氢能和燃料电池

氢位于元素周期表之首，原子序数为1，在常温、常压下为气态，在超低温、高压下可成为液态或固态。氢在地球上主要以化合物的形态储存于水中，是宇宙中分布最广泛的物质，构成了宇宙质量的75%，因此，氢能被称为人类的终极能源。由于氢气必须从水、化石燃料等含氢的物质中制取，因此，氢能是二次能源。氢能的用途广泛，除了发电、发热，也是理想的交通替代能源。

氢能的特点包括：重量轻，导热性好，发热量高，燃烧性能好，无毒等。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气制氢等，高效率制氢的基本途径是利用太阳能。氢能的大规模商业应用还有待解决经济和安全两大关键技术问题。

燃料电池是连续地将燃料的化学能直接转变为电能的化学电源。燃料电池主要由正极、负极和电解质组成。燃料电池的优点包括：转化效率高（理论转换效率为100%，实际可达80%），污染小，电流密度高，寿命长，噪声低等。

产业逐渐发展壮大

氢气能量密度大，因此，氢燃料电池汽车所携带的氢气质量远小于同等能量所需的电池质量，尤其适用于重载、长途运输等场景。燃料电池汽车对环境适应性强。燃料电池受环境影响较小，可以在零下30摄氏度的低温下冷启动，低温对续航里程影响不大。氢燃料电池汽车具有与传统燃油车类似的燃料加注体验。燃料电池汽车只需要3～5分钟就可以加满氢燃料，单次加氢可以行驶500公里左右，与燃油车相当。

20世纪70年代，石油危机推动了氢燃料电池在汽车上的应用，氢燃料电池汽车首次成为焦点。在接下来的几十年，多个国家和地区的科学家为了推动燃料电池汽车的发展做出不懈的努力。丰田在2014年推出了全球第一辆商业化的燃料电池汽车。

近年来，我国大力支持氢能产业发展，将氢能应用于汽车行业，打造氢燃料电池汽车。2019年，氢能被首次写进《政府工作报告》，要求“推动充电、加氢等设施建设”；有关部门密集出台政策，引导并鼓励氢能和氢燃料电池技术的开发利用。

氢燃料电池汽车销量增速明显。从2015年仅有10辆，到2019年全年销售2737辆，累计销量达6000多辆，已实现2020年的阶段性目标。其中，氢燃料电池商用车发展较快，在物流配送、公共出行等领域，实现了氢燃料汽车的商业化落地。乘用车方面，国内一些车企虽然也在积极研发，但规模相对较小，占比较低。

氢燃料电池由电堆、电控、供氢装置、供空气装置等组成。其中，电堆是组成燃料电池的最基础、最关键的核心部件。氢燃料电池在国际上通常有两条技术路线：金属双极板水冷电堆和石墨双极板水冷电堆。前者在低温启动、体积和功率密度等方面具有优势，后者在可靠性、寿命和成本等方面有长处，是目前燃料电池商用车的首选。

我国是世界上氢资源最丰富的国家，同时拥有最大的汽车市场，但氢燃料电堆技术距离世界领先水平还有一定差距。

“氢装”上路

目前，国内氢能汽车多数采取“锂电池+氢燃料电池”的电电混合模式，未来将向纯氢燃料电池汽车方向发展。多家国内企业持续攻关，实现氢燃料电池在大巴车、物流车、重卡、专用车等不同应用场景的产业化应用。

2020年11月13日，北京环卫集团旗下京环装备公司自主研发的氢燃料电池环卫车首发上市，将服务北京冬奥会。氢燃料电池环卫车分别为扫路车和压缩式垃圾车，第一步将在张家口做示范推广。随着氢燃料电池汽车产业的不断发展，北京将在未来5年内建成一支数量达500辆的氢燃料环卫车队。

此次发布的氢燃料电池环卫车具有以下亮点：

●以燃料电池作为动力源，氢燃料电池通过氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能，驱动车辆行驶。

