劉 凡，朱宏康

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前 言

隨著世界能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，新能源的開發(fā)、利用成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，氫能作為一種綠色能源而備受關(guān)注。氫能是清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，可通過多種途徑獲取[1,2]。合理利用氫能，一方面能提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)；另一方面可以控制環(huán)境污染，降低大氣污染和溫室氣體排放。

氫能的產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，但目前存在制氫技術(shù)難度高、成本高，儲(chǔ)運(yùn)困難大等問題，因此制氫及儲(chǔ)氫技術(shù)的突破，才是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的決定因素[3]。常規(guī)的制氫技術(shù)路線以傳統(tǒng)化石能源制氫為主，為了實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，制氫路線未來將快速由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫。氫氣的安全儲(chǔ)存性能和運(yùn)輸效率也是氫能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的瓶頸問題。因此，要滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，使其健康、快速發(fā)展，就要進(jìn)行制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫安全技術(shù)的系統(tǒng)性研究。燃料電池是氫能應(yīng)用的主要方式，處于產(chǎn)業(yè)鏈的核心地位。氫燃料電池以氫為燃料，通過氧化還原反應(yīng)完成氫能與電能的轉(zhuǎn)換，具有轉(zhuǎn)換效率高、無碳排放等優(yōu)點(diǎn)，是目前最佳的氫能利用技術(shù)[4-6]。用可再生能源制氫，用儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫，用氫燃料電池發(fā)電，將構(gòu)成“凈零排放”、可持續(xù)利用的氫能系統(tǒng)，成為可再生能源之外實(shí)現(xiàn)“深度脫碳”的重要路徑。

隨著世界逐步向低碳化、無碳化與清潔化方向轉(zhuǎn)型，氫能的應(yīng)用研究和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也將持續(xù)加速發(fā)展[7，8]。歐盟、美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家和地區(qū)大力支持氫能產(chǎn)業(yè)，相繼制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略。為實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰及2060年前碳中和目標(biāo)，我國(guó)將氫能作為中國(guó)能源轉(zhuǎn)型和動(dòng)力轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略方向，引導(dǎo)高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉(zhuǎn)變，發(fā)展氫能燃料電池技術(shù)，推動(dòng)氫能社會(huì)的構(gòu)建。

2 氫能創(chuàng)新研究熱點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 氫的制備生產(chǎn)新方法

氫氣的制備、生產(chǎn)是目前需要攻克的一大難題，如何低成本地工業(yè)化、綠色制氫備受科研人員關(guān)注。氫能利用不可避免地要首先考慮氫的來源向題，氫能源按原材料劃分，可以分為“灰氫”“藍(lán)氫”和“綠氫”3類。“灰氫”是利用化石燃料石油、天然氣和煤制取氫氣，制氫成本較低但碳排放量大；“藍(lán)氫”是利用化石燃料制取氫氣，并采用碳捕獲、利用和封存(CCUS)技術(shù)處理制氫過程中產(chǎn)生的CO2副產(chǎn)品，但是該方法不可持續(xù)也不環(huán)保；“綠氫”是利用可再生能源(太陽能、水電、風(fēng)能等)與電解槽結(jié)合電解水制氫，該過程完全沒有碳排放，高效低碳可持續(xù)，并且技術(shù)業(yè)已成熟。利用可再生資源產(chǎn)生的電力進(jìn)行水分解以及基于光催化反應(yīng)直接利用陽光分解水制氫，是可持續(xù)制氫的兩種有前景的方法。開發(fā)和設(shè)計(jì)高效的產(chǎn)氫電催化劑和光催化劑是當(dāng)今科學(xué)家面臨的最具挑戰(zhàn)性的科研問題之一[9-11]。

愛達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Ding等為電化學(xué)電池開發(fā)了一種新的電極材料，能夠有效地將多余的電和水轉(zhuǎn)化為氫，當(dāng)電力需求增加時(shí)，電化學(xué)電池是可逆的，可以將氫氣轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)的電力。新的氧電極材料——一種鈣鈦礦化合物的氧化物，是能夠同時(shí)促進(jìn)水分解和氧還原反應(yīng)的電子、氧離子和質(zhì)子的“三重導(dǎo)體”。三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電極，具有更多的表面積將水分解成氫和氧，他們將兩種技術(shù)結(jié)合，制備的新式氧電極材料在更低的溫度(400～600 ℃)下能夠?qū)崿F(xiàn)自我持續(xù)以及可逆反應(yīng)的操作[12]。

阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的Cadiau等開發(fā)出一種基于金屬-有機(jī)框架材料(metal organic framework,MOF)的水分解光催化劑，使研究人員在利用陽光生產(chǎn)清潔氫燃料方面邁進(jìn)了一步。該MOF結(jié)構(gòu)將鈦金屬離子和H4TBAPy(一種已知能從廣譜陽光中吸收能量的有機(jī)分子鏈)結(jié)合，提高了鈦基MOF材料的光催化性能，該工作開拓了新的研究方向[13]。

神戶大學(xué)分子光科學(xué)研究中心的Takashi小組使用赤鐵礦光催化劑催化水分解產(chǎn)生氫氣，通過“介晶技術(shù)”使赤鐵礦光催化劑中的納米粒子精確排列以控制電子及其空穴的流動(dòng)。通過將赤鐵礦介晶(由約5 nm的微小納米顆粒組成的超結(jié)構(gòu))涂覆到透明電極基板上后退火制備了具有極高電導(dǎo)率的光電陽極，從而成倍地加速了水分解反應(yīng)，大大提高了氫氣產(chǎn)量[14]。

2.2 儲(chǔ)氫新技術(shù)

儲(chǔ)氫技術(shù)作為氫氣從生產(chǎn)到利用過程中的橋梁，將氫氣以穩(wěn)定的形式儲(chǔ)存起來，以方便使用。目前，氫氣儲(chǔ)存技術(shù)主要有高壓儲(chǔ)氫、氫氣液化、有機(jī)液體儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫等。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫已得到廣泛應(yīng)用，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用，有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫尚處于應(yīng)用示范階段。儲(chǔ)氫成本居高不下，核心技術(shù)突破少，成為制約氫能發(fā)展的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)氫能的廣泛應(yīng)用，研發(fā)高效、低成本、低能耗的儲(chǔ)氫技術(shù)是關(guān)鍵。

北京航空航天大學(xué)水江瀾團(tuán)隊(duì)通過氫氟酸不完全蝕刻Mxene開發(fā)了一種高容量的室溫儲(chǔ)氫材料——塊狀Ti2CTx(T為官能團(tuán))。該材料在室溫和相對(duì)安全的6 MPa壓力下儲(chǔ)存8.8%的氫氣(質(zhì)量比)，幾乎是已報(bào)道的相同壓力下的最高儲(chǔ)氫能力的兩倍。即使在大氣環(huán)境下，塊狀Ti2CTx仍然能夠保留約4%的氫氣。值得一提的是，Ti2CTx材料中的儲(chǔ)氫是穩(wěn)定且高度可逆的，氫氣的釋放可以在低于95 ℃的溫度下通過壓力調(diào)控[15]。

西安交通大學(xué)張錦英團(tuán)隊(duì)開發(fā)了石墨烯界面納米閥固態(tài)儲(chǔ)氫材料，以高活性輕金屬氫化物為原材料，在不同組分界面建立石墨烯界面納米閥結(jié)構(gòu)，通過界面納米閥非催化動(dòng)力學(xué)調(diào)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫材料安全、可控、穩(wěn)定釋氫。同時(shí)，該界面納米閥結(jié)構(gòu)能有效隔絕水氧，杜絕氫氣自發(fā)泄露，提高材料的儲(chǔ)運(yùn)安全性，避免了使用笨重的高壓金屬罐或者添加額外的保護(hù)裝置來進(jìn)行運(yùn)輸，極大地提高了材料便攜性和系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度[16]。

以色列威茲曼科學(xué)研究院Milstein課題組成功開發(fā)了一種新型高效的液態(tài)-有機(jī)氫載體體系，該體系通過釕螯合物催化乙二醇和乙醇的脫氫酯化反應(yīng)以及可逆條件下的氫化，實(shí)現(xiàn)了氫氣的儲(chǔ)存和釋放，具有儲(chǔ)氫密度高、循環(huán)性好、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)物乙二醇和乙醇都是豐富、廉價(jià)、可持續(xù)和相對(duì)無毒的工業(yè)原料，該體系可在無溶劑和無堿條件下進(jìn)行反應(yīng)，成本低，展現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)性和良好的發(fā)展前景，對(duì)促進(jìn)液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫體系的實(shí)際應(yīng)用具有重要的價(jià)值[17]。

