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随着能源转型、生态环境改善的日趋紧迫，氢能在全球范围内的能源地位也越来越明晰。广泛使用氢能不仅有助于减少碳排放，同时有助于能源安全和可持续利用。近年来，世界各国政府都致力于研究氢能及燃料电池技术，从而实现雄心勃勃的减排目标。
（来源：微信公众号“氢能联盟CHA” ID：CHINA_Hydrogen 作者：中国氢能联盟）
白皮书系统介绍了国际上氢能及燃料电池产业链各环节的最新技术现状：制氢方面，目前化石能源重整仍是全球主流的制氢方法，电解水制氢技术不断进步；储运方面，现阶段以高压气态储氢和长管拖车运氢为主；加氢站方面，以35MPa和70MPa气氢加氢站占70%，液氢加氢站数量紧随其后；燃料电池汽车方面，国际先进水平电堆功率密度已达到3.1KW/L。
制氢：氢气的脱碳之路
我国已经是世界第一大制氢国，2018年，中国氢气产量就有约2,100万吨。然而伴随高产量的还有高碳排放。
从历史上看，我国一直以来都贫油少气富煤，能源禀赋决定着我国的制氢来源也是以煤炭和天然气等化石能源为主，其中原料煤是煤制氢中的主要消耗原料。据国际能源署（IEA）报告预测：全球氢气产量来自煤炭的占比约20%，大多集中在我国。
根据白皮书研究，目前国外主流的制氢方式是天然气重整制氢。
▲我国煤制氢与天然气制氢比较（来自白皮书）
▲2018年不同地区天然气制氢成本（来自IEA）
但是不论煤制氢或天然气制氢，都属于化石能源制氢，都需结合碳捕集与封存技术（CCS）以降低碳的排放，改善环境污染问题。
白皮书指出，CCS作为一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新技术，是中国未来减少二氧化碳排放、保障能源安全和实现可持续发展的重要手段。当前，国内CCS技术尚处于探索和示范阶段，需要通过进一步开发技术来推动能耗和成本的下降，并拓展二氧化碳的利用渠道。
另一方面，我国是全球最大的焦炭生产国，工业副产氢气也被广泛应用在钢铁、化工等行业，但该路线同样面临碳捕捉封存问题。
而电解水制氢因其绿色环保、生产灵活、纯度高以及副产高价值氧气等特点，被认为是理想的制氢方法。但其制取成本受电价影响大，若采用市电生产，制氢成本较高且考虑火电占比较大，依旧面临碳排放问题。
白皮书认为，未来，我国可再生能源发电制氢的潜力很大。首先我国可再生能源资源十分丰富；其次可再生能源制氢本质虽然也是水电解制氢，但使用的却是弃风、弃光、弃水和弃核产生的富余电力，既降低成本，也更为环保。
减少氢气生产的碳排放是一项挑战，也是增加清洁氢气利用规模的机会。白皮书预计，氢能市场发展远期（2050年左右），我国能源结构将从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多元格局，整体氢能供给充裕，可实现千万吨级绿色氢气出口。
储运氢：成本与技术的平衡
氢的储存和运输是氢能产业链中的重要一环，高度依赖技术进步和基础设施建设，是产业发展的难点。我国目前高压气态储运氢技术相对成熟，但实现大规模、长距离储运技术的商业化仍需要解决成本与技术的平衡问题。整体技术发展与国际先进水平也有一定距离。
高压气态储运氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点，是现阶段主要的储运方式。目前，70MPa碳纤维缠绕Ⅳ型瓶已是国外燃料电池乘用车车载储氢的主流技术，而35MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶仍是我国燃料电池商用车的车载储氢方式，70 MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶只是少量用于我国燃料电池乘用车中。
液氢储运通常适用于距离较远、运输量较大的场合。采用液氢储运能够减少车辆运输频次，提高加氢站单站供应能力。日本、美国已将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一。我国尚无民用液氢输运案例。
▲多种储运技术对比（来自白皮书）