●具有先进可靠的氢燃料电堆系统，额定功率83.5千瓦，集成高能量密度电池，最大容量90千瓦时，车辆续驶里程可达500公里，能够覆盖环卫全工况作业。

●选用铝合金、PE和不锈钢等新材料，最大程度地降低整车总质量，可在炎热、干旱、潮湿、沙尘、寒冷等复杂气候和环境下正常作业，适用性更强。

●氢燃料电池环卫车有效解决了低温工况下电池的性能衰减问题，极大提高了作业效率。

●扫路车配装4个储氢罐，有效储氢量为15千克，加满氢气的过程仅需10分钟；压缩式垃圾车配装6个储氢罐，有效储氢量为22.2千克，加满氢气的过程需15分钟。

【专访】

围绕氢燃料供给及氢燃料电池汽车产业发展，《亮报》对国网浙江电科院能源互联网研究室高级工程师章雷其进行了专访。

《亮报》：为了实现氢燃料电池汽车的更好发展，在氢燃料制取、储存方面需要重点解决哪些方面的问题？据了解，国网浙江电力探索开展了电—氢—热—车耦合的示范工程，该工程如何助力氢燃料电池汽车发展？

章雷其：在氢燃料制取方面，并不是所有的制取过程都是“绿色”的。目前，96%以上的氢气来自碳基化合物（如煤气化、天然气裂解和甲醇重整），制取过程会释放大量的二氧化碳，被称为“灰氢”。从全过程看，以“灰氢”作为燃料只是改变了碳排放途径，并没有降低碳排放总量。

以风、光等可再生能源“绿电”制取“绿氢”是实现燃料电池汽车真正零碳排放的关键。可再生能源电力电解水制氢用于燃料电池汽车，不仅可以实现全过程零碳，也可以实现可再生能源的多途径消纳，对于实现“双碳”目标具有重要意义。制取“绿氢”的电解水技术虽然已有百余年历史，但常规技术只适用于稳定性电源，如何用快速波动的可再生能源电力稳定、高效制氢是目前亟须攻克的难题。

安全、高效氢燃料存储是实现氢燃料电池推广应用的另一大关键。氢气体积能量密度较小，必须在高压下存储才能实现较高的储氢密度，常用的氢燃料电池汽车储氢压力为35兆帕和70兆帕（约为水下3500米和7000米的压力）；但同时氢气也是自然界中最轻、最小的物质，易发生泄漏、逃逸，尤其是在高压下，泄漏风险更大。这两个看似矛盾的要求，给安全、高效储氢带来了巨大的挑战。高压储氢系统也是一个国家高端制造能力的象征。目前，我国正在全力开展高压储氢瓶、氢气压缩机及关键零部件，如阀门、仪表、高灵敏氢气检测传感器的技术攻关。

2020年，由国网浙江省电力有限公司牵头，成功申报了国家重点研发计划项目《可离网型风/光/氢燃料电池直流互联与稳定控制技术》。配套此项目，国网浙江电力将在宁波建设首个电—氢—热—车耦合的中压直流微网示范工程，项目所采用的技术路线，正是可以实现全过程零碳的“绿电制绿氢”技术，项目将在技术、运营模式、产业链三个方面助力燃料电池汽车发展。

一是通过产学研单位协同，开展前沿技术攻关，力争在波动性可再生能源制氢、高压安全储氢、高效燃料电池系统、先进能量管控系统方面取得一系列首创性技术突破，并应用于示范工程。二是通过构建丰富的应用场景，打造以可再生能源为基础的就地制氢—加氢—充电—热电联供一体化零碳电氢能源站，实现氢燃料电池车和纯电动车零碳交通的示范，对未来燃料电池汽车的运营模式、燃料电池汽车与纯电动汽车协同与电网互动进行积极的探索。三是通过示范引领，带动制氢—储氢—燃料电池—能量管控系统全产业链的发展，有力推动氢燃料电池汽车相关技术实用化。

  来源：《人民日报》《科技日报》、人民网、工业和信息化部官网、《中国电力百科全书》（第三版）、国网浙江电科院等，徐珂对本文有贡献