2.3 氫能的應(yīng)用——燃料電池

2.3.1 燃料電池的創(chuàng)新研究

氫能可作為電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的替代能源，只需燃料電池和車載壓縮氫氣罐即可為汽車提供動(dòng)力。從氫能實(shí)際應(yīng)用來看，氫燃料電池汽車是氫能高效利用的最有效途徑，當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)鏈已初具雛形，且燃料電池系統(tǒng)性能已滿足商業(yè)化需求，但氫燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用依然受經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性制約。

盡管氫燃料電池技術(shù)前景廣闊，但是氫燃料電池的膜電極技術(shù)比鋰電池難得多，核心技術(shù)有待突破。此外，在催化劑方面，采用貴金屬鉑等成本高昂，因此探索新型電極材料及催化劑就顯得尤為重要[18]。

丹麥哥本哈根大學(xué)的Sievers等研究出一種廉價(jià)鉑催化劑，使用納米線網(wǎng)絡(luò)代替納米顆粒，該網(wǎng)絡(luò)具有豐富的表面積和高的耐用性，可以用于更便宜、更加可持續(xù)的氫動(dòng)力汽車。在實(shí)驗(yàn)室中，它只需要目前氫燃料電池中所需鉑量的一小部分。與此同時(shí)，這種新型催化劑比目前氫動(dòng)力汽車上使用的催化劑要穩(wěn)定得多，這種新催化劑的特點(diǎn)是不含碳。有了這一突破，氫動(dòng)力汽車的概念變得越來越深入人心，變得更加現(xiàn)實(shí)化，這也讓氫動(dòng)力汽車更便宜、更可持續(xù)、更耐用[19]。

南京工業(yè)大學(xué)邵宗平提出了基于熱膨脹補(bǔ)償策略制備復(fù)合電極，實(shí)現(xiàn)了燃料電池陰極與其他電池組件之間的完全熱機(jī)械兼容。他們將具有較高電化學(xué)活性和較高熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦與負(fù)熱膨脹材料結(jié)合在一起，在兩者之間引發(fā)了有益的界面反應(yīng)，從而制備了具有與電解質(zhì)熱膨脹性能良好匹配的復(fù)合電極。優(yōu)化的鈣鈦礦化學(xué)組成和良好的熱機(jī)械穩(wěn)定性，使這種復(fù)合陰極具有出色電化學(xué)性能，并為未來的固體氧化物燃料電池的電極設(shè)計(jì)開辟了一條嶄新路徑[20]。

2.3.2 中國(guó)燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池一直受到各國(guó)政府和企業(yè)的關(guān)注，對(duì)其研發(fā)、應(yīng)用示范和商業(yè)化應(yīng)用的資金投入不斷增加，以期在未來的能源競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先位置。目前氫能和燃料電池已經(jīng)在一些細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化，其中最大的市場(chǎng)是汽車領(lǐng)域。中國(guó)倡導(dǎo)新能源汽車的發(fā)展，為汽車產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展契機(jī)[21]。

從目前來看，日本、韓國(guó)和中國(guó)對(duì)燃料電池汽車的整體投入最高，以日本豐田、韓國(guó)現(xiàn)代為代表的公司燃料電池乘用車和氫能大巴、物流車的產(chǎn)量均處于全球領(lǐng)先；歐洲的燃料電池研發(fā)起步很早，近年來奔馳等傳統(tǒng)車企以及博世等一級(jí)供應(yīng)商均已進(jìn)入燃料電池汽車領(lǐng)域。

在技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)鏈基礎(chǔ)較為薄弱，尚未形成較為成熟的零部件供應(yīng)體系。關(guān)鍵零部件仍主要依賴進(jìn)口，燃料電池的關(guān)鍵材料包括催化劑、質(zhì)子交換膜和碳紙等材料大都依賴進(jìn)口；膜電極、雙極板、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比存在較大差距。近年來，許多政策和規(guī)劃被密集地提出，各公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)正在開發(fā)質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)相關(guān)技術(shù)，初步形成了燃料電池相關(guān)技術(shù)的本地供應(yīng)鏈，然而，壽命仍然是燃料電池技術(shù)的關(guān)鍵問題。因此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)企業(yè)仍需要攻克關(guān)鍵材料、關(guān)鍵部件的核心技術(shù)難關(guān)。另外，燃料電池汽車領(lǐng)域的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施(氫燃料加氣站)、成本、耐久性等因素都應(yīng)該被考慮[22,23]。

