氫能與燃料電池

氫能是二十一世紀最清潔的二次能源，源蘊藏豐富，無任何污染物排放，效率高、可循環(huán)利用，被稱為人類的終極能源。燃料電池是氫能利用的最佳方式，氫燃料電池車也被譽為汽車動力發(fā)展路線圖中的終極方案。 燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。只要氫氣不斷輸入，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

力圖構(gòu)建“氫能社會”的日本

氫能早期應(yīng)用于航天和軍事領(lǐng)域，在多年研發(fā)基礎(chǔ)上，日本近年提出構(gòu)建“氫能社會”，采取多種措施在引領(lǐng)氫燃料電池技術(shù)國際標準和產(chǎn)業(yè)化進程中取得先機。

在氫能產(chǎn)業(yè)鏈條上，日本龍頭車企已基本掌握氫燃料電池核心技術(shù)，東麗等企業(yè)主導全球膜、碳紙和碳纖維等關(guān)鍵材料生產(chǎn)。受資源稟賦約束，日本在上游制氫環(huán)節(jié)存在短板，擬從澳大利亞、文萊等國進口氫氣，正積極研發(fā)褐煤制氫和可再生能源制氫等技術(shù)。目前采用主流的高壓氣態(tài)儲氫和壓縮氣體車輛運氫，同時研發(fā)低溫液化儲氫和管道輸氫模式。 日本計劃將氫氣價格從目前的100日元/標方(人民幣約6.4元/標方，即71.2元/㎏)下降到2030年30日元/標方(人民幣約1.9元/標方，即21元/㎏)，使其接近汽油和天然氣價格。日本東芝燃料電池在民用領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用開始于家庭分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)(ENE-FARM)，2008年開始量產(chǎn)，并取得了一定的銷量，但是近年來由于受日本政府補貼政策的影響，該項目并未得到大規(guī)模的擴展，僅僅停留在對原有項目的維護上。 氫能在日本交通上的應(yīng)用，是2014年豐田推出世界上第一款燃料電池乘用車MIRAI時才實現(xiàn)的。截至2019年5月，MIRAI累計生產(chǎn)9500輛，其中出口6500輛，在全球率先實現(xiàn)量產(chǎn)。

打造“氫經(jīng)濟”的韓國

韓國氫燃料電池汽車研發(fā)有數(shù)十年積累，目前已將“氫經(jīng)濟”列為三大創(chuàng)新增長戰(zhàn)略之一，將氫燃料電池汽車作為下一個經(jīng)濟增長引擎，擬迅速占領(lǐng)全球氫燃料電池汽車市場。韓國擁有自主膜電極技術(shù)，但碳纖維等關(guān)鍵材料依賴進口。目前正推進碳紙、高壓容器零部件等國產(chǎn)化，計劃到2022年實現(xiàn)100%國產(chǎn)化。 韓國主要采用天然氣裂解制氫，已形成仁川、平澤、三陟、同陽等制氫基地，2018年氫氣產(chǎn)量13萬噸，計劃到2040年增至526萬噸。韓國氫氣產(chǎn)量難以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，也在籌劃海外進口通道。在儲運上，主要采用“高壓氣態(tài)+管道”方式，擁有蔚山、麗水、大山為中心的氫氣管道，液化氫和液態(tài)儲運技術(shù)仍處于前期研發(fā)階段。應(yīng)用環(huán)節(jié)，乘用車發(fā)展較快，現(xiàn)代公司NEXO燃料電池乘用車技術(shù)世界領(lǐng)先。商用車方面，于2018年推出第三代燃料電池大巴車。

國內(nèi)氫能發(fā)展啟示

(1)氫源和成本問題未得到有效解決。日韓雖然有扎實的技術(shù)積累，但氫源和成本問題一直未得到有效解決。氫氣怎么來?因為目前缺少生產(chǎn)、儲存以及運輸氫的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。豐田汽車美國銷售公司高級技術(shù)總監(jiān)克雷格·斯科特認為：“目前我們主要的劣勢是在等待建立加氫站，現(xiàn)在還受到數(shù)量不足的限制。而一旦網(wǎng)絡(luò)建立起來，對消費者來說就沒有什么限制了。” 然而他卻忽視了一個更加現(xiàn)實的問題，即加氫站建設(shè)的成本問題。目前加氫站建設(shè)成本約1500萬左右，設(shè)備成本約占百分之八十，其中不含土地成本和后期運營成本，而加氫站建設(shè)的單站國家補貼僅400萬元。 除了高昂的加氫站網(wǎng)絡(luò)的布局成本之外，日本氫氣價格目前為71.2元/㎏，即便日本的燃料電池汽車已經(jīng)非常成熟，但是高昂的使用成本仍然會讓消費者望而卻步。然而在國內(nèi)，水氫技術(shù)已經(jīng)完全降低用氫成本，根據(jù)目前的357技術(shù)轉(zhuǎn)換效率(3公斤甲醇可以制5標準立方米氫氣發(fā)7度電)，用氫成本不到20元/kg。

水氫技術(shù)甲醇水溶液(甲醇與水的摩爾比為1:1)為原料，通過汽化——催化重整——純化轉(zhuǎn)化成超高純氫氣，為發(fā)電系統(tǒng)(質(zhì)子膜系統(tǒng))供氫。水氫機是采用催化重整及純化多項技術(shù)從醇水中獲得高純氫，通過質(zhì)子膜系統(tǒng)產(chǎn)生電、熱等多種能源的裝置，實現(xiàn)了在同一設(shè)備中可移動即時制氫和發(fā)電，無需存儲氫氣。如此一來，氫源和成本問題都得到有效解決。

(2)對氫能應(yīng)用不能局限于造車。 目前氫能發(fā)展的注意力主要集中在交通領(lǐng)域，各大車企都在積極布局氫燃料電池汽車。然而氫能在農(nóng)業(yè)、工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)都有廣泛用途，氫對能源體系的作用也是多方面的，在發(fā)電、儲能、建筑等領(lǐng)域，氫能都將大有可為。 水氫技術(shù)的應(yīng)用除了有水氫汽車，還有水氫離網(wǎng)智能充電站、水氫通訊基站電源、水氫旅游觀光車等多個應(yīng)用領(lǐng)域，未來水氫技術(shù)還會在更多的領(lǐng)域上取得更多的應(yīng)用成果。

(3)選擇適合我國氫能發(fā)展的道路。 我國資源能源稟賦多樣，對能源的選擇及經(jīng)濟調(diào)控的回旋空間較大，應(yīng)切實從我國國情出發(fā)，根據(jù)我能源戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，從全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)謀劃，科學理性明確氫能定位。 首先，水氫機使用的原料甲醇價格低廉，其來源廣泛，除了是傳統(tǒng)能源煤、石油、天然氣的副產(chǎn)物，還可以通過間歇式可再生能源太陽能、風能電解制氫加CO2獲取，此外還可以通過糞便、垃圾等生物質(zhì)降解處理。此外，甲醇的燃點高于汽油，車載甲醇遠比車載氫罐安全。發(fā)展甲醇能源作為制氫原料是完全符合我國煤炭大國及農(nóng)業(yè)大國的國情。 其次，水氫產(chǎn)業(yè)從發(fā)展之初就從全產(chǎn)業(yè)鏈上統(tǒng)籌謀劃，明確氫能的發(fā)展定位，為氫能與燃料電池發(fā)展開辟了一條一體化、小型化、低溫化的新型路徑，解決了氫能應(yīng)用的安全與成本問題及加氫基建的巨額投資問題，對推動氫能廣泛應(yīng)用具有戰(zhàn)略性意義。