我國政策的引導以及大批氫能項目落地，氫能技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)體系逐步完善，我國氫能產(chǎn)業(yè)已進入產(chǎn)業(yè)化的快車道。在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈應用中，氫能的高密度儲運是氫能發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，同時也是我國氫能布局的瓶頸。以國內(nèi)某地為例，若該地全部氫能車輛正常運營，氫氣日需求量為15 t左右，目前采用的高壓長管拖車輸氫量僅為200～300 kg，且氫能輸運成本較高，導致氫能的應用環(huán)節(jié)難以大規(guī)模發(fā)展[7]。另一方面，相較于傳統(tǒng)電池技術(shù)如鋰離子電池等，氫燃料電池電效率低，成本高等問題也是制約氫能大規(guī)模應用的因素。因此，我國氫能產(chǎn)業(yè)儲運及應用關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，基礎設施仍有待加強。因此，本文對氫能儲運和應用兩個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)進行分析，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點，并對我國氫能未來技術(shù)的發(fā)展方向做出展望。

1 氫能儲運關(guān)鍵技術(shù)

氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包含制氫、氫儲運和氫能利用3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其全產(chǎn)業(yè)鏈如圖1所示。在氫能源發(fā)展方面，我國面臨的最主要挑戰(zhàn)即在于氫能的儲運。找到安全、經(jīng)濟、高效、可行的儲運模式，是氫能全生命周期應用的關(guān)鍵。氫能儲運包括氫氣的儲存以及氫能源的運輸。

圖1 制氫、儲運與利用全產(chǎn)業(yè)鏈示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of whole industry chain for hydrogen production,storage and transportation and utilization

1.1 氫能儲存

儲氫技術(shù)要求是安全、大容量、低成本以及取用方便。目前，儲氫方法主要分為低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、固體材料儲氫及有機液體儲氫4種。4種主要儲氫方式對比如表1所示。

表1 4種主要儲氫方式的優(yōu)缺點以及目前的主要應用Table1 Advantagesand disadvantagesof the four main hydrogen storage methodsand present main application

通過對比4種儲氫技術(shù)來看，高壓儲氫目前最為成熟，應用也最廣，但是儲氫密度和安全性方面存在瓶頸；固體材料儲氫則有著巨大潛力，但是目前處于研究階段；低溫液態(tài)儲氫技術(shù)具有單位質(zhì)量和單位體積儲氫密度大的絕對優(yōu)勢，但目前儲存成本過高，主要體現(xiàn)在液化過程耗能大，以及對儲氫容器的絕熱性能要求極高兩個方面；有機液態(tài)儲氫由于成本和技術(shù)問題還未能大規(guī)模商業(yè)化應用。

1.1.1 高壓氣態(tài)儲氫

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)比較成熟，是目前我國最常用的儲氫技術(shù)[8]。高壓氣態(tài)儲氫即通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器中，高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲存，氫氣的儲量與儲罐內(nèi)的壓力成正比。通常采用氣罐作為容器，簡便易行，其優(yōu)點是存儲能耗低、成本低(壓力不太高時),且可通過減壓閥調(diào)控氫氣的釋放，因此，高壓氣態(tài)儲氫已成為較為成熟的儲氫方案[7-10]。

目前國內(nèi)主要采用35 MPa碳纖維復合鋼瓶儲運，日本等國家主要使用70 MPa儲氫罐。35 MPa氫氣密度約為23 kg/m3，70 MPa儲氫罐中氫氣密度約為38 kg/m3，日本豐田于2017年發(fā)表的一項新型專利提出了全復合輕質(zhì)纖維纏繞儲罐設計方法，儲氫壓力即可以達到70 MPa，氫氣質(zhì)量密度約為5.7%。但是儲氫罐加壓過程成本較大，且隨著壓力的增大，儲氫的安全性也會大大降低，存有泄漏、爆炸的安全隱患，因此安全性能有待提升[11]。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，會探索新型儲氫罐材料以匹配更高壓力下的儲氫需求，提高儲氫安全性和經(jīng)濟性。

