陳碩翼1，朱衛(wèi)東1，張麗1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所;3.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司)

　　氫能技術(shù)可以推動動力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和新能源汽車、分布式供能等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有改變能源結(jié)構(gòu)的潛力，實現(xiàn)能源供給端到消費端的全產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)變，促進(jìn)人類生產(chǎn)、生活方式的變革。本文對國內(nèi)外氫能燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行了梳理，并提出了我國進(jìn)一步發(fā)展重點與對策建議。

　　一、關(guān)于氫能燃料電池技術(shù)

　　氫作為化學(xué)能載體，正在成為與電一樣重要的二次能源。氫能燃料電池技術(shù)是將純氫，或含氫燃料中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，包括氫制取、儲運、安全和燃料電池等技術(shù)。

　　1. 制氫技術(shù)

　　制氫處于氫能產(chǎn)業(yè)上游，其本質(zhì)是通過能量輸入從含氫原料中提取氫，主要有從碳?xì)淙剂现泻蛷乃刑崛煞N途徑，從水中提取為主要方式。通過可再生能源從水中提取氫，是未來氫能可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

　　2. 儲(運)氫技術(shù)

　　氫的可儲性是氫能應(yīng)用最顯著特點之一，高效、安全便利的儲(運)氫是氫能實用化關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按儲氫原理，可分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)儲氫。車載儲氫已成為氫能應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

　　3. 燃料電池技術(shù)

　　燃料電池將氫(含氫燃料)和空氣中氧發(fā)生非燃燒電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)高效發(fā)電并生成水，其比同用途熱機的電效率可高出20%~30%，同時實現(xiàn)近零排放，并可通過單元堆疊實現(xiàn)規(guī)模放大，適于移動、分散發(fā)電。

　　4. 氫安全技術(shù)

　　氫的安全性與其它能源類似，氫安全主要研究氫制取、儲運、應(yīng)用和氫能基礎(chǔ)設(shè)施的安全問題，涉及氫泄漏擴散、氫火災(zāi)爆炸、氫與材料相容性、氫風(fēng)險評估、氫安全儀器設(shè)備和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。氫安全研究可以防止和減少氫事故，促進(jìn)氫能健康發(fā)展。

　　二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　氫能技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)化前期階段，但仍面臨一系列技術(shù)經(jīng)濟瓶頸挑戰(zhàn)。

　　1. 制氫技術(shù)

　　化石能源制氫技術(shù)比較成熟，可以滿足規(guī)模用氫需求;制氫技術(shù)正向可再生能源制氫轉(zhuǎn)變。

　　工業(yè)制氫技術(shù)主要有以煤、天然氣、石油等為原料的催化重整制氫，氯堿、鋼鐵、焦化等工業(yè)副產(chǎn)物制氫，生物質(zhì)氣化或垃圾填埋氣生物制氫，采用網(wǎng)電或未來直接利用可再生能源電力電解水制氫;處于實驗室階段但潛力大的有光催化分解水、高溫?zé)峄瘜W(xué)裂解水和微生物催化等先進(jìn)制氫技術(shù)。

　　催化重整、工業(yè)副產(chǎn)物和生物質(zhì)制氫是目前氫氣的主要來源，但存在CO2排放問題，可再生能源電力電解水制氫則可獲得零排放氫氣。電解制氫可分為堿性電解制氫(AEC)、固體聚合物電解制氫(SPE)和固體氧化物電解制氫(SOEC)。

　　SOEC電解效率最高，SPE次之，AEC最低，美國Versa Power System公司和美國可再生能源國家實驗室(NREL)合作研制的可再生SOFC，實現(xiàn)了大電流高效率電解水(6A@1.65V@78%LHV);但AEC可大規(guī)模生產(chǎn)，SPE由于成本等問題處于小規(guī)格產(chǎn)品階段，SOEC還在實驗室階段。

　　2. 儲運氫技術(shù)

　　儲氫分為高壓氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)儲氫，高壓氣態(tài)儲氫和液氫儲氫技術(shù)已規(guī)模應(yīng)用，固態(tài)儲氫和有機氫化物液態(tài)儲氫等技術(shù)仍處研發(fā)階段。

