氫能：第一元素

　　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。

　　可多數人并不知道，氫還與人類的能源演進息息相關，并被眾多科學家視為“21世紀的終極能源”。

　　從歷史上的三次能源革命來看，存在這樣一個規律：碳含量降低、氫含量上升。燃料中氫原子與碳原子數目的比例從固態的煤（1：1），到液態的石油（1：2），再到氣態的天然氣（1：4），脫碳不斷加速、含氫越來越高，這已成為能源開發利用的自然規律和趨勢。

　　從現實應對生態環境挑戰來看，氫能作為零碳綠色的新能源，具有環保安全、能量密度大、轉化效率高、儲量豐富和適用范圍廣等特點，可實現從開發到利用全過程的零排放、零污染，是最具發展潛力的高效替代新能源。

　　對此，世界各國都將發展氫能提升到國家戰略層面，制定行動計劃、描繪路線圖、探索產業化路徑。

　　2011年12月，歐盟制訂了《2050能源技術路線圖》，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變革的十大要素之一，提出優先發展。

　　2014年5月，美國發布了《全面能源戰略》，將“發展低碳技術、為清潔能源奠基”作為放眼長遠的戰略支點，并明確提出，氫能作為替代性能源，在交通業轉型中的引領作用。

　　2016年4月，日本出臺了《面向2050能源環境創新戰略》，將氫能列入重點推進的五大技術創新領域，強調研發先進的制氫、儲氫和氫燃料的發電技術，擴大使用范圍，構建零排放的“氫能社會”。

　　2016年5月，國家發改委下發了《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，并同時發布了《能源技術革命重點創新行動路線圖》，將“氫能與燃料電池技術創新”列為15項重點任務之一，提出“實現大規模、低成本氫氣的制取、存儲、運輸、應用一體化”的戰略目標。

　　2016年5月20日，中共中央、國務院印發《國家創新驅動發展戰略綱要》。綱要指出：“發展引領產業變革的顛覆性技術，不斷催生新產業、創造新就業。高度關注可能引起現有投資、人才、技術、產業、規則‘歸零’的顛覆性技術，前瞻布局新興產業前沿技術研發，力爭實現‘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，要大力發展。

　　2016年8月18日，中共中央、國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》，再次要求發展氫能、燃料電池這類“發展引領產業變革的顛覆性技術”。

　　目前，氫燃料電池汽車是人們寄予希望邁入“氫能時代”的突破口和現實路徑，而中國也被國際公認為最有可能率先實現其產業化的國家。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。

　　國外氫能的快速發展，要求我國應盡快按照已制定的氫能開發路線圖行動起來，一方面，加強國內外氫能技術交流與合作，充分利用國內外現有的研究成果和資源，開發具有中國特色的氫能技術與裝備，另一方面，加強氫燃料電池汽車產業化探索，盡早推出市場認可的量產車型。

　　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，國際氫能協會副主席、全國氫能標準化技術委員會主任毛宗強，諾貝爾和平獎共同獲得者、聯合國政府間氣候變化專門委員會特約科學家伍德羅•克拉克，3位在氫能和燃料電池研究領域的重量級專家，一同探討氫能及燃料電池技術發展現狀與未來趨勢，并為廣大讀者解答：在可預見的未來，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勢在哪里？氫能與燃料電池的應用場景有哪些，可以給消費者帶來何種便利？氫燃料電池汽車的產業化路徑將在何方？

 

如何邁入氫能時代

　　《能源評論》：氫能被譽為21世紀的“終極能源”，與其他能源形式相比，它的優點有哪些？

　　毛宗強：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，而人們為了獲取更多的化石能源，頻頻發動戰爭。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，需要很多重型設備和尖端技術，這有利于廣大民營企業參與，不容易受到制約。

　　衣寶廉：隨著全球工業化進程不斷加快，化石燃料消耗量日益增加，對環境造成的污染越來越嚴重，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峻的氣候變化、生態環境挑戰以及能源安全等問題，將會帶來安全穩定清潔的能源供應，帶來整個產業和經濟體系的重建，以及更綠色、健康的人類居住環境。

