氢燃料电池技术 在中国的开发和 应用进展报告 聚焦全球挑战 解洪兴 * 彼得 · 奥克森（Peter Oksen）** 郭星星 * 何新 * 边悦 * * 中关村创蓝清洁空气产业联盟，北京 **WIPO GREEN，日内瓦 联合国开发计划署（UNDP） 驻华代表 处王婉伊和中国佛山环境与能源研究院 王子缘对本文亦有贡献 内容提要 氢能作为一种能源形式和储存介质，在气候变化和环境影响方面具 有重要的潜在优势。然而，目前利用的氢能几乎完全基于化石燃料， 因此不是气候中性或有益于应对气候变化。绿色氢气生产取得了重 大的技术进步，但其成本仍然高于基于化石燃料的氢气生产。氢能 使用技术也正在开发中，但可实现规模化的技术却寥寥无几，因此， 氢能作为一种清洁能源在很大程度上仍然属于未来的技术。 然而，由于氢能具有巨大的吸引力，在全球范围内，许多政府制定 了氢能开发计划，并与私营部门携手对氢能的研究与开发进行了大 量投资。 在中国，氢能和燃料电池预计将为实现 2060 年国家碳中和的官方 承诺发挥重要作用，并已被纳入多项经济发展计划和政策。中国制 定了 100 多个规范氢能生产和使用的标准，这是实现规模化的重要 先决条件。近年来，该领域的创新发展突飞猛进，这反映在目前中 国的专利申请在全球占领先地位。中国的多个省级政府和工业城市 集群已在着手实施雄心勃勃的计划，以发展和促进氢能在交通运输 （特别是重型和长途运输）和工业中的应用。 尽管氢能的规模化和主流化面临着技术和经济性障碍，但有明显的 迹象表明，氢能的潜在优势具有巨大的吸引力，政治意愿和经济手 段都已到位，使氢能成为其他新能源和可再生能源的重要补充。 导言 氢能在许多国家、研究机构和公司的政治和创新议程上占有重要地 位。它是一种用途十分广泛的储能介质，在促进向碳中和能源转型 中具有巨大潜力。目前，氢能主要来源于化石燃料，规模化使用氢 能的技术和经济挑战仍然相当大。本报告概述了当前国际上的氢能 和燃料电池技术趋势，并重点回顾了氢能和燃料电池在中国这个全 球最大应用市场的进展。近年来，中国积极推动氢能技术的研究和 开发（研发）、示范和商业应用。本报告对当前中国氢能和燃料电池 发展的政策、规划、标准、专利、试点项目和示范活动进行了解析。 2 氢能和燃料电池技术——国际趋势和潜力 氢能作为储能介质的优势 目前，氢气生产所产生的二氧化碳排放量相当于印度 在商业和政策上得到大力推广。有多项技术可以发挥 前的氢能利用没有实现碳中和，因而可以将其视为与 氢能作为一种能源在全球范围内的发展正在加快，并 尼西亚和英国排放量的总和（IEA， 2019）。因此，目 氢能的优势。然而，为了使氢能在经济上具有吸引力， 石油、煤炭和天然气同属一类的化石燃料。 需要对其进一步开发和规模化（IEA， 2019）。这就为 评估氢能作为能源和储能介质在未来所发挥的作用带 来了不确定性。 氢是一种无色无味的气体，是地球上和宇宙中含量最 多的元素。它的能量密度高，可与氧气燃烧并产生热 能，剩余物质为水，因此它是一种燃料，在最终使用 然而，生产碳中和或绿色的氢气是完全可能的。这一 领域的技术正在迅速发展，尽管其成本仍然高于天然 气。相比使用天然气作为原料的氢气生产方法，可以 通过电解将水分解成为氢和氧， 其中阳极产生氧气， 阴极产生氢气。这个过程需要消耗大量电力，但如果 这些电力来自可再生能源，那么氢能将可能或接近达 过程中没有二氧化碳（CO2）或其他有害的气体排放。 到碳中和。富含可再生能源的地区，如拥有太阳能的 例如，在交通部门，这可以帮助改善大城市的空气质 量。它是一种潜在的清洁和可无限供应的能源，也被 用于许多化学和其他行业。遗憾的是，在自然界中不 中东、北非、南美和澳大利亚，可以成为氢气生产地区。 绿色氢气最早至 2030 年就可达到与灰色氢气同等的 成本，这是有可能实现的目标（氢能委员会和麦肯锡， 存在氢单质，因此必须通过生产才能得到氢气。 2021）。欧洲联盟的目标是其电解槽装机容量到 2030 清洁和会产生污染的氢气 ：绿色、灰色、棕色和蓝色 面具有强烈的政治意愿。预计到 2030 年，中国生产 1 目前生产的氢气有 95% 以上来源于化石燃料， 其中 天然气是最主要的来源。全球开采的约 6% 的天然气 和 2% 的煤炭被用于生产氢气（IEA， 2019）。天然 气是最便宜的氢气来源，蒸汽甲烷重整（SMR）是最 年达到 40 吉瓦，这表明欧盟在快速发展绿色氢气方 的所有氢气中约有 17% 是绿色氢气， 年产绿色氢气 总量将超过 1800 万吨（中国氢能源及燃料电池产业 创新战略联盟， 2019）。 常见的生产方法。