為應(yīng)對氣候變化全球掀起氫能發(fā)展熱潮，普遍認為氫將在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。國內(nèi)穩(wěn)定的政策環(huán)境，支持產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)及社會資本介入，推動氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)快速進入示范應(yīng)用階段，但大規(guī)模發(fā)展仍面臨著氫燃料電池成本高、加氫站設(shè)施薄弱、終端用氫成本高等技術(shù)與成本瓶頸。未來，技術(shù)、標準規(guī)范、政策等多因素協(xié)同發(fā)力將有助于加快氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)商業(yè)化步伐。

氫是宇宙中最豐富的元素。氫能作為二次能源是最佳碳中和能源載體，可用于發(fā)電、發(fā)熱、交通燃料，具有零污染、熱值高、可存儲、儲量足、應(yīng)用廣等優(yōu)點。氫的儲能屬性使其具備跨時間和空間靈活應(yīng)用的潛力，能與可再生能源有效銜接，助力可再生能源消納與更大規(guī)模發(fā)展。正是基于氫的優(yōu)點與潛能，在應(yīng)對氣候變化、全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，國際上普遍認為氫能將成為未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點，在全球能源轉(zhuǎn)型及提高能源系統(tǒng)靈活性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。而近些年全球資本、技術(shù)、輿論等因素正共同催生本輪氫能熱潮。

日前，天津大學教授焦魁團隊成功研發(fā)超高功率密度的質(zhì)子交換膜燃料電池，其性能較主流同類產(chǎn)品提升近兩倍，相關(guān)成果已發(fā)表于國際權(quán)威能源研究期刊《焦耳》。

氣候變化危機下，全球能源系統(tǒng)正在經(jīng)歷深刻轉(zhuǎn)型。氫能作為一種潛力巨大的低碳能源載體，在轉(zhuǎn)型進程中發(fā)揮重要作用。氫燃料電池被視為最有前景的氫能應(yīng)用技術(shù)之一。然而，如何提高其體積功率密度，成為目前技術(shù)上的重大挑戰(zhàn)。

據(jù)巔峰了解，焦魁團隊對質(zhì)子交換膜燃料的電池結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)，集成新的組件，改善了氣-水-電-熱傳遞路徑，成功實現(xiàn)了超薄、超高功率密度的燃料電池；團隊通過引入靜電紡絲技術(shù)制成的超薄碳納米纖維薄膜及泡沫鎳，去除了傳統(tǒng)的氣體擴散層和溝脊流道，有效降低了膜電極組件約90%的厚度，降低了80%以上的反應(yīng)物擴散導致的傳質(zhì)損失，最終將燃料電池體積功率密度提升約兩倍。

經(jīng)研究團隊估算，采用這種新型燃料電池結(jié)構(gòu)的電堆峰值體積功率密度有望達到9.8千瓦每升，相比目前市面上主流同類產(chǎn)品性能提升超過80%。這項成果不僅為質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的進一步發(fā)展提供了重要的指導，也預示著清潔能源領(lǐng)域邁向新高度的可能性。

氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

本輪氫能熱潮起于歐美日發(fā)達國家，并逐步擴展至全球。歐盟、美國、日本已將氫能納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，并出臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和支持政策。美國重視氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)培育，應(yīng)用方面固定式燃料電池發(fā)電、氫燃料電池叉車和汽車有絕對優(yōu)勢。歐盟實現(xiàn)凈零碳排放，氫能是其重要抓手，德國制定《國家氫能戰(zhàn)略》支持可再生能源制氫、氫基合成燃料、燃料電池產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展。日本、韓國發(fā)布詳細的發(fā)展路線圖，政策導向明確，在燃料電池車、家用燃料電池、加氫站網(wǎng)絡(luò)和氫技術(shù)開發(fā)處于領(lǐng)先。國際氫能理事會發(fā)布的《Hydrogen Scaling Up》報告預測，2050年氫能約占全球能源需求的18%，工業(yè)、交通、建筑供暖供電是氫能應(yīng)用重點領(lǐng)域[1]。