　　《能源評論》：從現實應用角度，氫能能給我們帶來哪些便利？又能夠促進哪些能源變革？

　　克拉克：氫能就是以氫和其同位素為主體的反應中釋放出來的能量，其用途主要有三個方向。一是，航空事業中需要氫能作為燃料。早在第二次世界大戰期間，氫就被用作某些火箭發動機的液體推進劑。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80年代左右，世界上便研發出了氫能汽車。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，因此它對環境的污染非常小，而且噪聲也比較低。三是，氫能進入家庭，既可以當作燃料使用，又可以通過氫燃料電池發電供家庭取暖、空調、冰箱和熱水器等使用，但目前還處于研發階段。

　　毛宗強：目前來看，氫能已經實現的應用場景之一就是氫燃料電池汽車，可以喻為汽車工業的又一次革命。其實氫燃料電池又可以看作是一個氫能的發電機，氫燃料電池是將氫氣的化學能直接轉化為電能的發電裝置。與鋰電池相比，最大的區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燃料電池，電就被源源不斷地生產出來，氫燃料燃燒后只排出水，而不產生其他的氮氧化物。和鋰電池汽車相比，氫燃料電池汽車的優點是補充燃料很快，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、柴油內燃機汽車相比，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汽車和鋰電池汽車相比，在性能、速度、補充燃料時間和清潔性上都具有明顯優勢。

　　《能源評論》：氫燃料電池汽車目前在研究和產業化方面現狀如何，何時能進入百姓家？

　　衣寶廉：從過去到現在，全球氫燃料電池汽車走了三個階段。第一階段，設想的很樂觀，但燃料電池應用于汽車上之后，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。因為工況比較復雜，這一階段經歷了七八年時間，基本上解決了這些問題，燃料電池壽命也達到了要求。現在進入了第三階段，主要是進一步降低成本和鉑(Pt)用量，同時加快加氫站的建設，實現燃料電池汽車的商業化。

　　氫燃料電池汽車的門檻比較高，為了攻克燃料電池產業化的問題，國際上形成了三大聯盟，共同解決這些技術問題。2015年豐田的“未來”燃料電池汽車已經宣布實現了商業化，訂貨已經接近1500輛。同時，豐田為了促進氫燃料電池汽車在全世界盡快商業化，宣布兩個重大措施，一個是專利公開，再一個是產品關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商業化的作用很大。

　　克拉克：美國在氫能源應用上發展很快，特別是加州氫燃料電池車的發展是全美最好的。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（無補貼），美國政府還可退稅1.4萬美元，汽車經銷商提供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年實現氫燃料電池車保有量達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，預計到2016年底要完成50座新站建設，這種支持不僅體現在資金上，還涉及土地使用、能源安全等問題的指導意見。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：從產業化角度講，氫燃料電池汽車已經開始進入市場。2014年12月豐田宣布其“未來”燃料電池轎車進入市場，補貼前售價為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入市場，補貼前售價為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，屆時將大規模量產。可以預見，在2020年左右，世界將進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，我國的氫能發展現狀如何？處于世界什么水平？

　　毛宗強：我國氫氣產量位居全球第一，2012年氫氣產量達到1600萬噸。然而，我國在氫燃料電池技術方面可以說是“起了個大早，趕了個晚集”。我國研究這一技術始于20世紀70年代，1990年開始發展起來，當時的質子交換膜燃料電池水平可與歐美相比。目前，我國已經具備生產質子交換膜燃料電池所需全部材料及零部件的能力，有數家公司可以制作適合車用的數十千瓦級質子交換膜燃料電池系統，不過其壽命和可靠性還有待提高。國產氫燃料電池電站還沒有進入市場，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，我國的技術水平也與國外有很大差距嗎？

　　毛宗強：在氫燃料電池車方面，我國開發氫燃料電池汽車也較早。1999年，清華大學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，結果氫燃料電池車的水平不進反退。目前，我國氫燃料電池轎車已落后于國際水平，也遠遠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域，我國從“九五”期間就做了準備工作，現在已經發展到“十三五”，這期間我國自主研發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，國內產品性能接近國際水平，但在成本、耐久性等領域還有明顯差距。

