中國儲能網(wǎng)訊：在門捷列夫的元素周期表中，排在第一位的元素是氫(H)，它無色無味，是自然界最為豐富的元素。
可多數(shù)人并不知道，氫還與人類的能源演進(jìn)息息相關(guān)，并被眾多科學(xué)家視為“21世紀(jì)的終極能源”。
從歷史上的三次能源革命來看，存在這樣一個規(guī)律：碳含量降低、氫含量上升。燃料中氫原子與碳原子數(shù)目的比例從固態(tài)的煤(1：1)，到液態(tài)的石油(1：2)，再到氣態(tài)的天然氣(1：4)，脫碳不斷加速、含氫越來越高，這已成為能源開發(fā)利用的自然規(guī)律和趨勢。
從現(xiàn)實應(yīng)對生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)來看，氫能作為零碳綠色的新能源，具有環(huán)保安全、能量密度大、轉(zhuǎn)化效率高、儲量豐富和適用范圍廣等特點，可實現(xiàn)從開發(fā)到利用全過程的零排放、零污染，是最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝娲履茉础?
對此，世界各國都將發(fā)展氫能提升到國家戰(zhàn)略層面，制定行動計劃、描繪路線圖、探索產(chǎn)業(yè)化路徑。
2011年12月，歐盟制訂了《2050能源技術(shù)路線圖》，將“安全、競爭力和脫碳”列為核心愿景，并將氫能和燃料電池作為未來影響能源系統(tǒng)變革的十大要素之一，提出優(yōu)先發(fā)展。
2014年5月，美國發(fā)布了《全面能源戰(zhàn)略》，將“發(fā)展低碳技術(shù)、為清潔能源奠基”作為放眼長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略支點，并明確提出，氫能作為替代性能源，在交通業(yè)轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用。
2016年4月，日本出臺了《面向2050能源環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略》，將氫能列入重點推進(jìn)的五大技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)研發(fā)先進(jìn)的制氫、儲氫和氫燃料的發(fā)電技術(shù)，擴(kuò)大使用范圍，構(gòu)建零排放的“氫能社會”。
2016年5月，國家發(fā)改委下發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030年)》，并同時發(fā)布了《能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖》，將“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”列為15項重點任務(wù)之一，提出“實現(xiàn)大規(guī)模、低成本氫氣的制取、存儲、運輸、應(yīng)用一體化”的戰(zhàn)略目標(biāo)。
2016年5月20日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》。綱要指出：“發(fā)展引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)，不斷催生新產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)造新就業(yè)。高度關(guān)注可能引起現(xiàn)有投資、人才、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、規(guī)則‘歸零’的顛覆性技術(shù)，前瞻布局新興產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)研發(fā)，力爭實現(xiàn)‘彎道超車’”。氫能、燃料電池等新一代能源科技就是這樣的技術(shù)，要大力發(fā)展。
2016年8月18日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，再次要求發(fā)展氫能、燃料電池這類“發(fā)展引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)”。
目前，氫燃料電池汽車是人們寄予希望邁入“氫能時代”的突破口和現(xiàn)實路徑，而中國也被國際公認(rèn)為最有可能率先實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的國家。因此，通用汽車、戴姆勒—克萊斯勒、杜邦、福特汽車等國際大公司都已開始在我國培育氫能市場，搶占先機(jī)。
國外氫能的快速發(fā)展，要求我國應(yīng)盡快按照已制定的氫能開發(fā)路線圖行動起來，一方面，加強(qiáng)國內(nèi)外氫能技術(shù)交流與合作，充分利用國內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果和資源，開發(fā)具有中國特色的氫能技術(shù)與裝備，另一方面，加強(qiáng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化探索，盡早推出市場認(rèn)可的量產(chǎn)車型。
有鑒于此，本期《能源評論》封面文章，邀請到中國工程院院士、燃料電池專家衣寶廉，國際氫能協(xié)會副主席、全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會主任毛宗強(qiáng)，諾貝爾和平獎共同獲得者、聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會特約科學(xué)家伍德羅?克拉克，3位在氫能和燃料電池研究領(lǐng)域的重量級專家，一同探討氫能及燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢，并為廣大讀者解答：在可預(yù)見的未來，氫能可否成為主力能源?相比于其他能源形式，氫能與燃料電池的優(yōu)勢在哪里?氫能與燃料電池的應(yīng)用場景有哪些，可以給消費者帶來何種便利?氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化路徑將在何方?
