氫能與燃料電池的發展現狀分析及展望

＊張 爽

（北京新材料和新能源科技發展中心 北京 100094）

引言

隨著我國可再生能源裝機占比不斷地提升，可再生能源的有效利用被認為是推動碳減排的良好途徑，國家也在大力部署、創建低碳能源體系。

氫能是實現能源結構綠色轉型的重要手段，是實現“碳中和、碳減排”目標的重要支撐。氫氣的制取可以來源于可再生能源，氫燃料電池可應用到汽車上，作為汽車的動力來源，可替代燃油車實現碳減排。基于此，發展氫能與燃料電池有著非常重要的戰略意義。

1.氫能與燃料電池的基本特性與工作原理

氫燃料電池系統是一種發電系統，氫氣和氧氣通過在電堆中發生的化學反應，把化學能逐漸地轉換為電能，從而實現動力輸出。燃料電池系統含有多個組成部分，主要部件有電堆、氫氣供應系統、空氣供應系統、水熱管理系統以及燃料電池系統控制器。對于核心部件電堆來說，它主要包括膜電極組件、雙極板以及端板、密封件等。

其中，膜電極組件主要由質子交換膜、催化劑層以及氣體擴散層組成。質子交換膜為氫離子的遷移和輸送提供通道，氫離子能夠在其中進行自由移動；對于催化劑層來說，是反應氣體發生電化學反應的場所。因此對于氫燃料電池汽車而言，其所使用的能源來源就是氫氣，并且伴隨著化學反應的發生。

化學反應的總反應式為“H2+1/2O2→H2O”，反應的過程中生成水。當車輛在行駛期間，氫燃料電池汽車能夠達到零排放的效果，所以氫燃料電池汽車相對于傳統內燃機汽車在節能減排上占有較大優勢。

2.發展氫能與燃料電池的重要意義

(1)清潔的能源系統是實現碳減排目標的重要手段

2018年，在全球的CO2排放量中，中國的CO2排放量占比接近30%。作為CO2排放量較多的國家之一，我國在《巴黎協定》中做出相關承諾，并在2020年宣布預計到2030年CO2排放到達峰值，并且盡早達到峰值，在2060年實現碳中和，這一目標宣示了我國應對氣候變化所做出的信心和決心。經過國家的長期部署和不懈努力，2020年我國單位GDP CO2排放量比15年前下降了近一半。然而，我們應充分地考慮到，我國現階段能源消費的結構占比中，石油、煤炭以及天然氣等化石能源供應占比居高不下，在2018年該類能源的供應占比達到85.7%，化石能源的燃燒是CO2排放的重要來源，而清潔能源譬如風電、水電、光伏等能源供應占據的比例僅為14.3%，與其它發達國家的能源結構相比，我國清潔能源占比較低。因此，我國在碳減排方面面臨的問題任重道遠。

基于我國能源結構現狀，為了能夠實現碳減排這一目標，能源結構轉型勢在必行，需要對現有的能源結構進行優化和調整，使得能源體系變得更加的清潔和，從而大幅減少我國溫室氣體的排放，以應對氣候變化，減緩氣候變暖。在碳減排的過程中，為了有效地推動能源結構的優化，需要一種新的能量載體。氫的能量密度較高，優勢突出，可通過可再生能源發電后通過電解水制氫獲得，氫燃料電池可在工業、交通、化工等多種領域應用，用途廣泛，使用過程中無碳排放，是促進我國實現低碳轉型的主要抓手。

(2)氫燃料電池汽車在交通行業減排潛力較大

氫能產業鏈指的是制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等各個環節。氫能不僅在傳統領域中發揮著重要作用，也在交通運輸行業中發揮著重要作用，氫燃料電池汽車得到越來越多的推廣應用。與其它傳統類型汽車相比較，氫燃料電池汽車主要的優勢為：

第一，具有較長的續航里程，氫氣具有較高的質量能量密度，其質量能量密度約為120MJ/kg，是柴油、汽油和天然氣的近3倍，所以能夠保持長時間的續航能力。

第二，能量轉化效率高，傳統柴油汽車能量轉化效率一般約50%，而燃料電池汽車的能量轉化效率高達55%～65%。

第三，加氫時間相對較短，一般只需約5～8min左右就可以加滿，接近傳統燃油汽車的加油時間。

第四，從能量來源的角度講，氫氣是一種二次能源，其來源十分廣泛，可以通過煤氣化制氫、電解水制氫、工業副產氫提純、甲醇重整制氫等多種來源，近些年光解水制氫、生物質制氫等多元制氫方式也在快速研發和應用驗證中。特別是隨著可再生能源發電技術的推廣，通過“綠電”來制作“綠氫”，可以最大限度地降低制氫過程的碳排放。可以展望的是，未來可再生能源發電將會大規模應用，氫氣的生產成本將進一步降低。