國內(nèi)將氫能定位戰(zhàn)略能源技術(shù)，政策利好逐步釋放。2019年氫能首次被寫入政府工作報告，2020年《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》第一次將氫能列為能源范疇，同年氫能納入年度國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃，并啟動燃料電池汽車示范推廣及國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃編制。國家層面從立法、頂層設(shè)計、示范應(yīng)用等層面給予氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)的政策支持，統(tǒng)籌規(guī)劃、引導、規(guī)范氫能產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。在持續(xù)穩(wěn)定的政策環(huán)境下，社會資本、產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)企業(yè)、地方政府等多因素疊加催化下，近幾年國內(nèi)以加氫站為代表的氫能基礎(chǔ)設(shè)施（表1），制－儲－運－用產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)與裝備得到發(fā)展，初步形成珠三角、長三角、京津冀等氫能產(chǎn)業(yè)熱點區(qū)域，目前產(chǎn)業(yè)整體處于技術(shù)研究與示范應(yīng)用階段。根據(jù)公開資料整理，目前國內(nèi)氫燃料汽車超過6000輛，在運營加氫站46座。《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019）》預測，2035年氫能占國內(nèi)終端能源總量5.9%，加氫站數(shù)量1500座，燃料電池車保有量130萬輛[2]。

面對全球應(yīng)對氣候變化政策倒逼，Shell、Total、BP等歐洲石油公司相繼提出2050年“凈零碳排放”目標[3]，押注綠色低碳能源成為普遍選擇，其中布局綠色氫工廠、加氫站等氫能業(yè)務(wù)是重點方向。至今，殼牌氫能業(yè)務(wù)已在美國、日本、德國投資超過24座加氫站，并與道達爾等企業(yè)合作在德國加速推進H2 Mobility項目（預期加氫站建設(shè)規(guī)模超過400座）。國內(nèi)石化企業(yè)在發(fā)展氫能方面，具有氫源和銷售網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢[4]，中國石化等已開展制氫、加氫站及儲運設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)，2018年中國石化加入國際氫能委員會，2019年與法液空開展氫能合作[5]，采用“油氫電一體化”新模式，在現(xiàn)有加油站基礎(chǔ)上配建加氫站，目前已在廣東、上海、浙江建成油氫合建站4座。

產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)與成本瓶頸分析

全球氫能及氫燃料電池車示范應(yīng)用進展顯著，但氫能產(chǎn)業(yè)涉及制、儲、運、用多個環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈長，技術(shù)復雜，現(xiàn)實中氫能大規(guī)模推廣應(yīng)用仍面臨氫燃料電池制造成本高、加氫站設(shè)施薄弱、終端用氫成本高等瓶頸。

2.1技術(shù)因素導致制造氫燃料電池成本較高

氫燃料電池系統(tǒng)由電堆、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件共同構(gòu)成。電堆是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的核心部件，電堆成本占氫燃料電池系統(tǒng)總成本60%左右（見圖1）[6]。造成電堆成本居高的主要因素包括：膜電極、電堆加工制造過程及使用環(huán)境要求。而電堆技術(shù)的瓶頸也導致氫燃料電池系統(tǒng)成本較高。

膜電極是電堆的核心部件，由催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙組成，其成本約占氫燃料電池系統(tǒng)的36%。目前商用催化劑為鉑/碳，其成本約占氫燃料電池系統(tǒng)成本的23%，是成本的主要來源[6]。質(zhì)子交換膜、碳紙材料成本也較高，國內(nèi)主要依靠進口，在性能和批量化上與國外還存在差距。膜電極已經(jīng)發(fā)展到第三代有序化膜電極技術(shù)，趨勢是降低大電流密度下的傳質(zhì)阻力，進一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量，使膜電極的材料成本大幅降低。

均一性是制約電堆性能的重要因素，也是影響制造成本的關(guān)鍵。電堆通常由數(shù)百節(jié)單電池串聯(lián)而成，均一性與材料的均一性、部件制造過程的均一性有關(guān)；特別是流體分配的均一性，不僅與材料、部件、結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與電堆組裝過程、操作過程密切相關(guān)。由于操作過程生成水累積引起的不均一、電堆邊緣效應(yīng)引起的不均一等，電堆中一節(jié)或少數(shù)幾節(jié)單電池的不均一會導致局部單節(jié)電壓過低，限制了電流的加載幅度。設(shè)計、制造、組裝、操作控制等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不均一性直接影響電堆的比功率，進而影響電堆成本。

氫燃料電池使用環(huán)境對其壽命和性能有重要影響。鉑基催化劑與燃料中的一氧化碳、硫等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)會導致其失去活性，無法再進行催化作用，進而導致電堆壽命縮減。空氣中極少量SO2和NOx雜質(zhì)會引起燃料電池中毒，造成燃料電池電壓衰減，進而影響燃料電池性能。有關(guān)空氣質(zhì)量、氫氣品質(zhì)對氫燃料電池車使用性能的影響已被業(yè)界關(guān)注。2017年10月豐田公司啟動氫燃料電池車Mirai在中國的適應(yīng)性實證實驗。2019年7月1日實施的GB/T37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》對適用于聚全氟磺酸類質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣的純度、雜質(zhì)含量等指標進行了規(guī)定。

