氢能与燃料电池技术路线图

着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增加，对环境造成的污染越来越严重，迫切需要寻找一种作为替代品的清洁燃料。氢的来源丰富，不仅可以由其他能源来生产氢能，而且氢能可以高效地转化为其他形式的能量。作为一种能源载体，氢在交通、工业和建筑等各个领域中都有重要的应用，并且使用氢能可以提高能源系统的灵活性。为此，需要对氢能和燃料电池的关键技术、未来发展方向和重点进行研究。

一、氢能源的重点应用领域

氢能源在国际上广泛应用在交通、工业、建筑等领域，极大丰富了能源构成，降低了传统化石燃料对环境的影响。

（一）交通领域

在交通领域中，用氢燃料电池取代化石燃料给汽车提供动力，能够有效地解决空气污染、噪音污染和CO2排放带来的全球气候变暖等环境问题。

氢燃料优化汽车效率。氢燃料电池电动汽车从本质上讲是一个电动汽车。氢气储存在车上的高压罐内，通过燃料电池将氢能转化成电能给汽车提供动力。能量储存在电池里面，使用电池里的电能可以优化操作效率。由图1可以发现，与内燃机汽车和插电式混合动力汽车相比,氢燃料电池能明显的降低碳排放量，同时其最大行驶里程可以达到纯电动汽车的3倍。

氢燃料电池汽车价格居高不下。2015年，丰田公司宣布最新的氢燃料电池汽车在试运行期价格是6万美元，但是该价格可能主要反映的是客户的支付意愿，而不是生产汽车的成本，因为氢燃料电池汽车目前主要是针对高收入群体和汽车技术爱好者，并且要求在居住地附近有相应的加氢站。到现在为止，只有美国、德国、日本和韩国的部分城市拥有了配套的加氢站。通过表1的汽车动力方案成本之间的对比可以发现，与其他几种汽车供能方式相比，燃料电池汽车的价格虽然目前价格很高，但未来有很大的下降空间，到2050年可以下降到现在价格的55%左右。

降低成本是发展氢燃料汽车的关键。从表2可以看出燃料电池系统的高成本增加了整个汽车的成本，未来的主攻方向是如何在减小成本的同时延长使用寿命。降低燃料电池系统的成本从理论上讲是可行的，并且很大程度上决定了整个汽车的成本。但是高压罐的成本却很难下降，因为高压罐的成本很大程度上取决于昂贵的复合材料，所以目前的研发重点集中在降低高压罐的复合材料成本。电池和电力控制系统的成本随着技术的进步都会有一定的下降，因为材料的限制不会下降得太多，但是高技术的融入会延长电池使用寿命，从而提高整个汽车的使用性能。

（二）工业领域

在工业领域中，氢气一直是最重要的原材料之一，并且通过氢的使用可以使精炼等行业达到基本无碳排放。到目前为止，氢的制造和使用都局限在工业领域中，主要用途是作为化工行业的原材料。在过去，石油化工企业主要通过石油裂解来制造氢气，但是现在，随着对氢气需求的增加，企业开始更多地使用天然气蒸汽转化法生产氢气。大部分的氢气在精炼行业作用是加氢处理、加氢裂化和精炼过程中脱硫等，不断地追求高品质，导致了对氢气需求的不断增长。除了常规的燃料精炼，由木质纤维素生产的生物燃料也需要相当数量的氢气用作加氢脱氧。氢气还可以在钢铁生产中可用作还原剂，取代部分焦炭的使用，同时，氢气也是钢铁工业中产生的副产物的一部分，但是在大多数情况下，这些废气直接被用来燃烧，如果能把其中的氢气收集起来就可以减少利用化石燃料生产氢气的压力，从而提高整体能源使用效率，减少碳排放。

（三）建筑领域

在建筑领域中，运用氢能微型热电联产机组技术可以极大地提高能源利用效率，建设节能环保型建筑。微型热电联产装置可以利用发电过程中产生的废热来供暖，这可以显著提高建筑物整体能源效率。当前大部分地区都采取分布式发电和供热系统，在没有集中供热网的区域，应用这种微型热电联产装置，就有很大的优势。目前已经可以在市场上买到很多利用天然气发电的内燃机热电联产系统。用燃料电池热电联产系统取代传统的内燃机系统可以提高燃料的使用效率，在如今的技术水平下，燃料电池微联产系统的发电效率是42%，比内燃机微联产系统高出10%，但是不足之处是燃料电池微联产系统的成本太高。

