近日，位于德國萊茵河畔的兩座新加氫站的建造合同已經(jīng)簽訂。2019年建設完成后，每座加氫站每天能夠為多達20輛氫能客車提供總計500千克氫氣。此舉可顯著減少污染物排放。

人類過去百年的能源進化史，本質上就是碳氫比的調整史，氫含量不斷提高，能量密度也隨之不斷提高。氫氣基礎能量密度是汽油的3倍。因此，未來從碳能源轉向氫能源是大勢所趨，氫能源有望成為下一代基礎能源。

氫燃料電池在能量密度和快速充氫上具有優(yōu)勢，發(fā)展前景較好，但仍存在技術難題。中國石化經(jīng)濟技術研究院專家指出，目前的主要問題包括氫氣和電池（催化劑）生產成本高、儲氫材料量產及成本降低難以實現(xiàn)突破等。

從長遠看，包括氫燃料電池車在內的新能源汽車的關鍵技術終將實現(xiàn)質的突破，將從根本上改變目前以石油為基礎的交通能源格局。石化企業(yè)可在氫氣供應、加油加氣-充電-加氫一體化運營，以及汽車輕量化材料、高端化材料開發(fā)方面適時介入新能源汽車產業(yè)鏈，實現(xiàn)石化產業(yè)鏈的轉型與調整，培育新的利潤增長點。

未來能源的可能替代

“2016年，氫能與燃料電池被列為我國能源科技領域重點發(fā)展十五個領域之一，未來大有可為?！痹?月26日舉辦的中國國際氫能與燃料電池產業(yè)發(fā)展會上，中國機建工業(yè)聯(lián)合會副秘書長向輝對氫能與燃料電池的未來發(fā)展給予肯定。

迄今為止，人類歷史上已發(fā)生過兩次能源革命。第一次能源革命是煤炭取代木材成為主導能源，第二次能源革命是石油取代煤炭成為主導能源。盡管目前化石能源仍居于主導地位，但是考慮到化石能源資源的緊缺性日益凸顯，汽車排放造成的環(huán)境污染和石油資源枯竭正日益加劇，尋找清潔的替代能源是每一個國家必須解決的問題。

氫能可用于可再生能源（如太陽能、風能等）長距離傳遞能量，并大量貯存。氫氣來源廣泛，可以通過太陽能、風能、核能等分解水獲得；如果將其作為車載燃料，反應后只生成水，既能緩解環(huán)境污染，又能消除石油危機。

燃料電池完全不進行燃料燃燒，而是通過電化學反應直接將燃料的化學能轉化成電能，因此能量轉化效率可高達45%～60%，約是內燃機的兩倍，隨著技術的進步還可以更高。氫燃料電池汽車不排放硫化物、氮氧化物等有害氣體，也不產生溫室氣體二氧化碳。氫燃料電池汽車不存在純電動車充電時間長、續(xù)航里程短的弊病。

早在20世紀60年代，燃料電池就因其體積小、容量大的特點成功應用于航天領域。進入70年代后，隨著技術的不斷進步，氫燃料電池逐步被應用于發(fā)電和汽車。如今伴隨各類電子智能設備的崛起及新能源汽車的風靡，氫燃料電池主要應用于固定領域、運輸領域、便攜式領域等三大領域。

目前氫能源汽車的主流發(fā)展方向是氫燃料電池汽車。燃料電池直接將燃料的化學能轉化成電能，能量轉換效率高。相比純電動車搭載的動力鋰電池，氫燃料電池質量輕，補充能量的時間短，加氫只需35分鐘，續(xù)航里程長，大于600千米。

盡管氫燃料電池汽車有著眾多優(yōu)點，但它仍有許多問題尚未得到妥善解決，導致其至今無法占據(jù)主流市場。比如氫氣的制備和儲存難，氫燃料電池的壽命短、成本高，加氫站等基礎設施建設滯后等。

面對需求缺口中國欲“彎道超車”

近日，廣東省佛山順德區(qū)發(fā)展規(guī)劃和統(tǒng)計局在答復政協(xié)委員提案時透露，預計年內將有70臺氫燃料電池公交車投入順德區(qū)使用。目前順德正簡化規(guī)劃審批，加快新能源汽車充換電設施的建設。據(jù)了解，氫能源公交車加一次氫氣只需要5～10分鐘，一天只需加氫氣一次，能跑400公里。根據(jù)順德氫能公交車的投放計劃，其區(qū)內加氫站的建設已迫在眉睫。順德區(qū)計劃今年建成兩個加氫站，力爭3個。