2.2氫燃料電池車成本較高限制了商業(yè)化銷售規(guī)模

車用燃料電池系統(tǒng)成本高是造成氫燃料電池車售價高的主要根源。由電堆、氫瓶和空壓機等主要部件組成的燃料電池系統(tǒng)是氫燃料電池車的核心，約占氫燃料電池車成本的50%[6]。其中除電堆成本高外，供氫系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)成本也較高，技術(shù)上與國外還存在較大差距。

氫燃料電池車尚未規(guī)模化生產(chǎn)，市場銷量有限。目前，全球最大的氫燃料電池車企業(yè)——豐田公司現(xiàn)有生產(chǎn)能力僅3000輛/年，2020年也只能達到3萬輛/年，本田、現(xiàn)代、日產(chǎn)、上汽等車企雖相繼推出商業(yè)化車型，但市場銷量依然有限（見表2）。氫燃料電池發(fā)動機企業(yè)億華通與宇通客車、福田汽車、中通客車等車企合作，建設(shè)了國內(nèi)首條自動化氫燃料電池發(fā)動機生產(chǎn)線，年產(chǎn)能也僅1萬臺。生產(chǎn)規(guī)模小導致整車成本較高，如豐田公司官網(wǎng)上2020款Mirai售價為58550美元，是混合動力2020款PＲIUS售價（24325美元）的2.5倍，遠高于消費者預期。

降低燃料電池系統(tǒng)成本是目前車企及相關(guān)領(lǐng)域研究機構(gòu)關(guān)注的重點和研究的方向。根據(jù)美國能源部研究數(shù)據(jù)，車用燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)成本從2006年的124美元/kW降至2015年的53美元/kW，下降幅度近60%，2020年目標降至40美元/kW[7]。我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中，車用燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)成本2020年目標是1000元/kW，2025年500元/kW，2030年150元/kW，預期成本下降幅度很大。

2.3加注車輛少及設(shè)備國產(chǎn)化仍是早期加氫站發(fā)展的主要限制因素

加氫站的建設(shè)與運營仍面臨產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期的困難。新建加氫站及將現(xiàn)有加油站改造為加油加氫站難度較大。新建加氫站建設(shè)標準主要采用《GB50516—2010加氫站技術(shù)規(guī)范》，其對氫氣儲運安全和建站選址條件的要求較高，特別是加氫站的氫氣工藝設(shè)施與站外建筑物、構(gòu)筑物的防火距離。加油加氫合建站設(shè)計要符合《GB50156汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》，依托現(xiàn)有加油站設(shè)施進行改造困難較大，特別是在大城市、人口密集地區(qū)問題更加突出。

加氫站的網(wǎng)絡(luò)布局與氫燃料電池車的市場規(guī)模依然是產(chǎn)業(yè)初期互相掣肘的因素。純電動車推廣和充電樁建設(shè)也曾經(jīng)面臨過同樣問題，加注車輛較少，限制了加氫站的良性滾動發(fā)展。目前國內(nèi)建成和在運營加氫站分別是66座和46座，分布在19個省市，其中廣東、上海、江蘇、山東是加氫站主要集中地區(qū)（見表3）。目前國內(nèi)加氫站數(shù)量與規(guī)劃2020年建設(shè)100座、2030年建成1000座還有較大差距。國內(nèi)最早示范運營的上海安亭、北京永豐加氫站始終處于加氫車輛少的尷尬局面。德國H2 Mobility項目已建成的加氫站也存在車少的狀況，但仍在推進2023年建設(shè)400座加氫站網(wǎng)絡(luò)的目標，試圖解決產(chǎn)業(yè)初期問題。

加氫站設(shè)備國產(chǎn)化還面臨瓶頸，氫氣壓縮機、加注機等關(guān)鍵設(shè)備目前仍以進口為主。根據(jù)公開資料整理，加注量1000kg/d的35MPa加氫站建設(shè)成本高達1500萬元，高出加油站數(shù)倍。其中儲氫裝置、壓縮機、加注機、站控系統(tǒng)等占加氫站總投資約60%，其中氫壓縮機占比最高，約為30%。