3 國(guó)際氫能項(xiàng)目計(jì)劃

技術(shù)的進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)氫能源產(chǎn)業(yè)化的必備條件，有力的政策支撐將保證氫能源產(chǎn)業(yè)能夠順利發(fā)展。氫能作為推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型的一種可行技術(shù)路線，發(fā)展?jié)摿υ絹碓奖粐?guó)際認(rèn)可，世界多國(guó)積極布局氫能產(chǎn)業(yè)。

3.1 歐盟簽署“氫協(xié)議”

2019年28個(gè)歐洲國(guó)家簽署了一項(xiàng)“氫協(xié)議”，提出“氫谷”概念，呼吁加強(qiáng)可持續(xù)氫研究和創(chuàng)新?！皻涔取笔且粋€(gè)地理區(qū)域——一個(gè)城市、一個(gè)地區(qū)、一個(gè)島嶼或一個(gè)工業(yè)集群，其中幾個(gè)主要的氫應(yīng)用結(jié)合成為綜合氫生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過消耗大量的氫，來改善項(xiàng)目背后的經(jīng)濟(jì)效益。理想情況下，它涵蓋整個(gè)氫氣價(jià)值鏈：生產(chǎn)、儲(chǔ)存、分銷和最終使用，歐盟將先期進(jìn)行燃料電池和氫聯(lián)合建設(shè)項(xiàng)目[24]。

3.2 美國(guó)能源部氫能項(xiàng)目計(jì)劃

2020年11月美國(guó)能源部(DOE)發(fā)布了他們制定的氫能項(xiàng)目計(jì)劃(Hydrogen Program Plan)，為其氫氣研究、開發(fā)和示范活動(dòng)提供一個(gè)戰(zhàn)略框架。該計(jì)劃作為總體文件，確定了氫能計(jì)劃的戰(zhàn)略方向，并補(bǔ)充了DOE各辦公室從事氫能研發(fā)活動(dòng)的技術(shù)和未來的方案性計(jì)劃，旨在促進(jìn)氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用。該計(jì)劃包括先進(jìn)的氫儲(chǔ)存和基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)，如運(yùn)輸和儲(chǔ)存氫的新型材料或氫載體，以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施部件的材料。此外，還涉及到氫的集成生產(chǎn)、儲(chǔ)存和燃料系統(tǒng)，包括制氫、儲(chǔ)存、分配和使用在內(nèi)的完整系統(tǒng)的創(chuàng)新方法等。該計(jì)劃的實(shí)施將有助于實(shí)現(xiàn)美國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展愿景：將清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并成為美國(guó)能源體系中的重要組成部分，推動(dòng)美國(guó)的能源體系變革[25]。

3.3 澳大利亞聯(lián)邦政府《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》

2019年11月澳大利亞聯(lián)邦政府發(fā)布的《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，確定了15大發(fā)展目標(biāo)，在未來10年，該戰(zhàn)略將確定具體指標(biāo)，這些指標(biāo)將顯示市場(chǎng)和技術(shù)在哪些方面進(jìn)展迅速，在哪些方面進(jìn)展緩慢或落后。并確定了57項(xiàng)聯(lián)合行動(dòng)，均圍繞“國(guó)家協(xié)調(diào)、發(fā)展產(chǎn)能、滿足當(dāng)?shù)匦枨蟆钡闹黝}，這些具體行動(dòng)同時(shí)考慮到了相關(guān)的出口、運(yùn)輸、工業(yè)使用、天然氣網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)，以及諸如安全、技術(shù)和環(huán)境影響等跨領(lǐng)域問題。該戰(zhàn)略旨在將澳大利亞打造為亞洲三大氫能出口基地之一，同時(shí)在氫安全、氫經(jīng)濟(jì)以及氫認(rèn)證方面走在全球前列。該戰(zhàn)略將側(cè)重于消除市場(chǎng)壁壘，建立有效的供需關(guān)系，并提高澳大利亞氫能供應(yīng)的全球成本競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，到2030年，澳大利亞期望進(jìn)入亞洲氫能市場(chǎng)的前3名，成為有國(guó)際影響力的氫能出口國(guó)[26]。

3.4 英國(guó)的“氫能網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”

