姚輝超,盧璐,王秀林,隋依言,張雨晴,伍思達,戴若云,侯海龍

(中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心,北京 100028)

燃料電池(Fuel Cell)是將氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,具有轉(zhuǎn)換效率高、零排放等特點,是最佳的氫能利用技術(shù)。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。不同于傳統(tǒng)熱機發(fā)電方式,效率極限不受限卡諾循環(huán)限制(能量轉(zhuǎn)換效率60%以上),燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物水,減少二氧化碳和其他污染物的排放。燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件,故沒有噪聲污染。從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看,燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)[1-2]。

正是由于氫氣能以燃料電池方式實現(xiàn)清潔、高效供能,才使氫能在交通能源、熱電聯(lián)供等領(lǐng)域相比傳統(tǒng)能源利用方式具備競爭優(yōu)勢。

根據(jù)電解質(zhì)的不同,料電池主要分為五大類:堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池,見表1。每類燃料電池發(fā)電效率都比較高,最高可達60%。根據(jù)燃料電池的特性,應(yīng)用到不同場景中,如固體氧化物燃料電池由于燃料種類適用性廣,反應(yīng)溫度高,可以廣泛用在分布式電站,質(zhì)子交換膜燃料電池由于啟動時間短、反應(yīng)溫度低、轉(zhuǎn)化效率高是燃料電池車的首選[3-5]。

表1 燃料電池分類

E4tech統(tǒng)計,2020年底氫燃料電池分布式發(fā)電裝機容量,SOFC、PAFC和PEMFC三種燃料電池均呈現(xiàn)增長趨勢(見圖1),其中全球SOFC裝機量147.5 MW,同比增長38.11%;2009—2020年期間,SOFC裝機量復(fù)合增長率56.10%;研究機構(gòu)Marketsand MarketsTM預(yù)計到2025年SOFC市場規(guī)模將達到28.81億美元,復(fù)合年均增長率30.1%。

圖1 2020年全球各類型燃料電池分布式發(fā)電裝機容量

當(dāng)前,美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)都在投入大量資金,組織科研力量,制定發(fā)展規(guī)劃,積極推動氫能及燃料電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展,意圖搶占氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國際競爭制高點。中國將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)作為重要措施,推進能源革命和經(jīng)濟低碳轉(zhuǎn)型,既有利于應(yīng)對氣候變化,在國際上樹立負責(zé)任大國的形象,也能夠滿足國內(nèi)保障能源安全、發(fā)展低碳經(jīng)濟的內(nèi)在需求,具有多方面協(xié)同效應(yīng)。需要以更大的決心和更有力的措施推動氫能技術(shù)進步,提高中國在氫能及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的競爭力,推動產(chǎn)業(yè)成為新的經(jīng)濟增長點,以促進中國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 政策回顧分析

1.1 國家層面

“十四五”開局以來,氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展得到國家層面高度重視,按照時間順序梳理了“十四五”期間國家層面涉及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要政策,如表2和圖2所示。

圖2 “十四五”期間國家層面氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)政策統(tǒng)計

表2 “十四五”期間中國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展國家相關(guān)政策

國家層面氫燃料電池政策主要呈現(xiàn)以下特點:

1)數(shù)量多。受到“雙碳”任務(wù)與“十四五”開局之年的影響,國家政策與地方政策都遠超歷年,累計30多項;

2)邏輯變化。在“雙碳”政策影響下,國家對氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)的定位實現(xiàn)了從新能源汽車、到能源安全、再到節(jié)能減排與零碳環(huán)保的拓展;

3)權(quán)威度高。發(fā)文機關(guān)包括國務(wù)院、發(fā)改委、工信部、財政部、科技部、生態(tài)環(huán)境部、交通運輸部、住建部、能源局等十多個國家主管部門,此外其中多項政策由多部門聯(lián)合發(fā)布,進一步提高政策的權(quán)威度;

4)范圍廣。這些政策內(nèi)容更為豐富,涉及氫燃料電池領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)、示范應(yīng)用、標準規(guī)范、優(yōu)惠支持等各方面(詳見圖3),勢必有力推動氫燃料電池產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

圖3 “十四五”期間國家層面氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)政策分析

1.2 地方層面

按照時間順序梳理了“十四五”期間地方層面涉及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要政策。地方層面氫燃料電池政策有以下幾個趨勢:

1)國內(nèi)省份幾乎全覆蓋?！笆奈濉遍_局到現(xiàn)在已有上海、北京、廣東、山東等28個省份陸續(xù)發(fā)布本地氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,且許多地方都制定了促進氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策,涉及技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、關(guān)鍵零部件制造和配套運營服務(wù)等。