二、氢能和燃料电池关键技术

氢能和燃料电池的关键技术主要是氢能的生产工艺、燃料电池技术、氢燃料的运输与配送，以及可再生能源集成等。

（一）氢气生产工艺

氢气的生产工艺主要有蒸汽甲烷重整和电解制氢两种，如表3所示，两种生产方式各有优缺点，可以根据加氢站的布置情况来选择。

蒸汽甲烷重整。目前，大约48%的氢气是由天然气通过蒸汽甲烷重整工艺生产，即在高温、催化剂的作用下，甲烷和水蒸气发生的反应生成氢气的过程。如果废气中的二氧化碳浓度较高时，蒸汽甲烷重整工艺就需要采用CO2捕捉与封存技术，来控制碳排放量。用这种方法大规模生产氢气的成本主要由天然气价格决定，例如目前美国天然气的价格是每千克0.9美元，欧洲的天然气每千克2.2美元，日本的天然气每千克3.2美元。重整工艺并不局限于使用天然气，所有富含氢元素的气体都可以用重整工艺生产纯净的氢气，同时氢气也可以从其他化石资源中生产出来，如煤、生物质或有机废料等。

电解制氢。电解法是通过施加一个直流电把水分离成氢气和氧气，把电能转化成化学能。对于仅使用电能作为输入能量的电解槽（无外热），随着电池电压的升高，制氢效率会降低，而产氢速率却会提高。因此对于给定几何形状的电解槽，工程师需要平衡电解槽效率和产氢量之间的关系。不同类型的电解槽可以按电解质和电荷载体的不同，分成碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。碱性电解槽是目前最成熟的技术，并且投资成本比其他的电解槽要低很多，但是质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽更有希望降低成本和提高效率。选择电解槽工艺需要找到一个减少投资成本和实现效率提高的平衡点。由图2可以看出质子交换膜电解槽在成规模生产时有望进一步降低成本。

（二）氢燃料电池技术

氢燃料电池不仅高效能，而且环保，尤其是质子交换膜燃料电池，未来市场发展前景广阔。

氢燃料电池的高性能。氢燃料电池是通过含有大量氢气的燃料与氧化剂发生化学反应直接产生电能，而不是利用燃烧来供能。相比于其他把化学能转化成电能的过程，它的发电效率更高，通常能达到32%-70%。一般而言，燃料电池里的燃料除了氢气，还有天然气、甲醇和柴油等其他液体燃料。如果使用的是纯氢气，燃料电池的排气是水蒸气，那么它对环境的影响可以忽略不计。虽然使用了烃类的燃料，就会有二氧化碳的排放，但是即便这样，使用燃料电池仍具有减轻碳排放的环境价值。

燃料电池类型。燃料电池可以根据它们膜的类型和操作温度分成不同的类型。燃料电池可分为：(1)质子交换膜燃料电池(PEMFC)；(2)碱性燃料电池；(3)磷酸型燃料电池(PAFC);(4)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC);(5)固体氧化物燃料电池(SOFC)。

质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池是燃料电池电动汽车最适合的选择。类似于电解槽，燃料电池也有一个电效率和功率输出的平衡。电效率在低负载时很高，且随着功率输出的增加而降低。质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的操作温度比较低，在80℃左右，另外的燃料电池操作温度就比较高，可以达到600℃(固体氧化物燃料电池)，这使得它们可以适用于热电联产系统中。

（三）氢燃料运输与配送

氢燃料的广泛应用，依赖完善的氢燃料运输配送基础设施，来保障氢能的高效使用。

加氢站。加氢站是燃料电池电动汽车燃料供应链中一个至关重要的因素，提供尽可能多的加氢站是实现消费者利益的先决条件。加氢站的设置在很大程度上是由每日氢燃料的需求量、车载氢燃料的储存方式，以及氢燃料的制造和运输方式等决定的。确定一个加氢站大小是关键的一步，一个小的加氢站初始阶段可能每天只需要50kg到100kg，但是在成熟以后的市场里，加氢站每天可能会需要2000kg氢燃料。加氢站的氢燃料可以由下面的两种途径来提供：（1）从一个集中生产氢的工厂运输到加氢站；（2）在加氢站里用较小规模的电解槽和天然气蒸汽重整生产氢气。每种方法都各有优点和不足：大规模、集中式制氢在大规模经济下尽量减少了制氢成本，但却需要运输氢燃料，这增加了使用氢的成本；在分散制氢、小规模制氢的情况下，减少了运输和配送成本，但是却增加了制氢的成本。因此，寻找最佳的网络配置需要详细分析并考虑多种因素，如制氢资源地理分布、现存基础设施情况和加氢站预计氢燃料需求量等。