　　高壓氣態(tài)儲氫是現(xiàn)階段經(jīng)濟、實用的儲氫方案，70MPa高壓氣態(tài)儲氫VI型瓶已商業(yè)化應(yīng)用。

　　液態(tài)儲氫包括液氫和有機氫化物液體儲氫。液氫儲氫體積儲氫密度高，但耗能高、安全隱患大;有機氫化物和液氨儲運氫儲氫量高，可利用現(xiàn)有油氣設(shè)施儲運，但需在復(fù)雜反應(yīng)裝置中，通過外供熱催化反應(yīng)，實現(xiàn)加氫、脫氫，產(chǎn)品氣中可能伴有氣體和蒸汽雜質(zhì)。

　　固態(tài)儲氫是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物等作為儲氫載體，通過化學(xué)吸附方式儲氫，其儲氫密度高于高壓氫和液氫，或最有可能滿足車載儲氫技術(shù)要求，但需解決重量儲氫率低、放氫溫度高和充氫速度慢等問題。值得關(guān)注的是新型高壓/低溫復(fù)合儲氫技術(shù)。

　　3. 燃料電池技術(shù)

　　燃料電池技術(shù)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，成本在下降，壽命和可靠性等仍在提升。

　　根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為主要5種：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC，含甲醇燃料電池)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。堿性膜燃料電池、生物燃料電池等新型燃料電池也已出現(xiàn)。PEMFC是目前發(fā)展主流，SOFC是未來主要發(fā)展方向之一。

　　德國燃料電池技術(shù)一直世界領(lǐng)先，尤里希研究中心Detlef Stolten主要研究高溫電解質(zhì)燃料電池(160-180℃)和SOFC;巴登符騰堡太陽能和氫能源研究中心Werner Tillmetz主要研究燃料電池電堆耐久性和氣體擴散層水熱管理;弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所Alexander Michaelis和卡爾斯魯厄理工學(xué)院Ivers-Tiffée主要研究SOFC;杜伊斯堡-埃森大學(xué)Angelika Heinzel長期研究燃料電池金屬雙極板，弗朗霍夫太陽能系統(tǒng)研究所Christopher Hebling主要研究燃料電池系統(tǒng)。

　　4. 氫安全技術(shù)

　　已具備滿足氫能發(fā)展的檢測能力，初步建立標(biāo)準(zhǔn)體系，正在建立氫安全國際標(biāo)準(zhǔn)。氫能裝備/設(shè)施的設(shè)計理念是本質(zhì)安全，氫風(fēng)險量化評估技術(shù)是主要發(fā)展方向。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　“十二五”期間，在科技部的支持下，我國在風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能等可再生能源制氫，固態(tài)儲氫，高壓儲氫、輸氫和加氫，先進(jìn)燃料電池等氫能燃料電池關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了全面布局，取得了系列研究成果。目前我國氫能技術(shù)總體處于第二方陣，具有一定基礎(chǔ)和特色，但與美、日、德國還有差距。

　　制氫技術(shù)。規(guī)模已經(jīng)居世界首位。煤氣化制氫和堿性電解水制氫具有特色和優(yōu)勢，光催化和生物質(zhì)制氫處于國際先進(jìn)水平，天然氣重整制氫和可再生能源制氫等與國外差距較大。

　　儲氫技術(shù)。占有國際重要一席。固定式高壓儲氫技術(shù)和固態(tài)儲氫材料等處于國際先進(jìn)水平，車載高壓儲氫及氫輸運等技術(shù)落后于國外。

　　燃料電池技術(shù)。具備較好技術(shù)儲備，處于應(yīng)用示范階段，正逐步進(jìn)入市場，產(chǎn)業(yè)鏈尚未完整，總體落后于國際領(lǐng)先水平。

　　氫安全技術(shù)。具備一定技術(shù)基礎(chǔ)，氫與材料相容性等具有特色，總體落后于美國、日本、歐盟。

　　總體來說，我國氫能基礎(chǔ)研究與國際水平相近，甚至有超越趨勢，但技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和市場培育與先進(jìn)國家的差距有拉大趨勢。

　　基礎(chǔ)研究。初步形成涵蓋制氫、儲運氫、燃料電池、氫安全的研發(fā)體系，本領(lǐng)域SCI論文數(shù)量從2012年開始已超過美國，成為全球第一。

　　標(biāo)準(zhǔn)。與國際基本接軌，氫能、燃料電池和電動車輛3家標(biāo)委會已分別發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)19項、30項、11項。

