氫燃料電池車有望改變化石交通能源格局

□ 本刊記者 馬明軒

5月20日，第二十一屆中國北京科技產業博覽會，北汽集團展出全新的氫燃料電池汽車。 章錚 攝

從長遠看，包括氫燃料電池車在內的新能源汽車的關鍵技術終將實現質的突破，將從根本上改變目前以石油為基礎的交通能源格局。

近日，位于德國萊茵河畔的兩座新加氫站的建造合同已經簽訂。2019年建設完成后，每座加氫站每天能夠為多達20輛氫能客車提供總計500千克氫氣。此舉可顯著減少污染物排放。

人類過去百年的能源進化史，本質上就是碳氫比的調整史，氫含量不斷提高，能量密度也隨之不斷提高。氫氣基礎能量密度是汽油的3倍。因此，未來從碳能源轉向氫能源是大勢所趨，氫能源有望成為下一代基礎能源。

氫燃料電池在能量密度和快速充氫上具有優勢，發展前景較好，但仍存在技術難題。中國石化經濟技術研究院專家指出，目前的主要問題包括氫氣和電池（催化劑）生產成本高、儲氫材料量產及成本降低難以實現突破等。

從長遠看，包括氫燃料電池車在內的新能源汽車的關鍵技術終將實現質的突破，將從根本上改變目前以石油為基礎的交通能源格局。石化企業可在氫氣供應、加油加氣-充電-加氫一體化運營，以及汽車輕量化材料、高端化材料開發方面適時介入新能源汽車產業鏈，實現石化產業鏈的轉型與調整，培育新的利潤增長點。

未來能源的可能替代

“2016年，氫能與燃料電池被列為我國能源科技領域重點發展十五個領域之一，未來大有可為。”在7月26日舉辦的中國國際氫能與燃料電池產業發展會上，中國機建工業聯合會副秘書長向輝對氫能與燃料電池的未來發展給予肯定。

迄今為止，人類歷史上已發生過兩次能源革命。第一次能源革命是煤炭取代木材成為主導能源，第二次能源革命是石油取代煤炭成為主導能源。盡管目前化石能源仍居于主導地位，但是考慮到化石能源資源的緊缺性日益凸顯，汽車排放造成的環境污染和石油資源枯竭正日益加劇，尋找清潔的替代能源是每一個國家必須解決的問題。

氫能可用于可再生能源（如太陽能、風能等）長距離傳遞能量，并大量貯存。氫氣來源廣泛，可以通過太陽能、風能、核能等分解水獲得；如果將其作為車載燃料，反應后只生成水，既能緩解環境污染，又能消除石油危機。

燃料電池完全不進行燃燒，而是通過電化學反應直接將燃料的化學能轉化成電能，因此能量轉化效率可高達45%～60%，約是內燃機的兩倍，隨著技術的進步還可以更高。氫燃料電池汽車不排放硫化物、氮氧化物等有害氣體，也不產生溫室氣體二氧化碳。氫燃料電池汽車不存在純電動車充電時間長、續航里程短的弊病。

早在20世紀60年代，燃料電池就因其體積小、容量大的特點成功應用于航天領域。進入70年代后，隨著技術的不斷進步，氫燃料電池逐步被應用于發電和汽車。如今伴隨各類電子智能設備的崛起及新能源汽車的風靡，氫燃料電池主要應用于固定領域、運輸領域、便攜式領域等三大領域。

目前氫能源汽車的主流發展方向是氫燃料電池汽車。燃料電池直接將燃料的化學能轉化成電能，能量轉換效率高。相比純電動車搭載的動力鋰電池，氫燃料電池質量輕，補充能量的時間短，加氫只需35分鐘，續航里程長，大于600千米。

盡管氫燃料電池汽車有著眾多優點，但它仍有許多問題尚未得到妥善解決，導致其至今無法占據主流市場。比如氫氣的制備和儲存難，氫燃料電池的壽命短、成本高，加氫站等基礎設施建設滯后等。

面對需求缺口中國欲“彎道超車”

近日，廣東省佛山順德區發展規劃和統計局在答復政協委員提案時透露，預計年內將有70臺氫燃料電池公交車投入順德區使用。目前順德正簡化規劃審批，加快新能源汽車充換電設施的建設。據了解，氫能源公交車加一次氫氣只需要5～10分鐘，一天只需加氫氣一次，能跑400千米。根據順德氫能公交車的投放計劃，其區內加氫站的建設已迫在眉睫。順德區計劃今年建成兩個加氫站，力爭三個。

從第一臺燃料電池車1966年問世，歷經31年靜默期，美日和歐盟重新認識到，氫燃料電池除了軍工國防的作用外，還能廣泛應用在能源互聯網、新能源汽車等領域。于是2000年前后，燃料電池汽車的應用開始被發達國家所關注。在那之后，一些國家通過建立能源法案、能源戰略、技術路線圖等途徑，積極發展氫能源在內的清潔能源，嘗試以此減少對傳統一次能源的依賴。