1.1.2 低溫/有機液態(tài)儲氫

1）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)點是氫的體積能量很高，由于液氫密度為70.78 kg/m3，是標況下氫氣密度的近850倍，即使將氫氣壓縮，氣態(tài)氫單位體積的儲存量也不及液態(tài)儲存[8,12]。但液氫的沸點極低(?252.78℃)，與環(huán)境溫差極大,對儲氫容器的絕熱要求很高[13]。目前最大的液化儲氫罐是位于美國肯尼迪航天中心的儲氫罐，儲氫容積達12000 L。

2）有機液態(tài)儲氫是通過加氫反應將氫氣與甲烷(TOL)等芳香族有機化合物固定，形成分子內(nèi)結(jié)合有氫的甲基環(huán)己烷（MCH）等飽和環(huán)狀化合物，從而可在常溫和常壓下，以液態(tài)形式進行儲存和運輸，并在使用地點在催化劑作用下通過脫氫反應提取出所需量的氫氣,整體流程如圖2所示[14-16]。液態(tài)有機物儲氫使得氫可在常溫常壓下以液態(tài)輸運，儲運過程安全、高效，但還存在脫氫技術(shù)復雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。若能解決上述問題，液態(tài)有機物儲氫將成為氫能儲運領域最有希望取得大規(guī)模應用的技術(shù)之一。

圖2 氫氣有機液態(tài)儲運過程示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of hydrogen’sorganic liquid state storage and transportation process

對于大規(guī)模、遠距離的氫能儲運，低溫液態(tài)儲氫才有較大優(yōu)勢，當運輸500 km時，液氫配送成本每kg僅增加約0.3USD，而高壓氣態(tài)運輸成本將上升5倍以上[16]。目前低溫液氫主要作為低溫推進劑用于航天中，也有學者開始研究將液氫作為車載燃料動力，但到目前為止還沒有實質(zhì)性的進展[12,17-18]。液態(tài)儲氫技術(shù)目前只有日本川崎重工的液化儲氫和千代田公司的有機化學氫化物儲氫技術(shù)得到了示范應用。在有機液態(tài)儲氫領域，美國化學家研制出一種B-N基液態(tài)儲氫材料，可在室溫下安全工作，該項技術(shù)的突破為氫能儲運難題提供了解決方案。今后一段時間我國應加大對低溫、有機液態(tài)儲氫技術(shù)的攻關(guān)，開發(fā)低成本低功耗的脫氫催化劑和低熔點儲氫介質(zhì)等，這對國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義，亦是未來氫能儲運大規(guī)模發(fā)展的重要方向。

1.1.3 固體材料儲氫

根據(jù)固態(tài)材料儲氫機制的差異，主要可將儲氫材料分為物理吸附型儲氫材料和金屬氫化物基儲氫合金兩類，其中，金屬氫化物儲氫是目前最有希望且發(fā)展較快的固態(tài)儲氫方式[19-21]。固體儲氫材料分類如圖3所示。

圖3 不同儲氫方式所用固體材料Fig.3 Solid materialsfor different hydrogen storage ways

金屬氫化物儲氫即利用金屬氫化物儲氫材料來儲存和釋放氫氣。在一定溫度下加壓，過渡金屬或合金與氫反應，以金屬氫化物形式吸附氫，然后加熱氫化物釋放氫[19]。如LaNi5H6、MgH2和NaAlH4[10,22-23]，其反應方程式如下：

式中： M是 金屬或金屬化合物； ΔQ為反應熱。生成金屬氫化物的過程是一個放熱過程，釋放氫則需要對氫化物加熱[13]。

金屬氫化物儲氫罐供氫方式具有以下特點:儲氫體積密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全性好、可逆循環(huán)好等,但是質(zhì)量效率低，如果質(zhì)量效率能夠有效提高的話，這種儲氫方式非常適合在燃料電池汽車上使用[19,24-25]。對比綜合儲氫技術(shù)，將不同儲氫技術(shù)的各方面特點進行總結(jié)如圖4所示。