因此，相較于傳統燃油汽車，氫燃料電池汽車能量轉換效率高，且工作過程中無有害氣體的排放，無硫和微粒排放，為零排放、零污染技術。此外，氫燃料電池車輛具有續航里程長、加氫時間短、載重量大、清潔環保等優勢，在長途重載領域普遍認為適合發展燃料電池重型車輛，以契合其“大載重、長續航”的優勢。重卡車型在交通運輸結構中占比不大，但其排放的各項污染物對空氣污染造成的影響居于前列。2017年重型卡車在我國汽車總保有量里占比僅3.0%，一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物四項污染物排放量分別占汽車總排放的7.3%、13.5%、45.9%和59.8%，山東省和河北省位居四項污染物排放量前五位。2019年我國重型卡車銷售117.4萬輛，同比增長2.3%，在重卡車輛中使用氫燃料電池汽車替代具有重要意義。

3.氫燃料電池的發展現狀分析

(1)氫燃料電池汽車發展現狀

國際上，日、韓及歐美等國家和地區比較早地重視氫能利用，研制氫燃料電池汽車，并且積累了豐富的經驗。豐田是氫燃料電池汽車的探路者和先行者，早在20世紀90年代初期，豐田公司就開始研制該類型的汽車。經過20余年的技術攻關，2014年豐田推出的第一款氫燃料電池汽車品牌Mirai正式進入大眾視野，Mirai一代加氫約需3min，續航約500km，迄今Mirai銷量過萬。2020年9月，Mirai二代氫燃料電池汽車亮相北京車展，續航達到了800km。2016年，日本本田公司也推出了氫燃料電池汽車品牌，即本田Clarity。本田Clarity加氫時間3min左右，續航750km。隨后在2018年，韓國現代公司推出其第一款氫燃料電池汽車品牌NEXO，加氫5min，續航里程達到805km。在2017年，德國奔馳公司也研發出第一款此種類型的品牌車輛GLCF-GELL。與此同時，美國通用公司以及德國大眾公司等傳統汽車企業也都在積極布局并快速推進氫燃料電池汽車的研發進程。

與國外豐田、現代等企業主要以發展氫燃料電池乘用車的路線略有不同，我國燃料電池汽車研發的起步較晚，且大部分車企主要研制的方向為商用車領域。截止2020年底，全球的氫燃料電池汽車保有量超過3萬輛，其中中國為0.7萬輛，占比達到23.3%。隨著近幾年氫燃料電池汽車在我國的快速推進，進一步促進了加氫基礎設施產業的發展，截止2020年底我國加氫站建成數量128座，同比增長85%。

(2)氫燃料電池重卡發展現狀

如上文所述，氫燃料電池尤其適合“大載重、長續航”的重卡應用場景，也是歐美、日、韓等國家和地區發展燃料電池汽車的重點方向，整車企業相繼推出產品。現代汽車公司2020年將XCIENTFuelCell氫燃料電池重卡商業化應用，2021款XCIENTFuelCell搭載由兩個90kW電堆組成的180kW燃料電池發動機、7個容積為185L的35MPa儲氫瓶，續駛里程400km。同時，豐田和日野也在聯合開發基于日野Profia的25t燃料電池卡車，該車使用豐田Mirai二代的氫燃料電池技術，燃料電池發動機功率達到228kW，搭載70MPa儲氫瓶，續駛里程達到600km。

在戰略規劃上，美國能源部（DOE）在2019年底發布了氫燃料電池8級卡車發展目標，提出到2030年燃料電池系統壽命達到25000h、峰值效率超過68%、成本達到80美元/kW。英國2021年發布《國家氫能戰略》提出，將運輸視為氫能產業的最大組成部分之一，2024年前開展氫燃料電池重卡示范項目并逐步擴大在交通運輸行業的使用，同時正在討論研究非零碳排放的重型貨運車輛淘汰機制。歐盟在《歐盟氫能戰略》中把“氫能戰略”作為“能源一體化戰略”的部署，為交通運輸等領域實現去碳化的目的，進一步幫助這種潛力逐漸變為現實。歐洲燃料電池和氫能聯合組織2020年發布的《歐洲氫能路線圖》中提出，氫是卡車領域最有發展潛力的脫碳選擇，到2030年將推廣4.5萬輛氫燃料電池卡車和巴士。同年的日本發布《綠色增長戰略》，進一步明確預計到2050達到碳中和的目標，進一步創建“零碳的社會”，氫能領域還需要重視對氫能與燃料電池車輛方面的發展。韓國2019年發布的《氫能經濟發展路線圖》提出，2040年將推廣3萬輛氫燃料電池卡車。