氢气运输和配送。氢气的运输和配送方式主要有三种：气体管运输、液化罐运输和管道运输（如表4）。在选择氢气的运输方式时，需要综合考虑的固定成本和可变成本。气体管运输投资成本最低，但由于输送容量小，可变成本很高；与之相反的则是管道运输，高投资成本增加了固定费用，但却降低了可变成本。选择运输途径时需要考虑很多因素，其中加氢站氢气需求量和运输配送距离是两个最重要的因素。目前在管道运输方式上已经有相当丰富的经验，美国现有的氢气管道系统已达2400公里，欧洲已经接近1600公里。加氢站与氢燃料运输配送技术之间的联系是显而易见的，对于小加氢站，可以采用氢气气体罐运输或者现场制氢，而对于日用氢量大于500kg且没有现场制氢的加氢站，液化运输和管道运输是最好选择。因此，加氢站的设置决定了氢燃料运输路径的选择。

（四）可再生能源集成

氢能高效转化为电能。能否保障电网的供应可靠性是集成可再生能源的关键所在，这很大程度上取决于能源的储存方式。用光伏、风能和潮汐能等可再生能源来发电，可以解决困扰整个世界的能源问题和环境问题等。但是，可再生能源具有间歇性和分散性的特点，这对需要以最大限度保证电力供应可靠性的电网系统提出了全新的挑战。对于长期的大规模的储能系统，储存能源的能力是有限的，而且电解槽和燃料电池等技术组件非常昂贵，我们需要在低成本的前提下保证能源储存系统的储能效率。

地下储气库。将生产的电能转化为氢气，再把液态氢注入地下空间而形成一个地下氢气储气库无疑是一个很好的选择。地下储气库具有以下优点：（1）储存量大，机动性强，调峰范围广；（2）经济合理，虽然造价高，但是经久耐用，使用年限长达30到50年或更长；（3）安全系数大，安全性远远高于地面设施。表5显示，针对不同的地下储气库，在综合考虑安全性、技术可行性、投资成本和运营成本等指标时，地下岩溶储气库是氢气储集的最好选择。以氢气为基础的可再生能源整合系统，要基于多个变换步骤，导致在整个转化链中能量有效利用率较低，只有20%-30%，并且转化步骤越多，整体的效率越低，技术上还有很大的提高空间。

三、近期重点任务

为了促进氢能和燃料电池技术的发展，下一步需要集中资源，促进跨领域的合作，部署氢燃料电池的产业链，逐步完善相应的政策和监管框架。

（一）促进氢能带来的跨领域合作

发展氢燃料电池需要不同领域之间的合作，政府需要从以下几个方面来推进合作：（1）鼓励提高燃油效率和降低温室气体排放的技术，建立包括碳定价、关税、燃油经济性标准、可再生燃料标准等在内的一些稳定的政策和监管框架；（2）刺激氢能和燃料电池技术的投资和早期的市场部署，通过有效的政策支持来降低成本；（3）强化终端应用中关于安全性和氢能计量的国际规范和标准；（4）释放公共和私人资金，加大氢燃料电池和电解制氢装置的关键技术研发，支持持续性的技术进步和创新，加强交叉领域的研究力度，例如新材料领域，有些关键性材料在改善氢燃料电池性能方面可以起到变革性的作用；（5）促进国际间的项目合作，把资金投入到世界范围内最有希望攻克技术难点的科研机构，从而保证科研资金的使用效率；（6）建立量化能源系统集成效益的模型，分析能源发展带来的区域性影响，增进不同能源系统之间的合作和相互理解。

（二）建立氢燃料电池汽车产业链

建立一个燃料电池电动汽车的产业链，并且完善相应氢燃料的生产、配送和补给站等基础设施，在全世界范围内选择合适的区域，建设至少500到1000个加氢站和一些跨国项目。通过这个产业链和相应配套的运行情况，来判断氢能源汽车的经济性和实用性。在具有氢燃料电池汽车技术研发基础的欧洲、日本、韩国和美国部署方案，让这些地区的国家政府参加制定缓解风险策略，发展金融工具和创新的商业模式，完善燃料电池电动汽车市场推广零售基础设施。增加可以集成可再生能源的氢能源系统的数量，并且收集这些能源系统在现实条件下的性能数据，通过分析数据尽可能地降低成本和优化系统效率。

