中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：氫是清潔、高效、零碳的能源載體，已被公認(rèn)為是未來技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)之一。氫作為能源轉(zhuǎn)化交聯(lián)的媒介，有助于實(shí)現(xiàn)一次能源側(cè)的多能互補(bǔ)以及二次能源側(cè)的多能源高效轉(zhuǎn)化和供需互動(dòng)，尤其能夠通過可再生能源電力制氫實(shí)現(xiàn)波動(dòng)性可再生能源的時(shí)空轉(zhuǎn)移，促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)。燃料電池作為其最成熟的應(yīng)用方式，能夠促進(jìn)交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域的電氣化，其與氫氣的結(jié)合能夠提升能源系統(tǒng)靈活性，加快實(shí)現(xiàn)能源體系中多能源融合互補(bǔ)的新形態(tài)，在構(gòu)建現(xiàn)代能源體系中發(fā)揮關(guān)鍵作用。全球主要國家都極為重視氫能與燃料電池的發(fā)展，將發(fā)展氫能和燃料電池提升到國家能源戰(zhàn)略層面，相繼制定發(fā)展規(guī)劃、路線圖以及相關(guān)扶持政策，并開展技術(shù)研發(fā)和試點(diǎn)項(xiàng)目，探索加快產(chǎn)業(yè)化發(fā)展途徑。
1、主要國家戰(zhàn)略布局
美國早在1970年代就提出氫經(jīng)濟(jì)概念并推進(jìn)研發(fā)工作，2000年代初期出臺(tái)了一系列規(guī)劃文件，從戰(zhàn)略到戰(zhàn)術(shù)層面提出了到2040年實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)、形成以氫能為基礎(chǔ)的能源體系的目標(biāo)。美國能源部（DOE）于2016年提出“H2@Scale”重大研發(fā)計(jì)劃，持續(xù)資助氫能研發(fā)項(xiàng)目以解決氫能規(guī)模化應(yīng)用面臨的技術(shù)問題。2020年11月，DOE發(fā)布《氫能計(jì)劃發(fā)展規(guī)劃》，明確了氫能關(guān)鍵技術(shù)的近、中、長(zhǎng)期技術(shù)開發(fā)選項(xiàng)（圖5-1）。2021年，DOE推出了氫能攻關(guān)計(jì)劃，提出到2030年清潔氫成本降低80%的目標(biāo)。
圖5-1 DOE“氫能計(jì)劃”發(fā)展規(guī)劃中明確的氫能技術(shù)開發(fā)選項(xiàng)
歐盟將氫能和燃料電池作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高新技術(shù)，2004年就成立歐洲氫能和燃料電池技術(shù)平臺(tái)以規(guī)劃未來發(fā)展重點(diǎn)，2008年起啟動(dòng)“燃料電池與氫能聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃”（FCH-JU）及其二期計(jì)劃持續(xù)支持相關(guān)技術(shù)開發(fā)。2019年，歐盟提出了面向2050年氫能路線圖和面向2030年研發(fā)實(shí)施規(guī)劃（圖5-2），2020年提出氫能戰(zhàn)略推進(jìn)到2050年實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫技術(shù)的大規(guī)模部署。
圖5-2 歐盟氫能路線圖及研發(fā)實(shí)施規(guī)劃要點(diǎn)
日本大力構(gòu)建氫能社會(huì)以促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，提升能源自給率。2017年，日本發(fā)布《氫能基本戰(zhàn)略》提出到2050年實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)。2019年，日本更新氫能路線圖提出到2030年的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同年發(fā)布《氫能與燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》確定了優(yōu)先研發(fā)事項(xiàng)（圖5-3）。2021年6月，日本在《2050碳中和綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》中提出了氫能產(chǎn)業(yè)到2030和2050年的關(guān)鍵發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。
圖5-3 日本氫能路線圖和技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略要點(diǎn)
2、關(guān)鍵前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)
氫能與燃料電池領(lǐng)域主要涉及制氫、儲(chǔ)氫及燃料電池技術(shù)。目前大規(guī)模應(yīng)用的制氫技術(shù)以化石燃料制氫為主，存在碳排放問題；儲(chǔ)氫方式主要是高壓儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫效率不夠高；燃料電池以熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池為主，存在成本過高、穩(wěn)定性不足和壽命問題。綠色制氫技術(shù)、新型高效固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)及先進(jìn)燃料電池技術(shù)將是未來的研究熱點(diǎn)。