在我國，氫燃料電池重卡近年也在快速發展中。2020年底，蘇州金龍交付50輛燃料電池重卡，搭載120kW燃料電池發動機。2021年三一公司首臺氫燃料電池重卡下線，該車總重10.6t，搭載120kW燃料電池發動機，35MPa儲氫系統，續駛里程超過450km。2021年清華大學聯合北汽福田等研發的全球首款35t級、49t級液氫重卡，搭載60kg、100kg的大容量車載液氫儲氫系統，首席將液氫應用于車載燃料電池儲氫系統。

(3)氫燃料電池軌道交通車輛發展現狀

隨著氫能越來越得到全球的重視，氫燃料電池的利用也逐漸向多元化發展，對燃料電池軌道交通車輛探索的積極性也越來越高，并且獲得了良好的技術積累。在2006年，日本東京的一家鐵路企業將其NE型混動列車進行改制，開發出首款燃料電池列車原型車，該列車搭載兩組65kW的燃料電池，最高行駛速度能夠達到100km/h。經過多年的攻關，2022年初，該公司與豐田合作研發的名為“云雀（HYBARI）”的氫燃料電池輕軌列車開始進行測試，這兩節車廂列車搭載了豐田的Mirai燃料電池，儲氫罐位于車頂，一次加氫可行里程為140km，目標是2030年前投入使用。在2016年，法國阿爾斯通公司首次推出一款名為CoradiaiLint的氫動力客運列車，在第二年在德國開展了相關的測試工作。該機車最高的行駛速度能夠達到140km/h，載客最多達到300人，續駛里程達到一千公里，之后在德國開始載客示范運行，目前行駛里程已超過10萬公里，積累了豐富的運行經驗。

在我國，西南交通大學自2010年起開展對氫燃料電池作為機車動力來源的技術進行研究，歷時四年成功研發出中國第一輛“藍天號”氫燃料電池機車，應用于軌道交通，搭載150kW的燃料電池系統，時速65km，一次加氫可連續運行24h。在2016年，西南交通大學和中車公司聯合研制出商用燃料電池/超級電容混合動力有軌電車，該車搭載35MPa高壓儲氫系統，最高的行駛速度達到70km/h，最大載客量超過300人。與此同時，2015年清華大學和中車青島聯合攻關研制出我國首臺氫燃料電池有軌電車，行駛速度達到36km/h，搭載4個35MPa儲氫罐，單次加氫能夠持續行駛70km。

4.我國氫能與燃料電池汽車發展展望

根據相關研究規劃，預計在“十四五”期間，我國氫燃料電池汽車保有量將達到10萬輛，2035年將突破100萬輛，應用場景也將會呈現出多元化發展的趨勢。國務院辦公廳在2020年發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》提出，力爭經過15年的持續努力，燃料電池汽車實現商業化應用。為進一步推動我國氫燃料電池汽車產業規模化、有序化的健康持續發展，國家在2020年制定了燃料電池汽車示范應用的支持政策，鼓勵產業集群聯合開展關鍵技術產業化攻關。截止2022年2月，已有兩批5個城市群獲批，各城市群的申報方案充分地結合了組團城市氫燃料電池汽車產業鏈企業的技術優勢，深入地挖掘了特色的應用場景，譬如家具配送、港口運輸、冷鏈物流等，同步規劃相關基礎設施，并在支持技術研發、引進高質量人才、搭建創新平臺等支持政策和地方配套資金上給予充分保障。

從國家及地方出臺的相關政策來看，我國對氫燃料電池產業扶持的重心，是從系統集成逐漸擴展到上游的關鍵零部件以及核心材料方面。可以展望的是，隨著我國燃料電池汽車城市群示范工作的不斷推進，將持續拉動產業規模化發展并促進關鍵核心技術升級，氫能制、儲、運、加、用的全鏈條成本將進一步降低，氫燃料電池汽車全生命周期成本將逐步和傳統燃油車輛接近。結合商業運營模式的持續探索和完善，氫燃料電池汽車將實現商業化應用，產業鏈競爭力將快速提升，我國氫燃料電池汽車的發展將進入快車道。

5.結論

氫能利用和燃料電池汽車的發展符合國家“雙碳”戰略目標。2022年初，近千輛氫燃料電池大巴為冬奧會提供交通運輸服務，借著冬奧會的“東風”，多場景應用，大規模示范驗證，為產業的發展提供了經驗積累。隨著我國氫燃料電池汽車被廣泛地應用，氫能產業鏈也將得到快速發展。