　　知識產(chǎn)權(quán)。國際專利排名還很靠后，主要是我國企業(yè)特別是大型骨干企業(yè)氫能技術(shù)參與度較低。

　　技術(shù)水平。與先進(jìn)水平有相當(dāng)差距。SPE、小型天然氣重整等制氫技術(shù)仍是空白;儲運氫方面，70MPa高壓車載儲氫瓶停留在樣機階段;燃料電池技術(shù)處于幾十千瓦級別，國外已達(dá)兆瓦級別;氫安全技術(shù)僅開始基礎(chǔ)研究，國外已經(jīng)建立氫氣泄露和爆炸的研究設(shè)施。

　　產(chǎn)業(yè)化。發(fā)展相對滯后，還停留在實驗室階段，商業(yè)化燃料電池整機產(chǎn)品非常少，車載高壓氫瓶產(chǎn)業(yè)化落后先進(jìn)國家8～10年。國外大規(guī)?？稍偕茉粗茪湟堰M(jìn)入商業(yè)化示范階段，燃料電池電動車已經(jīng)上市銷售，家用燃料電池及分布式燃料電池電站均投入商業(yè)化應(yīng)用。

　　四、我國進(jìn)一步發(fā)展重點及對策建議

　　為適應(yīng)未來能源變革，順應(yīng)能源革命的趨勢和潮流，我國氫能燃料電池技術(shù)應(yīng)向“技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，產(chǎn)業(yè)規(guī)模躍居世界第一”的目標(biāo)大力發(fā)展。

　　制氫技術(shù)。重點發(fā)展可再生能源制氫技術(shù)，主要是電解水制氫技術(shù)，同時兼顧碳?xì)淙剂想姵刂卣茪浼夹g(shù)，積極探索光/熱化學(xué)水解制氫技術(shù)。

　　儲運氫技術(shù)。重點研究高壓儲(運)氫和固態(tài)儲(運)氫技術(shù)，兼顧液態(tài)有機儲(運)氫技術(shù)。

　　燃料電池技術(shù)。重點發(fā)展PEMFC和SOFC技術(shù)，兼顧先進(jìn)燃料電池技術(shù)創(chuàng)新。

　　氫安全技術(shù)。全面研究高壓氫泄漏火災(zāi)爆炸行為及防控和氫能設(shè)施運行安全技術(shù)。

　　為實現(xiàn)以上目標(biāo)，提出以下對策建議：

　　1. 積極推動將氫能納入國家能源體系

　　研究制訂國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略及實施路線圖，促進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和商業(yè)模式同步創(chuàng)新，逐步將氫能納入國家能源體系。

　　2. 研究實施氫能科技重點專項

　　突破產(chǎn)業(yè)鏈成套關(guān)鍵技術(shù)和裝備，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，開展可再生能源大規(guī)模制氫、儲氫和輸配示范。開展燃料電池汽車商業(yè)化示范，推進(jìn)燃料電池備用電源商業(yè)化應(yīng)用，推動分布式供能和深海潛器用燃料電池集成技術(shù)示范。加強國際交流合作，建設(shè)氫能領(lǐng)域國家級科技創(chuàng)新平臺，形成氫能創(chuàng)新鏈。

　　3. 積極推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新

　　通過優(yōu)勢互補、協(xié)同發(fā)展和多元化投資，組建國家級檢驗檢測中心，建設(shè)氫能利用區(qū)域示范中心和產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)，搭建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新支撐平臺。發(fā)揮優(yōu)勢企業(yè)在汽車產(chǎn)業(yè)開發(fā)中的推動作用，調(diào)動能源、交通、電信等行業(yè)龍頭企業(yè)優(yōu)勢資源，構(gòu)建以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的氫能利用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，形成具有國際競爭力的氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈與價值鏈，探索新商業(yè)模式，推動商業(yè)化試點示范。

　　4. 營造有利于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良好環(huán)境

　　研究制訂氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的激勵政策;加強安全檢測能力建設(shè)，建立完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系;推動商業(yè)模式創(chuàng)新，鼓勵社會投資，加快加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);穩(wěn)步開放天然氣管網(wǎng)和電網(wǎng)，接納可再生能源制氫和燃料電池發(fā)電;研究制訂氫能利用財政政策，營造有利于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良好環(huán)境。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。武漢理工大學(xué)潘牧教授參與了本研究。

　　本文特約編輯：姜念云