從第一臺燃料電池車1966年問世，歷經(jīng)31年靜默期，美日和歐盟重新認識到，氫燃料電池除了特種特種的作用外，還能廣泛應用在能源互聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車等領域。于是2000年前后，燃料電池汽車的應用開始被發(fā)達國家所關注。在那之后，一些國家通過建立能源法案、能源戰(zhàn)略、技術路線圖等途徑，積極發(fā)展氫能源在內的清潔能源，嘗試以此減少對傳統(tǒng)一次能源的依賴。

從全球加氫站建設來看，國外加氫站設施建設更為完善，發(fā)展較為迅速。目前，大力發(fā)展燃料電池汽車加氫站的國家主要有美國、德國、日本，并制定了長期的發(fā)展規(guī)劃，其中日本成為世界上加氫站最多的國家。相比國外，我國加氫站發(fā)展較為滯后。據(jù)統(tǒng)計，全球目前建成的加氫站已經(jīng)超過了300座，但我國目前投入運營的加氫站僅為14座，與公共充電樁約全球50%的占比有很大的差距。

2014年，我國氫能源及其燃料電池汽車產業(yè)啟動建設。4年來，位于廣東省的佛山(云浮)產業(yè)轉移工業(yè)園已經(jīng)成為國內具有重要影響力的氫能產業(yè)的發(fā)展高地，28臺氫能大巴投入佛山、云浮兩市已經(jīng)運營兩年，各項指標超出預期，在已經(jīng)運營兩座加氫站的基礎上，2018年年底，佛山、云浮還要建設22座加氫站。

從各國氫能源產業(yè)規(guī)劃來看，多數(shù)國家是以氫燃料電池為突破口，逐步完善氫能源產業(yè)配套，并在2040～2050年實現(xiàn)氫能源社會。國際氫能委員會發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢調研報告》顯示，到2050年，氫能源需求將是目前的10倍，到2030年，全球燃料電池乘用車預計將達到1000萬至1500萬輛。在這一輪新“競賽”中，中國正摩拳擦掌準備“彎道超車”。

技術進步促成本下降

實現(xiàn)氫燃料電池車在世界范圍內的領先和“彎道超車”，仍需解決全產業(yè)鏈的多個難題，其中氫氣的制備、存儲技術首當其沖。

中國可再生能源協(xié)會專委會主任蔣利軍教授認為，氫能源的制作和儲運方面仍有許多需要攻克的問題。制氫方面，最常見的是采用風力發(fā)電或太陽能發(fā)電、電解水制氫。氫氣是密度最小的氣體，而且擴散能力很強，化學性質十分活潑，這些特點決定了氫氣很難以常規(guī)形式儲存。目前氫氣的儲存方式主要有三種：高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、固態(tài)吸氫材料儲存。高壓儲氫容器體積大，存在著泄漏和氫脆等安全隱患；液氫儲氫耗能大，液氫蒸發(fā)問題導致存在儲罐安全隱患；可逆金屬氫化物儲氫重量偏大。

我國氫氣運輸體系也尚不完善。氫氣輸送方式主要有氣氫輸送、液氫輸送等。氣氫輸送分為管道輸送、長管拖車和氫氣鋼瓶輸送。管道輸送一般用于輸送量大的場合，美國、加拿大及歐洲多個工業(yè)地區(qū)都有氫氣管道，目前氫氣管道總長度已經(jīng)超過1.6萬千米，法國和比利時之間建有世界最長的輸氫管道，長約400千米。長管拖車運輸距離不宜太遠，用于輸送量不大的場合；氫氣鋼瓶則用于輸送量小且用戶比較分散的場合。液氫輸送一般采用罐車和船，可進行長距離輸送。目前氫氣輸送網(wǎng)絡系統(tǒng)技術尚不成熟，不利于氫燃料電池技術大規(guī)模商用化應用。