如何邁入氫能時代
《能源評論》：氫能被譽(yù)為21世紀(jì)的“終極能源”，與其他能源形式相比，它的優(yōu)點有哪些?
毛宗強(qiáng)：我對氫能有兩個定義。首先，它是一種和平能源。目前，世界上的化石能源是分布不均的，而人們?yōu)榱双@取更多的化石能源，頻頻發(fā)動戰(zhàn)爭。而氫氣作為一種二次能源，水是氫在地球上最大的源泉。水覆蓋地球表面的72%，取之不盡，用之不竭，如果能夠很好利用的話，將會為人類的和平搭起一座橋梁。其次，氫能還是一種自由能源。因為，氫氣的制取很方便，它不像開采石油和煤炭那樣，需要很多重型設(shè)備和尖端技術(shù)，這有利于廣大民營企業(yè)參與，不容易受到制約。
衣寶廉：隨著全球工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，化石燃料消耗量日益增加，對環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重，迫切需要尋找一種作為替代品的清潔燃料。而氫能，恰恰還是一種清潔能源。氫氣本身就來自于水，不管怎樣，最后仍變成水，所以整個生命周期不產(chǎn)生任何的二氧化碳，能夠有效地解決空氣污染等問題。
克拉克：人類邁入“氫能時代”，將從根源破解日趨嚴(yán)峻的氣候變化、生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)以及能源安全等問題，將會帶來安全穩(wěn)定清潔的能源供應(yīng)，帶來整個產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)體系的重建，以及更綠色、健康的人類居住環(huán)境。
《能源評論》：從現(xiàn)實應(yīng)用角度，氫能能給我們帶來哪些便利?又能夠促進(jìn)哪些能源變革?
克拉克：氫能就是以氫和其同位素為主體的反應(yīng)中釋放出來的能量，其用途主要有三個方向。一是，航空事業(yè)中需要氫能作為燃料。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫就被用作某些火箭發(fā)動機(jī)的液體推進(jìn)劑。二是，氫能還可以作為各種交通工具的燃料，比如民用汽車、火車、輪船，等等。早在上個世紀(jì)80年代左右，世界上便研發(fā)出了氫能汽車。由于使用氫能作為主要燃料，氫能汽車排放的尾氣主要成分是水蒸氣，因此它對環(huán)境的污染非常小，而且噪聲也比較低。三是，氫能進(jìn)入家庭，既可以當(dāng)作燃料使用，又可以通過氫燃料電池發(fā)電供家庭取暖、空調(diào)、冰箱和熱水器等使用，但目前還處于研發(fā)階段。
毛宗強(qiáng)：目前來看，氫能已經(jīng)實現(xiàn)的應(yīng)用場景之一就是氫燃料電池汽車，可以喻為汽車工業(yè)的又一次革命。其實氫燃料電池又可以看作是一個氫能的發(fā)電機(jī)，氫燃料電池是將氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。與鋰電池相比，最大的區(qū)別在于鋰電池是把能量儲存于電池中，而氫燃料電池是把氫氣和空氣儲存在電池外部，氫氣和空氣不斷地送進(jìn)燃料電池，電就被源源不斷地生產(chǎn)出來，氫燃料燃燒后只排出水，而不產(chǎn)生其他的氮氧化物。和鋰電池汽車相比，氫燃料電池汽車的優(yōu)點是補(bǔ)充燃料很快，以豐田“未來”燃料電池汽車為例，3分鐘就可充滿氫氣，充氣一次可行駛650公里。與汽油、柴油內(nèi)燃機(jī)汽車相比，氫燃料電池車的噪聲很小且完全不排放溫室氣體。因此，氫燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車和鋰電池汽車相比，在性能、速度、補(bǔ)充燃料時間和清潔性上都具有明顯優(yōu)勢。
《能源評論》：氫燃料電池汽車目前在研究和產(chǎn)業(yè)化方面現(xiàn)狀如何，何時能進(jìn)入百姓家?