　　克拉克：21世紀初，我親眼見識到并駕駛了第一輛氫燃料電池汽車，由戴姆勒發明、測試，并在幾年后隨加氫站一同進入歐盟十個城市。經歷10多年研發積累和技術攻關后，氫燃料電池汽車關鍵技術已經成熟、產業政策日趨明朗、市場前景非常廣闊，步入了產業化提速發展階段，氫燃料電池汽車產業發展的關鍵戰略機遇期將在今后2年左右提前到來。近年來，日本的豐田、本田、日產，韓國現代等已經成功推出氫燃料電池汽車量產車型，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入商業化的障礙有哪些？

　　衣寶廉：從國際上來看，氫燃料電池汽車正在進入商業化導入期。就我國而言，主要技術問題已經基本解決，限制其大規模商業化的有兩件事，一個是加氫站的建設，另一個是進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，這樣才能實現全面商業化。降低成本的重點是生產線的建立，現在燃料電池汽車還不能像燃油車那樣一分鐘一輛在生產線上進行生產，所以生產線（包括整車和各個關鍵零部件的生產線）的建立還是很艱巨的一個任務。

　　毛宗強：沒錯，目前制約我國氫燃料電池汽車應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展的關鍵，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已達到208座，計劃再建造127座，加氫站的建設正逐步走向網絡化。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，都有在建設中的多座加氫站。不少城市，如武漢、鹽城都已經規劃了加氫站。

　　克拉克：在技術方面，國外氫燃料電池乘用車必須能保障5000個工作小時，按美國行業標準每小時至少行駛約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超過2萬個工作小時。而據我了解，中國產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展，有什么建議？需要政府、企業做什么？

　　克拉克：據綠色技術研究所的一份報告顯示，到2020年，氫能產業的全球市值將達到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展，首先要有頂層設計。日本在2014年發布了《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行規劃，包括在2015年圍繞四大商圈建設100座氫能源補給站、2020年前后實現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劃，日本工業界、科研界等全社會的力量積極參與進來。

　　其次，企業要發揮主體作用，推動商業化進程。以豐田為例，其把燃料電池汽車視為發展的新方向，全力以赴地推進商業化。而中國一直是高校等科研單位在推進，大企業作為主體一直處于缺失狀態，已經參與的企業也猶豫不決。

　　毛宗強：現在國外的氫燃料電池車是以乘用車為發展主流，然而這種發展模式并不適合我國目前的實際情況。中國更適合開發氫燃料電池商用車，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，我國就有國產氫燃料電池大巴，2005年聯合國計劃開發署和全球環境基金和科技部在北京實施“發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了6輛燃料電池大巴示范車。今年，聯合國計劃開發署和全球環境基金和科技部燃料電池大把示范項目第三期已經開始。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。佛山已經生產出國產燃料電池大巴，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有車型，實現利用氫能的“深綠”階段，目前來看為時尚早。我們可以先發展輕軌、氫燃料電池大巴、氫燃料電池物流車等專用車輛，在發展的過程中，逐漸完善加氫站等基礎設施，待產業發展到一定階段，再來發展燃料電池乘用車。

　　衣寶廉：關于發展氫燃料電池汽車，我有5個建議：一是，我國燃料電池用的各種關鍵材料和零部件，測試性能和實用性能都達到了國際水平，但是現在還不能實現商業化，原因就是沒有建立批量生產線。這需要企業家投入，建立關鍵材料和關鍵部件小批量生產線，使關鍵材料的供給立足于國內。

　　二是，國內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，現在我認為，重點應該轉向提高電堆的可靠性和耐久性，因為它是燃料電池發動機可靠性和耐久性的基礎。

　　三是，要把如何減少燃料電池在車用工況下衰減的基礎研究成果，與燃料電池發動機生產企業聯合起來，把這些過程通過控制程序和零部件在整車上實現，這樣使燃料電池發動機在整車上整個系統壽命能夠達到5000至10000小時。

　　四是，除關鍵材料外，中國還有幾個關鍵部件（如空壓機）暫時可以外購，但從長遠角度看，要進行深入研究，實現國產化。

　　最后，國家要對催化劑和電極進行深入的研究，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0.1gPt/kW目標。

　　（本文由本刊記者于濤、王偉、彭慧文共同執筆）