圖4 4種儲氫技術(shù)各指標對比雷達圖Fig.4 Radar chart for index contrast of four hydrogen storage technologies

由圖4可知，我國低溫液態(tài)儲氫技術(shù)應用較少，且該技術(shù)成本高，長期來看，在國內(nèi)商業(yè)化應用前景不如另3種儲氫技術(shù)；高壓氣態(tài)儲氫是我國最成熟的儲氫技術(shù)，低溫液態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫綜合性能好，但亟待相關(guān)技術(shù)攻關(guān)以降低其成本。目前加氫站采用高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)。長期來看，還是國內(nèi)發(fā)展的主流。但由于該技術(shù)存有安全隱患和體積容量比低的問題，在氫燃料汽車上應用并不完美，因此該技術(shù)應用未來可能有下降的趨勢。固態(tài)儲氫材料儲氫性能卓越，是4種方式中最為理想的儲氫方式，也是儲氫科研領域的前沿方向之一。但是現(xiàn)在尚處于技術(shù)攻關(guān)階段，因此我國可以以此技術(shù)為突破口，打破氫能儲存技術(shù)壁壘，加速氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.2 氫能運輸

氫氣的運輸通常根據(jù)儲氫狀態(tài)的不同和運輸量的不同而不同，圖5展示了氫氣的各種運輸方式。

圖5 氫能運輸結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural chart of hydrogen energy transportation

氫的輸運方式主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送3種方式。

1)氣氫輸送：氣態(tài)輸運分為長管拖車和管道輸運2種，長管拖車運輸壓力一般為 20～50 MPa，我國長管拖車運輸設備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在長距離大容量輸送時，成本較高，整體落后于國際先進水平；而管道運輸是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離輸送的重要方式。管道運輸時，管道運輸壓力一般為1 .0～4.0 MPa，輸氫量大、能耗低，但是建造管道一次性投資較大。在管道輸運發(fā)展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式。黃明，王瑋等人對天然氣摻氫運輸可行性做了研究[26-28]。中國工程院院士也對天然氣管網(wǎng)輸送氫氣非?？春肹28]。

2)液氫輸送：液態(tài)輸運適合遠距離、大容量輸送，可以采用液氫罐車或者專用液氫駁船運輸。采用液氫輸運可以提高加氫站單站供應能力,日本美國已經(jīng)將液氫罐車作為加氫站運氫的重要方式之一[7,26]。日本千代田公司于2009年成功研發(fā)出LOHC(液態(tài)有機氫載體)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，全球首條氫供應鏈示范項目采用了千代田公司的SPERA技術(shù)探索液態(tài)有機氫載體的商業(yè)化示范，在2020年實現(xiàn)了210 t/年的氫氣輸運能力[14-15,26,29]。