衣寶廉：從過去到現(xiàn)在，全球氫燃料電池汽車走了三個階段。第一階段，設(shè)想的很樂觀，但燃料電池應(yīng)用于汽車上之后，受汽車工況影響，性能衰減很快。第二階段，主要解決燃料電池的可靠性、耐久性問題。因為工況比較復(fù)雜，這一階段經(jīng)歷了七八年時間，基本上解決了這些問題，燃料電池壽命也達(dá)到了要求?，F(xiàn)在進(jìn)入了第三階段，主要是進(jìn)一步降低成本和鉑(Pt)用量，同時加快加氫站的建設(shè)，實現(xiàn)燃料電池汽車的商業(yè)化。
氫燃料電池汽車的門檻比較高，為了攻克燃料電池產(chǎn)業(yè)化的問題，國際上形成了三大聯(lián)盟，共同解決這些技術(shù)問題。2015年豐田的“未來”燃料電池汽車已經(jīng)宣布實現(xiàn)了商業(yè)化，訂貨已經(jīng)接近1500輛。同時，豐田為了促進(jìn)氫燃料電池汽車在全世界盡快商業(yè)化，宣布兩個重大措施，一個是專利公開，再一個是產(chǎn)品關(guān)鍵材料和部件可以向世界其他廠家出售。特別是后一件事情，對其他國家燃料電池盡快實現(xiàn)商業(yè)化的作用很大。
克拉克：美國在氫能源應(yīng)用上發(fā)展很快，特別是加州氫燃料電池車的發(fā)展是全美最好的。用戶在加氫站只需要3分鐘就可以充滿氣罐，汽車可以行駛700公里，時速最高可達(dá)180公里。在加州，用戶通常以租賃的形式使用氫燃料電池車。以豐田燃料電池車為例，其租賃價格為500美元/月，這其中還包括燃料和維修費用。如果要買一輛新車則需要約5.7萬美元(無補(bǔ)貼)，美國政府還可退稅1.4萬美元，汽車經(jīng)銷商提供3年的燃料費。所以目前階段加氫都是免費的。加州計劃到2018年實現(xiàn)氫燃料電池車保有量達(dá)1萬輛，到2020年突破2萬輛。加州目前有10座向公眾開放的加氫站，加州政府的支持力度很大，預(yù)計到2016年底要完成50座新站建設(shè)，這種支持不僅體現(xiàn)在資金上，還涉及土地使用、能源安全等問題的指導(dǎo)意見。未來新建的加氫站都會與加油站、加天然氣站“捆綁”在一起。
毛宗強(qiáng)：從產(chǎn)業(yè)化角度講，氫燃料電池汽車已經(jīng)開始進(jìn)入市場。2014年12月豐田宣布其“未來”燃料電池轎車進(jìn)入市場，補(bǔ)貼前售價為5.75萬美元。2016年3月本田汽車公司也宣布其氫燃料電池轎車進(jìn)入市場，補(bǔ)貼前售價為6萬美元。目前，國際各大汽車廠商都將2020年看作氫燃料電池汽車市場啟動年，屆時將大規(guī)模量產(chǎn)?？梢灶A(yù)見，在2020年左右，世界將進(jìn)入氫燃料電池汽車的時代。
氫能世界的中國元素
《能源評論》：既然氫能社會這么美好，我國的氫能發(fā)展現(xiàn)狀如何?處于世界什么水平?
毛宗強(qiáng)：我國氫氣產(chǎn)量位居全球第一，2012年氫氣產(chǎn)量達(dá)到1600萬噸。然而，我國在氫燃料電池技術(shù)方面可以說是“起了個大早，趕了個晚集”。我國研究這一技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，1990年開始發(fā)展起來，當(dāng)時的質(zhì)子交換膜燃料電池水平可與歐美相比。目前，我國已經(jīng)具備生產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池所需全部材料及零部件的能力，有數(shù)家公司可以制作適合車用的數(shù)十千瓦級質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，不過其壽命和可靠性還有待提高。國產(chǎn)氫燃料電池電站還沒有進(jìn)入市場，氫燃料電池備用電源也僅有零星的示范。與國際相比，我國差距還很大。
《能源評論》：那么氫燃料電池汽車方面，我國的技術(shù)水平也與國外有很大差距嗎?