2021年1月英國(guó)制定“英國(guó)氫能網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”，提出在全球建成首個(gè)100%的氫氣供應(yīng)管道網(wǎng)絡(luò)，以更廣泛的行動(dòng)實(shí)現(xiàn)向氫能轉(zhuǎn)型；同時(shí)，到2030年建成首座氫能城鎮(zhèn)，計(jì)劃在2023年前將高達(dá)20%的氫混合到當(dāng)?shù)靥烊粴饩W(wǎng)絡(luò)中，到2025年和2030年分別實(shí)現(xiàn)1 GW、5 GW的制氫目標(biāo)?！坝?guó)氫能網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”還指出，英國(guó)政府的氫能戰(zhàn)略需要在多個(gè)領(lǐng)域做好支持工作，包括：在制氫方面，必須保證足夠的氫氣產(chǎn)能，以便從2030年開始，進(jìn)行廣泛的管道網(wǎng)絡(luò)輸氫；在儲(chǔ)氫方面，從2025年起，需要將儲(chǔ)氫能力擴(kuò)大到每年幾百GW的水平，一些現(xiàn)有的氣體儲(chǔ)存設(shè)施將轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫設(shè)施；為了更快地供應(yīng)更多氫氣，到2030年，確保碳捕獲、封存技術(shù)在多個(gè)產(chǎn)業(yè)集群中大規(guī)模發(fā)展。該計(jì)劃旨在推進(jìn)建設(shè)英國(guó)第一座氫能城鎮(zhèn)，不僅僅是為了取代目前大多數(shù)家庭所依賴的天然氣，更是為了以安全可靠的方式減少碳排放。氫能城鎮(zhèn)將為家庭、企業(yè)和社區(qū)提供有意義的選擇，對(duì)英國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)氫能的經(jīng)濟(jì)效益和規(guī)模化發(fā)展十分重要[27]。

3.5 德國(guó)政府《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》

德國(guó)高度重視“綠色氫能源”，將氫視為德國(guó)能源轉(zhuǎn)型成功的關(guān)鍵原材料。2020年6月，德國(guó)政府發(fā)布了總投資將達(dá)90億歐元的《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，推出38項(xiàng)具體措施，涵蓋氫的生產(chǎn)制造和應(yīng)用等多個(gè)方面。在生產(chǎn)領(lǐng)域，致力于對(duì)傳統(tǒng)電解氫生產(chǎn)方式的革新，政府鼓勵(lì)使用可再生能源產(chǎn)生的過量電力生產(chǎn)氫氣；在存儲(chǔ)領(lǐng)域，研究氫的各種存儲(chǔ)技術(shù)的可能性，比如地下儲(chǔ)氫、利用現(xiàn)有天然氣存儲(chǔ)設(shè)施儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫等；在運(yùn)輸領(lǐng)域，除了關(guān)注利用德國(guó)發(fā)達(dá)的天然氣管網(wǎng)傳輸氣態(tài)氫外，還鼓勵(lì)根據(jù)氫可與不飽和有機(jī)化合物反應(yīng)形成能量豐富液體的特點(diǎn)，開發(fā)有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)，使氫能像石油一樣存儲(chǔ)或運(yùn)輸；在應(yīng)用領(lǐng)域，德國(guó)專注于改善氫燃料電池的效率、壽命和性能。此外，在太陽能、環(huán)保以及氣候保護(hù)方面，德國(guó)政府也做出了相應(yīng)的努力，將《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》作為減少該國(guó)溫室氣體排放計(jì)劃的一部分,多主體行動(dòng)致力環(huán)境保護(hù)。德國(guó)希望2050年實(shí)現(xiàn)氣候中和的目標(biāo)以及交通運(yùn)輸部門的減排目標(biāo)，計(jì)劃建設(shè)眾多加氫站，形成歐洲最大的加氫站網(wǎng)絡(luò)。預(yù)計(jì)到2030年，德國(guó)所建氫氣生產(chǎn)設(shè)施的產(chǎn)能將達(dá)到5 GW[28]。

3.6 中國(guó)氫能計(jì)劃

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)氫氣產(chǎn)能約每年4100萬噸，產(chǎn)量約3342萬噸，是世界第一產(chǎn)氫國(guó)[29]。我國(guó)氫氣主要來源是“灰氫”，即化石能源制氫，主要是工業(yè)副產(chǎn)氫，“藍(lán)氫”和可再生能源制取的“綠氫”的占比需進(jìn)一步提升。現(xiàn)如今我國(guó)已將氫能產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從鼓勵(lì)創(chuàng)新與投資、獎(jiǎng)勵(lì)與優(yōu)惠等多方面頒布了多項(xiàng)支持政策，各級(jí)地方政府與企業(yè)積極開展產(chǎn)業(yè)布局和項(xiàng)目建設(shè)[30]，相關(guān)重要政策列于表1。