3)固氫輸送：通過金屬氫化物存儲的氫能可以采取更加豐富的運輸手段，駁船、大型槽車等運輸工具均可以用以運輸固態(tài)氫。圖6展示了4種氫氣運輸成本對比。

圖6 4種氫氣運輸方式的成本對比Fig.6 Cost comparison of four hydrogen transportation ways

由圖6可以看出，300 km以上的運輸距離，運輸成本排序為LOHC

氫能應用涉及制氫、儲運氫、氫發(fā)電等中間環(huán)節(jié)，完整產(chǎn)業(yè)鏈過程轉(zhuǎn)換效率不高，儲氫使用的設備成本高，且氫能在運輸過程安全風險很大。對于氫能制、儲、運過程中的安全性問題，有學者提出“液態(tài)陽光”的思路，即用CO2和氫氣反應生成甲醇，將有效解決氫存儲問題。甲醇是非常好的液體儲氫、運氫載體，甲醇儲氫的安全性和便捷性都是極佳的，這也將成為解決可再生資源間歇性問題的新方案，也將為邊遠地區(qū)難以上網(wǎng)的可再生能源棄風、棄光、棄水提供消納渠道，還將成為除特高壓輸電之外，另一種規(guī)?；斔湍茉吹耐緩絒30-32]?！耙簯B(tài)陽光”的思路也拓展了碳捕獲封存技術(shù)，可以把CO2捕獲再循環(huán)利用，形成完整的生態(tài)碳循環(huán)，有助于我國碳中和進程的推進。因此為了助力綠色能源發(fā)展，解決棄風棄光棄水問題，2020年10月份，全球首個千噸級“液態(tài)陽光加氫站”示范工程項目示范成功。液態(tài)加氫站的建成為我國氫能儲運技術(shù)的進一步發(fā)展開拓了一條新的道路。

2 氫能與電力

氫氣在傳統(tǒng)石化行業(yè)已有大量應用，近年來氫能應用火熱的領域主要是車用氫燃料電池、燃料電池分布式電站及固定電站[7]。2010—2018年全球氫燃料電池汽車數(shù)量變化曲線如圖7所示。

圖7 全球氫燃料電池汽車數(shù)量變化曲線[2010—2018年]Fig.7 Global amount variation of hydrogen fuel cell vehicles from 2010 to 2018

2.1 氫燃料電池發(fā)電

氫能發(fā)電可以用來解決電網(wǎng)削峰填谷、新能源穩(wěn)定并網(wǎng)問題，還可以提高可再生能源所發(fā)電力并網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)安全性、靈活性，大幅 降低碳 排 放[22,26,33-35]。目 前主要 采 用氫燃 料 電池發(fā)電技術(shù)與新能源耦合發(fā)電技術(shù)，使用燃料電池發(fā)電技術(shù)，可以減少對煤炭的使用，減少CO2的排放，且發(fā)電效率很高[36]。

根據(jù)電解質(zhì)種類不同，燃料電池分為質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)、固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell，MCFC）、堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC）、磷酸型燃料電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）等。目前重點關(guān)注的是PEMFC技術(shù)和SOFC技術(shù)[22,26]。PEMFC工作溫度低、啟動快，適用于交通領域[37-39]；SOFC能量轉(zhuǎn)化率高、全固態(tài)，是一種清潔高效的發(fā)電裝置，一般用于大型集中供電、分布式發(fā)電等作為固定電站[40]。國內(nèi)學者于2020年提出了一種利用SOFC燃料電池的新型發(fā)電系統(tǒng)，通過高效制氫和廢熱梯級利用，系統(tǒng)發(fā)電效率可達61.2%[41]。

燃料電池發(fā)電本質(zhì)是氧化還原反應，以PEMFC為例，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，由陰/陽極流道、氣體擴散層、質(zhì)子交換膜、催化劑、電極組成，其工作原理為：

圖8 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structural chart of proton exchange membrane fuel cell

1)氫氣進入陽極流道，催化劑作用下陽極的氫氣分解為氫質(zhì)子與電子：

2)電子經(jīng)由外電路形成電流，通過電極供給負載；

3)氫質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜進入電解液中再到達陰極，與透過陰極擴散層的氧氣發(fā)生反應生成水，并伴隨熱量產(chǎn)生

4)陰極大部分反應物與空氣一同排出，少部分透過交換膜擴散至陽極。因此，水是燃料電池唯一的排放物。

表2對比了各種類型燃料電池技術(shù)，可以看出不同燃料電池的特性有差異，適用范圍也不盡相同，因此對于不同電池類型及其相關(guān)特性，有著不同的應用場景。其中，PEMFC功率范圍最大，可用于解決電網(wǎng)波動性，作為靈活電源支撐電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻，但是電效率較低制約了PEMFC的發(fā)展。由圖8, PEMFC工作過程中會有熱量散出，將反應熱利用起來則PEMFC熱電聯(lián)供(combination with heat and power,CHP)綜合能效可在75%～80%之間；SOFC自身發(fā)電效率高，在用戶側(cè)，通過CHP可提高綜合能效至80%，在固定式發(fā)電及CHP場景下具有巨大的應用前景。