此外，氫能和燃料電池的技術創(chuàng)新與產業(yè)發(fā)展，是典型的跨領域創(chuàng)新發(fā)展的過程。為了使氫燃料電池降低成本和提高耐久性，技術進步是降低氫燃料電池產業(yè)化成本的首要手段。攻克的目標主要指向膜電極組件和雙極板：現(xiàn)有的高分子質子交換膜生產工藝復雜，急需改進和優(yōu)化，比如降低催化劑中鉑含量，提高利用率。將金屬和石墨復合制成的復合雙極板性能優(yōu)良，且加工工藝相對簡單，材料成本也較低，可以重點發(fā)展用以替代脆性大的石墨雙極板。

成本的降低不僅依靠技術的進步，而且有賴于規(guī)模化生產。目前，我國生產的燃料電池組成本需10000美元/千瓦，日本生產的燃料電池組成本也需2000美元/千瓦，美國能源局經(jīng)過測算認為只有當燃料電池的成本降至50美元/千瓦時，才能與內燃機汽車相競爭。

基礎設施鋪設待提速

在氫能源汽車產業(yè)鏈上，加氫站是上游制氫運氫與下游燃料電池汽車應用的重要樞紐。完善加氫站的建設，有利于加快氫能源汽車的普及和技術研發(fā)進程。根據(jù)《全球加氫站統(tǒng)計報告》，截至2017年1月，全球有106座位于歐洲，101座位于亞洲，64座位于北美，兩座位于南美，1座位于澳大利亞。其中188座加氫站向公眾開放，占全球總加氫站的2/3。2016年全球新增92座加氫站，比2015年增加70%，創(chuàng)增長新高，其中日本新增45座，位列加氫站增長榜首；北美新增25座，其中20座位于美國加利福尼亞州；歐洲新增22座，其中6座位于德國。

根據(jù)全國氫能標準化技術委員會《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書》（2016），為氫燃料電池基礎設施建設設定了近期、中期及遠期目標。規(guī)定2020年在京津冀、長三角、珠三角、武漢等氫能與燃料電池產業(yè)發(fā)達地區(qū)率先實現(xiàn)氫能汽車及加氫站的規(guī)模化推廣應用，建成小規(guī)模的氫基礎設施網(wǎng)絡，加氫站總數(shù)達100座以上；固定式燃料發(fā)電達到20萬千瓦，燃料電池運輸車輛達到1萬輛。2030年，燃料電池車輛保有量達200萬輛，加氫站總數(shù)達1000座以上，初步形成與燃料電池車輛保有量相匹配的供氫網(wǎng)絡。2050年，加氫站服務區(qū)域覆蓋全國氫能產業(yè)發(fā)達地區(qū)，參照加油站分布狀況及要求，完成高速公路加氫站布局；燃料電池車輛保有量達到1000萬輛。

同濟大學汽車學院副教授呂洪指出，對氫能的認識和戰(zhàn)略定位至關重要。雖然我國已在國家戰(zhàn)略層面明確將氫能作為能源架構中的一個重要組成部分，并將燃料電池汽車定位為我國汽車行業(yè)發(fā)展的主流方向之一，但如果仍將氫氣歸屬于危險化學品而非能源，不僅地方政府對氫燃料電池汽車的發(fā)展將“敬而遠之”，而且難以在普通消費者群體中進行產品的推廣和普及。

專家指出，加氫站的建設必須由點及線、由線到面地進行布局。氫能源汽車通常優(yōu)先發(fā)展商用客車。加氫站早期的布置可以選取公交線路的起點和終點進行建造，然后在公交線路的沿途增設適當?shù)臄?shù)量，這是由點及線的過程。氫能源商用車促進加氫站網(wǎng)絡線的形成，氫能源乘用車加氫也會變得便捷起來。氫能源乘用車的能源補給服務得到完善，又會促進加氫站由線擴展到面，進而逐漸形成完整的區(qū)域化加氫網(wǎng)絡。加氫站的結構與加油站相差不大，可以通過適當?shù)氖侄螌⒓佑驼靖脑斐杉託湔尽?/p>

我國有世界上最龐大的汽車消費市場，對能源結構的轉型需求迫切，對氫燃料電池汽車的扶持政策十分優(yōu)越，且產業(yè)鏈也在加緊布局，這些條件都為氫能源汽車在中國的發(fā)展提供了最佳契機。

本文摘自：中國石化雜志第8期