表1 2016～2020年國(guó)家層面氫能產(chǎn)業(yè)典型政策[30]Table 1 Typical policies for hydrogen energy industry at national level from 2016 to 2020[30]

2020年底國(guó)務(wù)院發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書[31]，提出要加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，提出了加速發(fā)展“綠氫”制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。“十四五”規(guī)劃明確我國(guó)將積極布局氫能產(chǎn)業(yè)，并部署了一批氫能重點(diǎn)專項(xiàng)任務(wù)[32]。2021年全國(guó)兩會(huì)召開期間，“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)也被首次寫入政府工作報(bào)告。兩會(huì)提出，綠色轉(zhuǎn)型可以從優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)入手，加快發(fā)展地?zé)帷淠艿刃履茉?，有序開展綠色清潔能源替代。2021年上半年，國(guó)內(nèi)各省紛紛出臺(tái)了“十四五”規(guī)劃綱要，全國(guó)大部分省、自治區(qū)、直轄市均把發(fā)展氫能相關(guān)的目標(biāo)列入“十四五”規(guī)劃綱要中[33]，如表2所列。

表2 中國(guó)主要地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[33]Table 2 Hydrogen energy industry development plan of major regions in China[33]

我國(guó)對(duì)于氫燃料電池汽車的發(fā)展也給予了多項(xiàng)具體政策支持，在2020年出臺(tái)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》等文件中，明確提出要大力發(fā)展氫燃料電池汽車，提出要攻克氫能儲(chǔ)運(yùn)、加氫站和車載儲(chǔ)氫等燃料電池汽車應(yīng)用支撐技術(shù)[34]；并提出到2030年，我國(guó)要實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車保有量200萬輛的目標(biāo)。另外，國(guó)務(wù)院《2020政府工作報(bào)告》也明確要引導(dǎo)加大氫燃料電池基礎(chǔ)科研投入。在國(guó)家政策大力支持下，我國(guó)氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)發(fā)展將不斷加速，市場(chǎng)將不斷擴(kuò)大。

目前國(guó)內(nèi)氫能源及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈仍處于起步階段，在諸多環(huán)節(jié)和產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性上還有很大差距。關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控是最重要的，所以要在關(guān)鍵裝備制造和關(guān)鍵材料的開發(fā)制備上下大力氣。隨著我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的頂層設(shè)計(jì)的推出以及各地氫燃料電池產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的推進(jìn)，相關(guān)技術(shù)有望得到突破，規(guī)?；瘧?yīng)用也將帶來成本下降，這將加快氫能的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

4 結(jié) 語

氫能作為一種高能量密度、清潔高效能源，在解決能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等方面發(fā)揮著重要作用。基于可再生能源電分解水制氫以及光催化水分解制氫有望成為大規(guī)模制氫發(fā)展趨勢(shì)。儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵，今后研究重點(diǎn)應(yīng)集中在新型高效安全的儲(chǔ)氫材料的研發(fā)。氫燃料電池技術(shù)是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，現(xiàn)階段通過改良催化劑以及研發(fā)新型電極材料降低成本、提高安全性，推進(jìn)燃料電池新能源汽車大范圍推廣。

梳理多國(guó)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的重點(diǎn)建設(shè)，可以看到未來30年全球能源市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)將發(fā)生根本變化，化石燃料的比例持續(xù)降低，清潔能源份額將不斷增長(zhǎng)，氫能產(chǎn)業(yè)會(huì)有很大的空間。可以預(yù)測(cè)，未來幾乎所有的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都將考慮使用綠色氫能，這將有利于增加氫能的未來需求，還有利于通過潛在的協(xié)同作用來降低綠色氫能價(jià)值鏈中的成本。

總的來看，氫能的研究并不局限于技術(shù)層面，更將涉及到能源安全、能源技術(shù)、氫能產(chǎn)業(yè)、社會(huì)消費(fèi)等更加廣闊的層面，這將對(duì)未來社會(huì)具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值和重要的戰(zhàn)略意義。氫能系統(tǒng)的構(gòu)建和發(fā)展，必將成為涉及到運(yùn)輸、建筑、工業(yè)、制造、電力以及全社會(huì)普遍能源利用的一次巨大的產(chǎn)業(yè)革命。