表2 各燃料電池技術(shù)的對比Table 2 Comparison of fuel cell technologies

美國和日本多家公司正在開發(fā)10 kW平面輪機SOFC發(fā)電裝置，德國西門子–西屋電器公司正在測試100 kW SOFC管狀工作堆，國內(nèi)也已有學者自主研制出了5 kW級SOFC系統(tǒng)，并實現(xiàn)了4.82 kW的功率輸出。我國關(guān)于100 kW級大功率SOFC系統(tǒng)的研究尚有空缺，亟待專家學者在已有低功率SOFC的基礎上加大力度繼續(xù)推進。國外學者A.Herrmann等人提出一種家用氫燃料電池CHP系統(tǒng)并對該系統(tǒng)進行了性能評估，整體結(jié)構(gòu)圖如圖9所示[42]。

圖9 一種家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)Fig.9 A household cogeneration system

該系統(tǒng)設計一套氫燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，通過此設計，房屋無需外接天然氣管網(wǎng)即可實現(xiàn)CHP，CHP的電效率接近50%，總效率高于95%。氫燃料電池的CHP具有很好的發(fā)展前景，應基于我國基本國情，借鑒國外先進氫燃料電池CHP方案，用于解決我國孤島微網(wǎng)電力供應問題，助力氫能在我國的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推動“十四五”電力規(guī)劃的實施。

2.2 氫燃氣輪機發(fā)電

以清潔能源氫燃料替代天然氣用于燃氣輪機發(fā)電也是氫能在電力領域的研究重點。燃氣輪機具有很好的負荷調(diào)節(jié)能力，15 min左右即可將負荷從零拉滿，亦可以氫儲能作為中間環(huán)節(jié)，將氫燃氣輪機與新能源混合發(fā)電，即可解決棄風棄光問題，也能改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此燃氫燃氣輪機發(fā)電是燃氣輪機發(fā)電的未來發(fā)展趨勢[43-45]。

燃氣輪機系統(tǒng)結(jié)圖見圖10，其工作過程為：

圖10 燃氣輪機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure drawing of gas turbine system

1)壓氣機連續(xù)地從大氣中吸入空氣并壓縮；

2)壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣；

3)高溫燃氣流入燃氣渦輪中膨脹做工，推動渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)輸出電力接入負載。

文獻[45]提出了一種風–氫–燃氣輪機耦合發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖11所示，該系統(tǒng)的思想即是把風電場發(fā)出的質(zhì)量較差的電接入電解槽電解制氫，通過氫儲能技術(shù)儲存電力，在電網(wǎng)需要時再由氫燃氣輪機發(fā)電并網(wǎng)，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的削峰填谷以及對新能源的消納，可以作為一種新型儲能發(fā)電形式與風力、光伏等可再生能源配合發(fā)電。

圖11 風–氫–燃氣輪機耦合發(fā)電系統(tǒng)Fig.11 Wind-hydrogen-gas turbine coupled power generation system

氫燃氣輪機的安全性除了燃氣輪機本身的回火等技術(shù)問題外，更主要的還是在氫氣的制、儲、運3個方面，本文第一部分所述氫能儲運環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)是氫燃氣輪機安全高效應用的核心；氫燃氣輪機的經(jīng)濟成本主要是氫氣的制取和儲運成本，未來最理想的模式是以氫儲能為中心，結(jié)合新能源和燃氣輪機發(fā)電[43-44]。當前電解水制氫成本在18～23元/kg氫氣，再加上氫氣儲運成本，氫能發(fā)電經(jīng)濟性較低，且采取可再生能源制氫后燃燒發(fā)電效率極低，當前氫燃氣輪機發(fā)電難以商業(yè)化應用。因此，突破新能源電解制氫成本及氫能儲運成本，是氫燃氣輪機發(fā)電大規(guī)模應用的關(guān)鍵。