2)政策數(shù)量達到新高度。“十四五”期間各地區(qū)對于氫燃料電池發(fā)展的主要政策,據(jù)不完全統(tǒng)計約76項。

3)涉及整個產(chǎn)業(yè)鏈。由圖4可知,許多地區(qū)不僅圍繞氫燃料電池在交通領(lǐng)域的應(yīng)用制定了相應(yīng)的布局,對加氫站建設(shè)、氫燃料電池車運行進行明確規(guī)劃,很多地方政府也布局了氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供在園區(qū)內(nèi)建筑樓宇、數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

圖4 “十四五”期間各地區(qū)對于氫燃料電池發(fā)展的主要政策

2 產(chǎn)業(yè)與科技發(fā)展熱點

2.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》,明確了氫的能源屬性,是未來國家能源體系的組成部分,充分發(fā)揮氫能清潔低碳特點,推動交通、工業(yè)等用能終端和高耗能、高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。同時,明確氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點方向,是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新增長點。

1)交通領(lǐng)域:燃料電池汽車與鋰電池純電動汽車是我國新能源交通領(lǐng)域重要組成部分,燃料電池在重型車輛應(yīng)用相對具有優(yōu)勢,隨著燃料電池技術(shù)的進步有序拓展氫燃料電池在新能源客、貨汽車市場應(yīng)用空間。

2)發(fā)電領(lǐng)域:燃料電池發(fā)電是分布式熱電聯(lián)供的重要組成部分,能夠有效提高能量利用效率。此外,可以作為風(fēng)光等新能源發(fā)電的重要調(diào)峰和儲能手段。

2.2 科技發(fā)展熱點

氫燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)和科技發(fā)展,是實現(xiàn)氫能大規(guī)模應(yīng)用的最核心的路徑。國家重點研發(fā)計劃,針對事關(guān)國計民生的重大社會公益性研究,以及事關(guān)產(chǎn)業(yè)核心競爭力、整體自主創(chuàng)新能力和國家安全的重大科學(xué)技術(shù)問題,突破國民經(jīng)濟和社會發(fā)展主要領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。2021年和2022年國家重點研發(fā)計劃重點專項密集支持氫能及燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[6-8]。

1)國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”項目安排,涉及光伏/風(fēng)電等波動性電源電解制氫材料和過程基礎(chǔ)、低成本PEM電解水關(guān)鍵材料制備技術(shù)及其制氫應(yīng)用示范、系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù);住宅用質(zhì)子交換膜燃料電池綜合供能系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù);管式固體氧化物燃料電池發(fā)電單元及電堆關(guān)鍵技術(shù);十萬噸級可再生能源電解水制氫合成氨示范工程等17個項目。

2)“新能源汽車”重點專項有2項涉及氫能與燃料電池,分別為車用固體氧化物燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究和高密度大容量氣氫車載儲供系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵部件研制。

3)“高端功能與智能材料”重點專項有3項涉及氫能與燃料電池,包括高性能低成本燃料電池膜電極的產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)等。

4)“催化科學(xué)”重點專項有12項涉及氫能與燃料電池,包括催化氫化和氫元素化反應(yīng)研究、可規(guī)?；柲芄獯呋纸馑茪溲芯康取?/p>

5)“大科學(xué)裝置前沿研究”重點專項有1項涉及氫能,為面向氫能源關(guān)鍵催化過程的多尺度原位同步輻射研究平臺。

3 結(jié)論

氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)是我國能源轉(zhuǎn)型主要路徑,“十四五”以來,備受中央政府和地方的關(guān)注,國家層面氫燃料電池政策呈現(xiàn)出數(shù)量多、產(chǎn)業(yè)鏈全、權(quán)威度高、范圍廣等特點,地方政府基本都發(fā)布氫能與燃料電池的規(guī)劃和政策。然而氫燃料電池發(fā)展仍然需要解決一些問題:

1)政策支持形成合力協(xié)同,國家層面和地方政府層面出臺的政策需要保持規(guī)劃目標和方向的一致,這樣才能相互協(xié)同、形成合力,有利于明確我國氫能及燃料電池攻關(guān)方向,有計劃有步驟地推動產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

2)產(chǎn)業(yè)鏈之間加強協(xié)同,氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈涉及環(huán)節(jié)冗長、產(chǎn)品部件繁多,一方面需要加強“產(chǎn)學(xué)研”部門之間的通力合作,避免重復(fù)投入,形成良性生態(tài)鏈;另一方面需要,產(chǎn)品和配件形成通用標準,形成產(chǎn)業(yè)化。

3)拓展應(yīng)用示范場景,探索氫能及燃料電池可以商業(yè)運營的有效模式,推動氫燃料電池車的商業(yè)化運營,積極拓展氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供、備用電源、固定電站、數(shù)據(jù)中心等氫能應(yīng)用領(lǐng)域[10-12],推動氫能的全方位發(fā)展和應(yīng)用,培育新經(jīng)濟增長點。