從全球加氫站建設來看，國外加氫站設施建設更為完善，發展較為迅速。目前，大力發展燃料電池汽車加氫站的國家主要有美國、德國、日本，并制定了長期的發展規劃，其中日本成為世界上加氫站最多的國家。相比國外，我國加氫站發展較為滯后。據統計，全球目前建成的加氫站已經超過300座，但我國目前投入運營的加氫站僅為14座，與公共充電樁約全球50%的占比有很大的差距。

2014年，我國氫能源及其燃料電池汽車產業啟動建設。4年來，位于廣東省的佛山(云浮)產業轉移工業園已經成為國內具有重要影響力的氫能產業的發展高地，28臺氫能大巴投入佛山、云浮兩市已經運營兩年，各項指標超出預期，在已經運營兩座加氫站的基礎上，2018年年底，佛山、云浮還要建設22座加氫站。

從各國氫能源產業規劃來看，多數國家是以氫燃料電池為突破口，逐步完善氫能源產業配套，并在2040～2050年實現氫能源社會。國際氫能委員會發布的《氫能源未來發展趨勢調研報告》顯示，到2050年，氫能源需求將是目前的10倍，到2030年，全球燃料電池乘用車預計將達到1000萬～1500萬輛。在這一輪新競賽中，中國正摩拳擦掌準備“彎道超車”。

鏈接五

汽車制造巨頭和石油公司應對電動汽車舉措

沃爾沃宣布從2019年開始每輛汽車上都將裝上電池。

奔馳提出要在2022年全部停產停售傳統燃油車，未來將只提供混合動力和純電動版的汽車。

大眾提出最晚到2030年，集團內全部車型陣容將實現電動化，屆時，大眾集團旗下300余款車型都將推出至少一款電動版車型。

寶馬、通用等車企也都有相關電動汽車發展的計劃。

2017年9月，豐田公司主導，與馬自達、電裝組建合資公司，研發電動汽車相關技術。2017年底，鈴木、斯巴魯、日野汽車及豐田旗下的大發工業4家企業決定加入該合資公司。7家企業將共同合作，共享知識產權，加速電動汽車相關技術研發進程。

道達爾于2016年5月收購法國Saft公司，進入電池生產領域，并與林德、寶馬等公司合作開展加氫業務。埃克森美孚為日本東麗東燃公司提供隔膜原料。

巴斯夫將發展重點放在正極材料方面，并向上游鈷、鎳資源方面延伸。

殼牌公司與豐田、寶馬等車企合作，開展加氫站建設，并于2017年10月收購歐洲最大的電動汽車充電運營商NewMotion，開始在加油站推出充電服務。殼牌公司收購了BG公司，按熱值殼牌天然氣年產量（1090億立方米）已經超過石油（8400萬噸）；殼牌目前是北美第二大售電商，能力2000萬千瓦，供氣+售電，但不介入燃氣發電。

BP于2018年7月斥資1.3億英鎊買下英國最大的電動汽車充電網公司Cahrgemaster。該公司在英國擁有6500個充電站點，收購后，BP計劃未來十年布局1200個居家快充樁。

技術進步促成本下降

實現氫燃料電池車在世界范圍內的領先和“彎道超車”，仍需解決全產業鏈的多個難題，其中氫氣的制備、存儲技術首當其沖。

中國可再生能源協會專委會主任蔣利軍教授認為，氫能源的制作和儲運方面仍有許多需要攻克的問題。制氫方面，最常見的是采用風力發電或太陽能發電、電解水制氫。氫氣是密度最小的氣體，而且擴散能力很強，化學性質十分活潑，這些特點決定了氫氣很難以常規形式儲存。目前氫氣的儲存方式主要有三種：高壓氣態儲存、低溫液態儲存、固態吸氫材料儲存。高壓儲氫容器體積大，存在著泄漏和氫脆等安全隱患；液氫儲氫耗能大，液氫蒸發問題導致存在儲罐安全隱患；可逆金屬氫化物儲氫重量偏大。

我國氫氣運輸體系也尚不完善。氫氣輸送方式主要有氣氫輸送、液氫輸送等。氣氫輸送分為管道輸送、長管拖車和氫氣鋼瓶輸送。管道輸送一般用于輸送量大的場合，美國、加拿大及歐洲多個工業地區都有氫氣管道，目前氫氣管道總長度已經超過1.6萬千米，法國和比利時之間建有世界最長的輸氫管道，長約400千米。長管拖車運輸距離不宜太遠，用于輸送量不大的場合；氫氣鋼瓶則用于輸送量小且用戶比較分散的場合。液氫輸送一般采用罐車和船，可進行長距離輸送。目前氫氣輸送網絡系統技術尚不成熟，不利于氫燃料電池技術大規模商用化應用。