2.4終端用氫成本高，制儲運關(guān)鍵技術(shù)亟待突破

目前，氫作為燃料的價格仍遠高于化石燃油。氫燃料電池車的用氫成本包括從制、儲、運到加注的全過程成本。與傳統(tǒng)燃油車相比，氫燃料電池車百公里消耗的燃料費用要高于燃油車。根據(jù)國內(nèi)示范項目的運行經(jīng)驗初步估算，氫燃料電池車的燃料費用約為燃油車的1.8倍左右。氫燃料終端售價雖高于化石燃油，但國內(nèi)外仍通過車企、政府補貼方式來彌補氫燃料價格的劣勢，推動氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

化石能源制氫技術(shù)成熟、規(guī)模大、成本低（見表4）。國內(nèi)現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能為2500萬t/a，氫氣來源構(gòu)成主要是煤制氫、天然氣制氫、石油制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫以及電解水制氫，占比分別是40%、12%、12%、32%和4%[2]。在氫能及氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，化石能源制氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫是低成本氫燃料的主要來源，有利于推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但化石能源制氫CO2排放量大，利用可再生能源制取低成本氫氣是業(yè)界一直瞄準的方向和攻關(guān)重點，最終目標是氫氣價格與化石燃油價格持平。

綠色、低成本制氫技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。質(zhì)子交換膜（PEM）水電解制氫技術(shù)在總體效率、工作電流密度、氫氣純度、產(chǎn)氣壓力以及動態(tài)響應(yīng)速度等方面優(yōu)于堿性水電解制氫技術(shù)（詳見表5），能適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動性，是氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重點技術(shù)之一，但目前面臨采用鉑催化劑、電耗高而導致的制氫成本較高問題。突破鉑催化劑、電堆等關(guān)鍵技術(shù)，進一步提高電流密度、系統(tǒng)能效、降低投資是PEM制氫技術(shù)的重點開發(fā)方向。

目前國內(nèi)氫儲運標準、規(guī)范不完善，導致氫燃料只能以氣態(tài)方式運輸，限制了加氫站的技術(shù)選擇。液氫儲運在國內(nèi)僅用于航天軍工領(lǐng)域，商用加氫站未有液氫供應(yīng)的標準和規(guī)范。國家層面正通過立法將氫能作為能源進行管理，并制定商用液氫制、儲、運、用相關(guān)標準，2019年已完成三項液氫國家標準征求意見稿，將填補國內(nèi)民用領(lǐng)域液氫標準空白，由此可能帶來氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)突破，從而降低終端用氫成本。

液態(tài)氫密度高達70.6g/L（－253℃），相同有效裝載容積下液氫儲運能力遠高于高壓儲氫。盡管氫液化的能耗比氫壓縮的能耗高1倍以上，但在運輸環(huán)節(jié)液氫的運輸成本只有高壓氫的1/5～1/8。國外加氫站低溫液態(tài)氫儲運已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用。但國內(nèi)仍采用高壓氫氣管束車作為主要運氫方式，氣態(tài)氫限制了儲運能力，詳見表6。

思考與建議

氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)已進入早期示范應(yīng)用階段，大規(guī)模商業(yè)化推廣仍需解決產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)與成本瓶頸。具體來講，加快氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)商業(yè)化步伐需要政策、規(guī)劃、標準規(guī)范、技術(shù)等因素協(xié)同發(fā)力。

持續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)支持環(huán)境，配套相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)補貼，對早期氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。國家應(yīng)盡快啟動氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計，編寫國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案，統(tǒng)籌規(guī)劃氫能產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展區(qū)域，明確產(chǎn)業(yè)鏈制、儲、運、用環(huán)節(jié)的發(fā)展路徑。技術(shù)方面，加強綠色低碳制氫、高效低成本燃料電池、氫壓縮機、加氫機等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)、核心零部件重點攻關(guān)，加快設(shè)備國產(chǎn)化，完善產(chǎn)業(yè)鏈標準規(guī)范。具體實施建議國家主導設(shè)立氫能科技重大項目，聯(lián)合企業(yè)、高校科研院所，集中力量突破核心技術(shù)、材料、裝備及關(guān)鍵零部件，打造自主技術(shù)、材料、設(shè)備生態(tài)鏈，進一步降低成本，推動產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

展望未來綠色氫氣制取、儲運、加注與燃料電池技術(shù)突破以及氫能基礎(chǔ)設(shè)施完善與普及，將激發(fā)氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景多元化與規(guī)模化應(yīng)用，推動氫能在全球能源轉(zhuǎn)型中擔當更加重要的角色。