毛宗強(qiáng)：在氫燃料電池車方面，我國開發(fā)氫燃料電池汽車也較早。1999年，清華大學(xué)就研制出中國第一輛氫燃料電池汽車，然而，自2008年起，我國將新能源車的重點放在了純電池的電動車上，結(jié)果氫燃料電池車的水平不進(jìn)反退。目前，我國氫燃料電池轎車已落后于國際水平，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氫燃料電池轎車起步晚于我國的韓國;車企的氫燃料電池技術(shù)已落后于歐盟、美國和日本的車企，特別是在電池壽命與成本上存在極大的差距。
衣寶廉：在氫燃料電池汽車領(lǐng)域，我國從“九五”期間就做了準(zhǔn)備工作，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到“十三五”，這期間我國自主研發(fā)的氫燃料電池汽車參加了北京奧運會、新加坡世青賽、美國加州示范和上海世博會等，200多輛車參加了示范運營，累計運行里程超過十萬公里。就目前來看，國內(nèi)產(chǎn)品性能接近國際水平，但在成本、耐久性等領(lǐng)域還有明顯差距。
克拉克：21世紀(jì)初，我親眼見識到并駕駛了第一輛氫燃料電池汽車，由戴姆勒發(fā)明、測試，并在幾年后隨加氫站一同進(jìn)入歐盟十個城市。經(jīng)歷10多年研發(fā)積累和技術(shù)攻關(guān)后，氫燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟、產(chǎn)業(yè)政策日趨明朗、市場前景非常廣闊，步入了產(chǎn)業(yè)化提速發(fā)展階段，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略機(jī)遇期將在今后2年左右提前到來。近年來，日本的豐田、本田、日產(chǎn)，韓國現(xiàn)代等已經(jīng)成功推出氫燃料電池汽車量產(chǎn)車型，德國的奔馳、寶馬和美國通用也宣布了氫燃料電池汽車正式量產(chǎn)計劃，未來的1至2年市場將至少新增17款氫燃料電池汽車。
《能源評論》：目前，制約中國氫燃料電池汽車進(jìn)入商業(yè)化的障礙有哪些?
衣寶廉：從國際上來看，氫燃料電池汽車正在進(jìn)入商業(yè)化導(dǎo)入期。就我國而言，主要技術(shù)問題已經(jīng)基本解決，限制其大規(guī)模商業(yè)化的有兩件事，一個是加氫站的建設(shè)，另一個是進(jìn)一步提高燃料電池的可靠性和耐久性。
同時降低鉑用量也是關(guān)鍵突破點。使鉑的用量能跟汽車尾氣凈化器的貴金屬用量差不多，這樣才能實現(xiàn)全面商業(yè)化。降低成本的重點是生產(chǎn)線的建立，現(xiàn)在燃料電池汽車還不能像燃油車那樣一分鐘一輛在生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)，所以生產(chǎn)線(包括整車和各個關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)線)的建立還是很艱巨的一個任務(wù)。
毛宗強(qiáng)：沒錯，目前制約我國氫燃料電池汽車應(yīng)用的最大障礙是缺乏氫氣加注站。建造加氫站是氫燃料電池汽車發(fā)展的關(guān)鍵，目前各國都在加速建造加氫站。截至2013年年底，投入使用的全球加氫站總數(shù)已達(dá)到208座，計劃再建造127座，加氫站的建設(shè)正逐步走向網(wǎng)絡(luò)化。而我國目前在北京，上海、鄭州、大連各建成1座加氫站，佛山，如皋，都有在建設(shè)中的多座加氫站。不少城市，如武漢、鹽城都已經(jīng)規(guī)劃了加氫站。
克拉克：在技術(shù)方面，國外氫燃料電池乘用車必須能保障5000個工作小時，按美國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)每小時至少行駛約48公里，商用車(巴士)則要保障1.8萬個工作小時，目前，有的燃料電池商用車已經(jīng)超過2萬個工作小時。而據(jù)我了解，中國產(chǎn)氫燃料電池乘用車工作時限僅有2000個小時左右，之后必須更換電池，這往往意味著要換新車。
《能源評論》：對于我國氫燃料電池汽車的發(fā)展，有什么建議?需要政府、企業(yè)做什么?