（三）完善相应的政策和监管框架

氢能和燃料电池路线图强调了制定相关政策时面临的一些具体挑战，这些挑战主要包括道路交通运输领域的碳排放限制、大量集成可再生能源的目标，以及低碳化、低成本的氢能和燃料电池生产技术等。迎接挑战，需要有良好的政策方针来刺激技术解决方案之间的有效竞争，当然这些政策方针不应该局限于氢燃料电池。相关政策应该给具有发展前景的技术提供定向支持，朝着降低成本和提高性能的方向发展，以便于早日实现市场化。

政府支持和保障。政府可以充当催化剂的角色来促进氢能和燃料电池技术的发展，提供经费支持氢能开发示范基地建设，并制定相应的扶持政策。政府需要在能源利用和气候等方面制定长远目标，并营造稳定的发展环境，来保障各项能源发展和气候指标的实现。

激活社会资本。调动社会资本是氢能和燃料电池技术的大规模部署的先决条件。在过去的十年中，一些倡议联盟和伙伴关系已经建立，以协调利益相关者之间的行动，并确保资金的顺利流转。例如，为加大氢能开发和建设相关基础设施，积极引进燃料电池生产商、汽车制造商、电力供应商、运输服务提供商等各个环节的企业，通过协调利益相关者之间的行为，来降低投资风险。这些举措最终成功与否将取决于其能否实现不同利益相关者的利益。在全球范围内，近些年每年都有几百亿美元花在氢能和燃料电池技术以及相关的基础设施建设上。

四、展望与建议

（一）展望

国际能源署希望通过限制CO2等温室气体的排放，来控制全球温度上升不超过2℃。如果要在2050年实现这个雄心勃勃的目标，全球所有与能源相关领域的碳排放总量要降低到当前值的一半以下。其中，能源的生产和输送环节，要完成减排任务总量的一半左右，而如此低碳的能源系统就必须依赖于在能源生产部分彻底减少碳排放量，其中关键是要部署风能、生物质能和水电等可再生能源的应用。要实现温度升限2℃以内的目标，到2050年可再生能源发电量要占到总发电量63%的比例。剩下约一半的减排任务就由交通、工业和建筑等重点应用领域来完成，需要在能源的终端应用上提高效率，利用低碳的氢能、生物质能和其他可再生能源来代替传统的化石能源。

（二）建议

针对氢能和燃料电池发展中的问题，建议政府、工业、科研等部门和领域给予政策保障和技术支持。

政府部门。为实现长期的气候和节能减排目标，建立稳定的政策和监管框架，制定碳定价、燃料关税或可再生燃料标准，在所有能源领域鼓励使用高燃油效率和低排放技术。在现有的基础上，强化道路交通领域的燃油经济性，并且限制CO2及其他污染物的排放。该报告对政府提出了以下具体建议：（1）以适当的经济政策来限制化石燃料汽车的数量，如综合税制系统、对排放CO2为主的机动车征税等；（2）加强政策框架建设，解决运输部门的排放问题;（3）建立市场框架，以适当的报酬来激励能源存储技术所提供的动力系统服务;（4）完善安全法规，解决在氢气的运输与配送、零售基础设施以及氢计量标准之间的安全问题；（5）支持部署氢能开发示范基地，提高对氢能源关键技术的研究投入力度，比如电解制氢和燃料电池等；（6）解决潜在市场壁垒，例如原材料的供应等；（7）扩展宣传和教育计划，以提高民众的认识。

工业领域。需要确定燃料电池和电解槽最低成本系统的设计和制造方法，延长其使用寿命，减缓老化速度。通过证明燃料电池电动汽车在道路上的实用性和整个产业链的经济性，提高其使用率。根据不同地区的具体特征，因地制宜地加速发展基于化石燃料的氢生产工艺，并且做好生产过程中的CO2减排措施，早日形成成熟的商业体系。

科研领域。分析能源供应与需求情况，研究不同能源之间的联系，研究基于氢能的可再生能源转化系统。氢气的生产方面，要尽可能地降低上游生产领域和配送领域的碳排放量，同时降低成本，提高资源的利用率。在氢气的储存方面，要获得适用于地下储气库区域的地质构造数据。在氢能的使用端，要制定出相应的使用规范，以提高氢能使用的安全性和环保性。