中國儲能網訊：氫是清潔、高效、零碳的能源載體，已被公認為是未來技術、產業(yè)競爭新的制高點之一。氫作為能源轉化交聯的媒介，有助于實現一次能源側的多能互補以及二次能源側的多能源高效轉化和供需互動，尤其能夠通過可再生能源電力制氫實現波動性可再生能源的時空轉移，促進可再生能源的大規(guī)模并網。燃料電池作為其最成熟的應用方式，能夠促進交通、工業(yè)、建筑等領域的電氣化，其與氫氣的結合能夠提升能源系統(tǒng)靈活性，加快實現能源體系中多能源融合互補的新形態(tài)，在構建現代能源體系中發(fā)揮關鍵作用。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、路線圖以及相關扶持政策，并開展技術研發(fā)和試點項目，探索加快產業(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)術層面提出了到2040年實現氫經濟、形成以氫能為基礎的能源體系的目標。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)模化應用面臨的技術問題。2020年11月，DOE發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》，明確了氫能關鍵技術的近、中、長期技術開發(fā)選項（圖5-1）。2021年，DOE推出了氫能攻關計劃，提出到2030年清潔氫成本降低80%的目標。
圖5-1 DOE“氫能計劃”發(fā)展規(guī)劃中明確的氫能技術開發(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，2004年就成立歐洲氫能和燃料電池技術平臺以規(guī)劃未來發(fā)展重點，2008年起啟動“燃料電池與氫能聯合行動計劃”（FCH-JU）及其二期計劃持續(xù)支持相關技術開發(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年實現可再生能源制氫技術的大規(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
日本大力構建氫能社會以促進能源結構轉型，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年實現氫能社會。2019年，日本更新氫能路線圖提出到2030年的技術和經濟指標，同年發(fā)布《氫能與燃料電池技術開發(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》中提出了氫能產業(yè)到2030和2050年的關鍵發(fā)展目標和重點任務。
圖5-3 日本氫能路線圖和技術開發(fā)戰(zhàn)略要點
2、關鍵前沿技術及發(fā)展趨勢
氫能與燃料電池領域主要涉及制氫、儲氫及燃料電池技術。目前大規(guī)模應用的制氫技術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、新型高效固態(tài)儲氫技術及先進燃料電池技術將是未來的研究熱點。
綠色制氫技術主要有可再生能源電解水制氫、生物質制氫和光催化制氫等。其中，電解水制氫技術相對成熟，是當前研究界和產業(yè)界關注的重點技術。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節(jié)范圍較窄，難以適應太陽能和風能等可再生能源電力的波動性。質子交換膜電解制氫已經進入商業(yè)化導入階段，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。生物質制氫方面，盡管已有一些生物質氣化示范工廠，但總體仍處于研發(fā)階段，受到工藝復雜以及缺乏大量低成本生物質原料的限制。光催化制氫技術主要有光電化學池、光助絡合催化和半導體光催化等，研發(fā)關鍵在于開發(fā)高效、穩(wěn)定、寬光譜響應的光催化劑，解決光生電子-空穴對快速結合、可見光吸收能力差、光催化活性低等問題。
儲氫技術可分為氣態(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，是有應用前景的高效儲氫技術。MOFs具有產率高、結構可調、功能多變等特點，研究熱點集中在孔隙率高、孔結構可控、比表面積大、化學性質穩(wěn)定的儲氫MOFs材料。金屬氫化物儲氫已開發(fā)出多種體系，研究關鍵在于通過球磨、納米結構、薄膜、摻雜金屬、使用催化劑和添加劑以及改變熱力學參數等手段，提高金屬氫化物的氫化和脫氫反應速率。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。
先進燃料電池技術如質子交換膜燃料電池（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性能，質子陶瓷電解質、鈣鈦礦納米復合電極材料等是有前景的方向。
3、我國發(fā)展現狀及對策建議
我國對氫能的研發(fā)起步較晚，2016年發(fā)布《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》提出了氫能與燃料電池技術領域的近、中、長期發(fā)展目標和路線圖?？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”重點專項、“氫能技術”重點專項等重大研發(fā)項目，支持氫能關鍵技術研發(fā)和試點示范。然而，我國缺乏專門針對氫能的頂層規(guī)劃，在氫能關鍵技術、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)展頂層設計規(guī)劃，為氫能發(fā)展構建宏觀路線圖，并完善相應的政策環(huán)境。
（2）加大對氫能相關技術的研發(fā)投入，建設國家級科研平臺，推進開展規(guī)模試驗、數據收集、技術改進、工程示范，積累基礎研究和示范經驗。
（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、加氫站等基礎設施建設。
（4）在邊遠地區(qū)、棄風棄光嚴重地區(qū)、氫能資源豐富地區(qū)等建立清潔氫能源系統(tǒng)試點，為未來能源轉型提供先進經驗。
本文摘選自《國際科學技術前沿報告2020》“第5章 氫能與燃料電池國際發(fā)展態(tài)勢分析”。