克拉克：據(jù)綠色技術(shù)研究所的一份報告顯示，到2020年，氫能產(chǎn)業(yè)的全球市值將達(dá)到1000億美元，2030年將是4000億美元，而到2050年則為近1.6萬億美元。
對于中國氫燃料電池汽車的發(fā)展，首先要有頂層設(shè)計。日本在2014年發(fā)布了《氫能源白皮書》，從國家層面推動氫的運用以及對燃料電池汽車的普及進(jìn)行規(guī)劃，包括在2015年圍繞四大商圈建設(shè)100座氫能源補(bǔ)給站、2020年前后實現(xiàn)氫能源汽車燃料耗費價格與混合動力汽車基本齊平等。由于有政府層面的總體規(guī)劃，日本工業(yè)界、科研界等全社會的力量積極參與進(jìn)來。
其次，企業(yè)要發(fā)揮主體作用，推動商業(yè)化進(jìn)程。以豐田為例，其把燃料電池汽車視為發(fā)展的新方向，全力以赴地推進(jìn)商業(yè)化。而中國一直是高校等科研單位在推進(jìn)，大企業(yè)作為主體一直處于缺失狀態(tài)，已經(jīng)參與的企業(yè)也猶豫不決。
毛宗強(qiáng)：現(xiàn)在國外的氫燃料電池車是以乘用車為發(fā)展主流，然而這種發(fā)展模式并不適合我國目前的實際情況。中國更適合開發(fā)氫燃料電池商用車，也就是氫燃料電池公共汽車、大客車、物流車和特種車輛，一方面是技術(shù)門檻相對較低，另一方面公共交通的平均成本低，還能起到良好的社會推廣效果。
早在2004年，我國就有國產(chǎn)氫燃料電池大巴，2005年聯(lián)合國計劃開發(fā)署和全球環(huán)境基金和科技部在北京實施“發(fā)展中國家燃料電池大巴示范項目”，2008年奧運會期間投用了3輛燃料電池大巴示范車，2010年上海世博會又出現(xiàn)了6輛燃料電池大巴示范車。今年，聯(lián)合國計劃開發(fā)署和全球環(huán)境基金和科技部燃料電池大把示范項目第三期已經(jīng)開始。參加城市為北京，上海，鄭州，佛山和鹽城。將有109輛燃料電池大把投入示范。佛山已經(jīng)生產(chǎn)出國產(chǎn)燃料電池大巴，2016年9月12輛燃料電池大巴將在佛山正式投入公交運行。
要讓氫燃料電池車完全替代現(xiàn)有車型，實現(xiàn)利用氫能的“深綠”階段，目前來看為時尚早。我們可以先發(fā)展輕軌、氫燃料電池大巴、氫燃料電池物流車等專用車輛，在發(fā)展的過程中，逐漸完善加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，待產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定階段，再來發(fā)展燃料電池乘用車。
衣寶廉：關(guān)于發(fā)展氫燃料電池汽車，我有5個建議：一是，我國燃料電池用的各種關(guān)鍵材料和零部件，測試性能和實用性能都達(dá)到了國際水平，但是現(xiàn)在還不能實現(xiàn)商業(yè)化，原因就是沒有建立批量生產(chǎn)線。這需要企業(yè)家投入，建立關(guān)鍵材料和關(guān)鍵部件小批量生產(chǎn)線，使關(guān)鍵材料的供給立足于國內(nèi)。
二是，國內(nèi)原來研究電堆主要注重提高電堆的重量比功率、體積比功率，現(xiàn)在我認(rèn)為，重點應(yīng)該轉(zhuǎn)向提高電堆的可靠性和耐久性，因為它是燃料電池發(fā)動機(jī)可靠性和耐久性的基礎(chǔ)。
三是，要把如何減少燃料電池在車用工況下衰減的基礎(chǔ)研究成果，與燃料電池發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合起來，把這些過程通過控制程序和零部件在整車上實現(xiàn)，這樣使燃料電池發(fā)動機(jī)在整車上整個系統(tǒng)壽命能夠達(dá)到5000至10000小時。
四是，除關(guān)鍵材料外，中國還有幾個關(guān)鍵部件(如空壓機(jī))暫時可以外購，但從長遠(yuǎn)角度看，要進(jìn)行深入研究，實現(xiàn)國產(chǎn)化。
最后，國家要對催化劑和電極進(jìn)行深入的研究，能夠做到鉑用量轎車在5克左右、大巴車在10克左右，最終實現(xiàn)0.1gPt/kW目標(biāo)。
(本文由本刊記者于濤、王偉、彭慧文共同執(zhí)筆)