氫能的兩類主要發(fā)電方式各有優(yōu)劣，氫燃氣輪機發(fā)電設備可以使用現(xiàn)有設備改造，設備成本較低，技術(shù)基礎好，但不可避免NOx排放。日本三菱公司2018年研發(fā)的新型預混燃燒器可以實現(xiàn)含氫30%的混合燃料穩(wěn)定燃燒，NOx排放低，德國西門子公司開發(fā)的氫氣燃氣輪機經(jīng)過測試表明，30%的氫濃度時NOx排放可以低至20 ppm。氫燃料電池發(fā)電設備相對簡單，功率范圍寬，可以很好地應對可再生能源的波動性，但整體電效率不高，需考慮其熱電綜合效率。國內(nèi)有學者提出采用SOFC和微型燃氣輪機聯(lián)合發(fā)電技術(shù)，采用CH4作為燃料，可實現(xiàn)能源的梯級利用，大大提高能源利用率[46]。因此，我國應加大對多設備聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的研發(fā)，以氫儲能系統(tǒng)為樞紐，采用氫燃氣輪機及氫燃料電池聯(lián)合發(fā)電技術(shù)，促進我國新能源的發(fā)展，促進能源低碳化轉(zhuǎn)型。

3 總結(jié)與建議

氫能是一種理想的新型能源，具有清潔低碳、便于存儲等優(yōu)點。氫能的最佳利用方式是通過燃料電池技術(shù)進行氫電轉(zhuǎn)化，近年來燃料電池技術(shù)的不斷成熟也使得氫燃料電池成本快速下降，美、德、日等部分國家相繼出臺氫能戰(zhàn)略布局，我國也加速布局氫能戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔化、低碳化的氫能供應體系，這對我國能源安全及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。

氫能的開發(fā)應用前途一片光明，但是仍有一些難題需要專家學者去解決。氫能的儲運環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)是制約氫能經(jīng)濟性的瓶頸技術(shù)。氫氣擴散能力強，易燃易爆，氫氣與金屬結(jié)合容易導致氫脆，不好儲存，因此妥善解決氫能的儲運問題是氫能安全高效使用的必要前提，也是氫能全產(chǎn)業(yè)鏈降低成本的關(guān)鍵一環(huán)；此外，氫能燃料電池技術(shù)也是氫能大規(guī)模發(fā)展使用的核心技術(shù)，要真正地實現(xiàn)氫能高效應用，需要進一步提高燃料電池系統(tǒng)的功率、壽命等特性。

針對氫能儲運及電力應用所述問題，提出以下4條建議：

1)今后應著力建設并完善氫能體系，從氫能全生命周期角度開發(fā)其附加價值，促進我國“碳達峰，碳中和”目標的實現(xiàn)。

2)加強氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的銜接，突破儲運環(huán)節(jié)技術(shù)瓶頸，通過對儲氫罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，探索新型儲罐材料等方式，提高氫能利用的安全性和經(jīng)濟性，專家學者應進一步加強氫能利用各環(huán)節(jié)的安全性研究，使氫能可以更好地用于更廣泛的工程實踐。

3)鼓勵氫燃料電池及氫燃氣輪機技術(shù)攻關(guān)，加大燃料電池電堆的研發(fā)，降低氫能應用成本，探索多能耦合互補發(fā)電新方式，利用好氫燃料電池與氫燃氣輪機互補優(yōu)勢，加大氫能源與電網(wǎng)的互動性。

4)以“十四五”電力規(guī)劃為引導，明確氫儲能發(fā)展定位，提高電到氫、氫到電的轉(zhuǎn)化效率，提高儲氫密度，形成完善的氫儲能系統(tǒng)發(fā)展體系。