此外，氫能和燃料電池的技術創新與產業發展，是典型的跨領域創新發展的過程。為了使氫燃料電池降低成本和提高耐久性，技術進步是降低氫燃料電池產業化成本的首要手段。攻克的目標主要指向膜電極組件和雙極板：現有的高分子質子交換膜生產工藝復雜，急需改進和優化，比如降低催化劑中鉑含量，提高利用率。將金屬和石墨復合制成的復合雙極板性能優良，且加工工藝相對簡單，材料成本也較低，可以重點發展用以替代脆性大的石墨雙極板。

成本的降低不僅依靠技術的進步，而且有賴于規模化生產。目前，我國生產的燃料電池組成本需10000美元/千瓦，日本生產的燃料電池組成本也需2000美元/千瓦，美國能源局經過測算認為只有當燃料電池的成本降至50美元/千瓦時，才能與內燃機汽車相競爭。

基礎設施鋪設待提速

在氫能源汽車產業鏈上，加氫站是上游制氫運氫與下游燃料電池汽車應用的重要樞紐。完善加氫站的建設，有利于加快氫能源汽車的普及和技術研發進程。根據《全球加氫站統計報告》，截至2017年1月，全球有106座位于歐洲，101座位于亞洲，64座位于北美，兩座位于南美，1座位于澳大利亞。其中188座加氫站向公眾開放，占全球總加氫站的2/3。2016年全球新增92座加氫站，比2015年增加70%，創增長新高，其中日本新增45座，位列加氫站增長榜首；北美新增25座，其中20座位于美國加利福尼亞州；歐洲新增22座，其中6座位于德國。

全國氫能標準化技術委員會《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》（2016），為氫燃料電池基礎設施建設設定了近期、中期及遠期目標。藍皮書規定2020年在京津冀、長三角、珠三角、武漢等氫能與燃料電池產業發達地區率先實現氫能汽車及加氫站的規模化推廣應用，建成小規模的氫基礎設施網絡，加氫站總數達100座以上；固定式燃料發電達到20萬千瓦，燃料電池運輸車輛達到1萬輛。2030年，燃料電池車輛保有量達200萬輛，加氫站總數達1000座以上，初步形成與燃料電池車輛保有量相匹配的供氫網絡。2050年，加氫站服務區域覆蓋全國氫能產業發達地區，參照加油站分布狀況及要求，完成高速公路加氫站布局；燃料電池車輛保有量達到1000萬輛。

同濟大學汽車學院副教授呂洪指出，對氫能的認識和戰略定位至關重要。雖然我國已在國家戰略層面明確將氫能作為能源架構中的一個重要組成部分，并將燃料電池汽車定位為我國汽車行業發展的主流方向之一，但如果仍將氫氣歸屬于危險化學品而非能源，不僅地方政府對氫燃料電池汽車的發展將“敬而遠之”，而且難以在普通消費者群體中進行產品的推廣和普及。

專家指出，加氫站的建設必須由點及線、由線到面地進行布局。氫能源汽車通常優先發展商用客車。加氫站早期的布置可以選取公交線路的起點和終點進行建造，然后在公交線路的沿途增設適當的數量，這是由點及線的過程。氫能源商用車促進加氫站網絡線的形成，氫能源乘用車加氫也會變得便捷起來。氫能源乘用車的能源補給服務得到完善，又會促進加氫站由線擴展到面，進而逐漸形成完整的區域化加氫網絡。加氫站的結構與加油站相差不大，可以通過適當的手段將加油站改造成加氫站。

我國有世界上最龐大的汽車消費市場，對能源結構的轉型需求迫切，對氫燃料電池汽車的扶持政策十分優越，且產業鏈也在加緊布局，這些條件都為氫能源汽車在中國的發展提供了最佳契機。

汽車制造巨頭和石油公司應對電動汽車舉措

2017年1月，道達爾、殼牌等石油公司與寶馬、戴姆勒、豐田等車企，及林德、液空等共13家企業共同發起成立“氫能源委員會（Hydrogen Council）”，希望積聚力量，推動世界能源的轉型，緩解溫室效應。

中國石油于2017年11月成立集團電能有限公司，進入售電領域，其經營范圍中包括電動汽車充電樁系統建設和運營。

中化集團介入鋰離子電池正極材料的生產，主要是NCA材料及其前驅體，近日發布《中化集團2018-2020年發展戰略指引》，提出培育新材料、新能源、生物和環保四大戰略性新興產業。其中新材料產業主要是鋰電池材料、汽車輕量化材料及其他車用高性能材料，新能源產業重點發展鋰電池，擇機延伸發展電動汽車制造、充換電和共享汽車服務。

中國石化與中國電動汽車百人會共同發起，聯合中國中車、中國電子、中國農業銀行、蔚來，以及滴滴出行等企業，成立新能源汽車產業聯合創新平臺。2018年1月，新能源汽車產業聯合創新平臺簽約儀式在北京釣魚臺國賓館舉行。該平臺定位為國家級雙創示范基地和新技術示范基地，是面向全球的開放開源式創新平臺。