中國儲能網(wǎng)訊：氫是清潔、高效、零碳的能源載體，已被公認為是未來技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競爭新的制高點之一。氫作為能源轉(zhuǎn)化交聯(lián)的媒介，有助于實現(xiàn)一次能源側(cè)的多能互補以及二次能源側(cè)的多能源高效轉(zhuǎn)化和供需互動，尤其能夠通過可再生能源電力制氫實現(xiàn)波動性可再生能源的時空轉(zhuǎn)移，促進可再生能源的大規(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，加快實現(xiàn)能源體系中多能源融合互補的新形態(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)和試點項目，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)濟概念并推進研發(fā)工作，2000年代初期出臺了一系列規(guī)劃文件，從戰(zhàn)略到戰(zhàn)術(shù)層面提出了到2040年實現(xiàn)氫經(jīng)濟、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)計劃，持續(xù)資助氫能研發(fā)項目以解決氫能規(guī)?；瘧?yīng)用面臨的技術(shù)問題。2020年11月，DOE發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》，明確了氫能關(guān)鍵技術(shù)的近、中、長期技術(shù)開發(fā)選項（圖5-1）。2021年，DOE推出了氫能攻關(guān)計劃，提出到2030年清潔氫成本降低80%的目標(biāo)。
圖5-1 DOE“氫能計劃”發(fā)展規(guī)劃中明確的氫能技術(shù)開發(fā)選項
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)平臺以規(guī)劃未來發(fā)展重點，2008年起啟動“燃料電池與氫能聯(lián)合行動計劃”（FCH-JU）及其二期計劃持續(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)實施規(guī)劃（圖5-2），2020年提出氫能戰(zhàn)略推進到2050年實現(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)實施規(guī)劃要點
日本大力構(gòu)建氫能社會以促進能源結(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年實現(xiàn)氫能社會。2019年，日本更新氫能路線圖提出到2030年的技術(shù)和經(jīng)濟指標(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（圖5-3）。2021年6月，日本在《2050碳中和綠色增長戰(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
2、關(guān)鍵前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢
氫能與燃料電池領(lǐng)域主要涉及制氫、儲氫及燃料電池技術(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；儲氫方式主要是高壓儲氫和低溫液態(tài)儲氫，儲氫效率不夠高；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)儲氫技術(shù)及先進燃料電池技術(shù)將是未來的研究熱點。
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)相對成熟，是當(dāng)前研究界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點技術(shù)。堿性電解制氫發(fā)展最為成熟，但其啟動速度較慢且功率調(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性。質(zhì)子交換膜電解制氫已經(jīng)進入商業(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，但過高的運行溫度對材料耐用度和運行持續(xù)時間造成了挑戰(zhàn)，研發(fā)重點集中在降低材料運行溫度、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-空穴對快速結(jié)合、可見光吸收能力差、光催化活性低等問題。
儲氫技術(shù)可分為氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固體儲氫三大類。金屬有機框架材料（MOFs）儲氫、金屬氫化物儲氫和有機液體儲氫等方式具有儲氫密度大、安全環(huán)保等優(yōu)點，是有應(yīng)用前景的高效儲氫技術(shù)。MOFs具有產(chǎn)率高、結(jié)構(gòu)可調(diào)、功能多變等特點，研究熱點集中在孔隙率高、孔結(jié)構(gòu)可控、比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的儲氫MOFs材料。金屬氫化物儲氫已開發(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。有機液體儲氫可用于大規(guī)模、遠距離儲存和運輸，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)重點聚焦于開發(fā)高溫非水運行條件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研究仍需進一步降低工作溫度，同時提高電池的電化學(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)狀及對策建議
我國對氫能的研發(fā)起步較晚，2016年發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》提出了氫能與燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的近、中、長期發(fā)展目標(biāo)和路線圖?？萍疾肯群髥印靶履茉雌嚒痹圏c專項、“可再生能源與氫能技術(shù)”重點專項、“氫能技術(shù)”重點專項等重大研發(fā)項目，支持氫能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和試點示范。然而，我國缺乏專門針對氫能的頂層規(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)?；l(fā)展。具體建議包括：
（1）出臺氫能與燃料電池發(fā)展頂層設(shè)計規(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）加大對氫能相關(guān)技術(shù)的研發(fā)投入，建設(shè)國家級科研平臺，推進開展規(guī)模試驗、數(shù)據(jù)收集、技術(shù)改進、工程示范，積累基礎(chǔ)研究和示范經(jīng)驗。
（3）在考慮能源系統(tǒng)整體規(guī)劃和區(qū)域布局的前提下，有序推進儲運氫、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
（4）在邊遠地區(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，為未來能源轉(zhuǎn)型提供先進經(jīng)驗。
本文摘選自《國際科學(xué)技術(shù)前沿報告2020》“第5章 氫能與燃料電池國際發(fā)展態(tài)勢分析”。