綠色制氫技術(shù)主要有可再生能源電解水制氫、生物質(zhì)制氫和光催化制氫等。其中，電解水制氫技術(shù)相對(duì)成熟，是當(dāng)前研究界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)。堿性電解制氫發(fā)展最為成熟，但其啟動(dòng)速度較慢且功率調(diào)節(jié)范圍較窄，難以適應(yīng)太陽能和風(fēng)能等可再生能源電力的波動(dòng)性。質(zhì)子交換膜電解制氫已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化導(dǎo)入階段，采用貴金屬催化劑阻礙了其大規(guī)模使用，主要研究重點(diǎn)在于開發(fā)活性高、耐久性好的低貴金屬載量或替代催化劑。固體氧化物電解制氫效率高，無需采用貴金屬，但過高的運(yùn)行溫度對(duì)材料耐用度和運(yùn)行持續(xù)時(shí)間造成了挑戰(zhàn)，研發(fā)重點(diǎn)集中在降低材料運(yùn)行溫度、提升材料耐用性等方面。生物質(zhì)制氫方面，盡管已有一些生物質(zhì)氣化示范工廠，但總體仍處于研發(fā)階段，受到工藝復(fù)雜以及缺乏大量低成本生物質(zhì)原料的限制。光催化制氫技術(shù)主要有光電化學(xué)池、光助絡(luò)合催化和半導(dǎo)體光催化等，研發(fā)關(guān)鍵在于開發(fā)高效、穩(wěn)定、寬光譜響應(yīng)的光催化劑，解決光生電子-空穴對(duì)快速結(jié)合、可見光吸收能力差、光催化活性低等問題。
儲(chǔ)氫技術(shù)可分為氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固體儲(chǔ)氫三大類。金屬有機(jī)框架材料（MOFs）儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫等方式具有儲(chǔ)氫密度大、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是有應(yīng)用前景的高效儲(chǔ)氫技術(shù)。MOFs具有產(chǎn)率高、結(jié)構(gòu)可調(diào)、功能多變等特點(diǎn)，研究熱點(diǎn)集中在孔隙率高、孔結(jié)構(gòu)可控、比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的儲(chǔ)氫MOFs材料。金屬氫化物儲(chǔ)氫已開發(fā)出多種體系，研究關(guān)鍵在于通過球磨、納米結(jié)構(gòu)、薄膜、摻雜金屬、使用催化劑和添加劑以及改變熱力學(xué)參數(shù)等手段，提高金屬氫化物的氫化和脫氫反應(yīng)速率。有機(jī)液體儲(chǔ)氫可用于大規(guī)模、遠(yuǎn)距離儲(chǔ)存和運(yùn)輸，研究聚焦于提高脫氫效率、降低脫氫溫度、優(yōu)化催化劑活性及降低成本等方面。
先進(jìn)燃料電池技術(shù)如質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）等，是目前最具商業(yè)前景的燃料電池類型。PEMFC研發(fā)重點(diǎn)聚焦于開發(fā)高溫非水運(yùn)行條件PEMFC以及開發(fā)非貴金屬催化劑，例如陰離子交換膜是應(yīng)用非貴金屬催化劑、降低燃料電池成本的可行方向。SOFC研究仍需進(jìn)一步降低工作溫度，同時(shí)提高電池的電化學(xué)性能，質(zhì)子陶瓷電解質(zhì)、鈣鈦礦納米復(fù)合電極材料等是有前景的方向。
3、我國發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策建議
我國對(duì)氫能的研發(fā)起步較晚，2016年發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》提出了氫能與燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的近、中、長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)和路線圖?？萍疾肯群髥?dòng)“新能源汽車”試點(diǎn)專項(xiàng)、“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)、“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)等重大研發(fā)項(xiàng)目，支持氫能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和試點(diǎn)示范。然而，我國缺乏專門針對(duì)氫能的頂層規(guī)劃，在氫能關(guān)鍵技術(shù)、工藝和材料上均存在短板，氫能使用成本仍然過高，限制了其規(guī)模化發(fā)展。具體建議包括：
（1）出臺(tái)氫能與燃料電池發(fā)展頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃，為氫能發(fā)展構(gòu)建宏觀路線圖，并完善相應(yīng)的政策環(huán)境。
（2）加大對(duì)氫能相關(guān)技術(shù)的研發(fā)投入，建設(shè)國家級(jí)科研平臺(tái)，推進(jìn)開展規(guī)模試驗(yàn)、數(shù)據(jù)收集、技術(shù)改進(jìn)、工程示范，積累基礎(chǔ)研究和示范經(jīng)驗(yàn)。
（3）在考慮能源系統(tǒng)整體規(guī)劃和區(qū)域布局的前提下，有序推進(jìn)儲(chǔ)運(yùn)氫、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
（4）在邊遠(yuǎn)地區(qū)、棄風(fēng)棄光嚴(yán)重地區(qū)、氫能資源豐富地區(qū)等建立清潔氫能源系統(tǒng)試點(diǎn)，為未來能源轉(zhuǎn)型提供先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。
本文摘選自《國際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2020》“第5章 氫能與燃料電池國際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析”。