运氢方面，管道输运是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式，具有输氢量大、能耗小和成本低等优势，但建造管道一次性投资较大。白皮书统计，美国已有2500公里的输氢管道，欧洲已有1598公里的输氢管道，我国则仅有100公里的输氢管道。关于国内外氢气管道建设造价的研究尚未有权威统计，其中管道氢气价格是影响加氢站内部收益率的首要因素。
因此，白皮书认为，要突破成本制约，除建设纯氢管道运输之外，还可在初期积极探索掺氢天然气等新的技术方式，以充分利用现有管道设施。
燃料电池：走向自主化
进入21世纪以来，美国、日本、韩国等国家作为全球燃料电池倡导者和领跑者，高度重视燃料电池技术的开发，燃料电池在发电和供热站、便携式移动电源、汽车、航天、潜艇等领域得到广泛应用。
我国主要集中在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池领域开展研发和产业化。其中，质子交换膜燃料电池由于其工作温度低、启动快、比功率高等优点，非常适合应用于交通和固定式电源领域，逐步成为现阶段国内外主流应用技术。我国在质子交换膜方面已具有国产化能力，但生产规模较小，固体氧化物燃料电池整体技术水平则与国外先进水平存在一定差距。
总体来看，我国燃料电池技术还需加强基础研发，引导提升自主创新能力。
▲国内外质子交换膜燃料电池系统技术指标对比
（来自白皮书）
▲国内外碳基固体氧化物燃料电池主要技术指标对比
（来自白皮书）
在燃料电池应用最广泛的燃料电池汽车上，我国已经基本掌握了车用燃料电池核心技术，具备进行大规模示范运行的条件。但与国际上具有领先水平的丰田“Mirai”、本田“Clarity”和现代“NEXO”相比，我国燃料电池车在动力性能、综合效率、电堆功率以及耐久性等基本性能指标方面仍有不小的差距。
据白皮书研究，国际先进水平电堆功率密度已达到3.1KW/L，乘用车系统使用寿命普遍达到5,000h，商用车达到20,000h；车用燃料电池系统发动机成本相比于21世纪初下降80%-95%，价格在49美元/KW（按年产50万台计算），接近内燃机的30美元/KW。
▲国内外主要新能源乘用车比较（来自白皮书）
另一方面，由于加氢站等基础设施建设的薄弱，燃料电池汽车暂时更适于集中加氢和固定线路运行，因此结合我国实际国情，我国燃料电池商用车会率先规模化推广。
随着氢能及燃料电池技术自主化和规模产业化，用氢成本和制造成本将不断下降，全生命周期的成本优势将持续扩大。燃料电池在我国多领域的商业化应用也将快速发展。
未来：技术路线展望
通过对我国及全球氢能及燃料电池产业和技术发展的系统研究，白皮书做出了我国氢能近中远期的技术路线展望。
1.在制氢方面，氢能产业发展初期，将以工业副产氢就近供给为主，积极推动可再生能源制氢规模化、生物制氢等多种技术研发示范；中期，将以可再生能源制氢、煤制氢等大规模集中稳定供氢为主，工业副产氢为补充手段；远期，将以可再生能源发电制氢为主，煤制氢配合CCS技术、生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术成为有效补充。白皮书预计，到2050年平均制氢成本将不高于10元/公斤。
2.在储运氢方面，氢能储运将按照“低压到高压”、“气态到多相态”的技术发展方向，逐步提升氢气的储存和运输能力，预计2050年储氢密度达到6.5wt%。
3.在燃料电池方面，燃料电池系统技术未来发展将会有四个方向：持续开发高功率系统产品、通过系统结构设计优化以提高产品性能、通过策略优化提高产品寿命、通过零部件优化以及规模化效应持续降低成本。白皮书预计，到2050年系统的体积功率密度将达到6.5千瓦/升，乘用车系统寿命将超过10,000小时，商用车将达到30,000小时。
氢能及燃料电池产业链条长，技术含量高，白皮书认为，有必要系统梳理我国氢能及燃料电池在基础研究、核心材料和零部件的研发创新方面的短板，加大投入、超前部署，提升核心技术和系统集成能力。
每个零件创新的一小步，都是我国氢能及燃料电池技术发展的一大步，与国际先进水平的距离也将被逐渐缩短。
氢能技术，未来可期！
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