这通常被称为灰色氢气。该工艺在 尽管如此，绿色氢气仍需要大幅增产，才能与灰色和 大量能源。此外，其副产品包括二氧化碳和其他温室 乐观计算包括提供碳税等政策支持举措（氢能委员会 700 摄氏度至 1100 摄氏度的温度下进行， 需要消耗 棕色氢气竞争。对绿色氢气和灰色氢气之间平衡点的 气体。生产一吨氢气可能会产生超过 9 吨的二氧化碳， 和麦肯锡， 2021）。 这接近于汽油燃烧所产生的排放水平（一公斤氢气的 能量相当于一加仑汽油，后者的二氧化碳排放量约为 另一个选项是在氢气生产过程中用沼气代替天然气。 种广泛的氢气来源，通常被称为棕色氢气。煤炭利用 化、气化或提取垃圾填埋场气体来生产， 但所产生 9 公斤）（Rapier， 2021）。煤的气化在一些国家是一 沼气最常见的生产方法是通过废弃生物质的厌氧消 水和热量产生合成气，这是一种二氧化碳、一氧化碳、 的物质必须升级为甲烷含量与天然气甲烷含量相当 氢气、甲烷和乙烯的混合物。这种已延续了数百年的 （>90%） 的生物甲烷。这一过程也需要能源， 但其 工艺会产生大量污染物，所生成的物质通常被称为“城 镇燃气”（Farmer， 2020）。 效率可以达到相当高的水平，沼气中包含的高达 87% 的甲烷可被分离出来。然后可以使用 SMR 工艺从生 物甲烷中生产纯氢，其方式与使用天然气的工艺类似 （Saur 和 Milbrandt， 2014）。 还 可 以 将 沼 气 直 接 转 1 不同于石油、煤炭、风能或太阳能，氢气不是一次能源， 而是更类似于电力等能源载体或介质。在本报告中，我们 不赘述这一区别，因为它不会产生任何实际影响。因此， 我们把氢既作为一种能源，也作为一种储存介质。 换为氢气。一个由欧盟资助的试点工厂正在意大利运 行。它使用一种基于钯的膜反应器技术（化学转换和 膜分离联合工艺） ，可以在 500 摄氏度左右的相对低 温下生产氢气，转换率达 70%（CORDIS， 2020）。 3 通过在天然气开采过程中使用碳捕获和储存（CCS） 气体排放总量的 2%，其中 80% 来自长途船只。目前， 技术， 可以生产低碳氢气。CCS 技术可以去除对气 实现航运零排放的最经济的途径是在内燃机中使用氨 但有人预计低碳氢气到 2030 年就可以实现与灰色氢 氮气加入氢气来制备。与液态氢不同，液态氨不需要 其他人则不那么乐观（Barnard， 2021）。使用 CCS 输效率高。然而，要想所有长途航运都使用氨作为燃 候有害的副产品。尽管仍需要为此开展大量开发活动， 作为燃料。氨可以通过哈伯 - 博施制氨法将空气中的 气的商业竞争（氢能委员会和麦肯锡， 2021）。然而， 制冷到极端温度。它还具有更高的能量密度，因此运 技术从化石燃料生产的氢气通常被称为蓝色氢气。 本报告主要侧重于关于氢能利用的现有技术和正在开 料，则需要目前全球的氨产量增加三到四倍（氢能委 员会和麦肯锡， 2021，雅苒， 2021）。 发的技术，而非氢气的生产过程，因而没有过多涉及 燃料电池 的技术是否为绿色技术或碳中和技术取决于其使用的 没有任何中间储存或燃烧。据报道，这一方法的效率 有关氢能供应侧的内容。但应注意的是，本文所讨论 氢能是否环保或达到碳中和。因此，基于氢能的技术 本身并不一定是绿色技术。 燃料电池通过电化学法， 从氢气和氧气中产生电力， 是内燃机和涡轮机的两倍（Nahar 等， 2017） ， 废产 物是水，某些类型的燃料电池还会产生二氧化碳。 氢能技术 燃料电池的功能类似于电池，但需要以氢气和氧气（空 为储存介质或燃料进入能源系统。可以通过直接燃烧 为小型、低瓦数的电源装置（如家用或车用） ， 或作 氢能在多个经济部门有很大的潜力。一般来说，它作 或燃料电池的电化学转换来提取能量。它可以作为气 体或以液体形式运输，类似于液化天然气。膏状氢燃 料也正在开发中，这可能会扩大氢能在交通运输中的 气）的形式持续供应燃料。燃料电池可扩展，可以作 为大型工业储能装置或兆瓦级发电厂。该技术自 20 世纪 60 年代以来一直在使用， 因此相对成熟。它的 一个著名应用实例是在美国国家航空航天局（NASA） 应用（Burgess， 2021）。这种形式的氢气以化学的 的航天飞机计划中被用于提供机载电力和饮用水。 一个受控过程中添加水来释放。与目前基于电池的电 与电池一样， 燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。 个人车辆具有更佳的燃料补给频次和续航里程。氢能 况下，电极（阳极和阴极）由铂金等贵金属制成，这 方式被结合在稳定的固体氢化镁中，并且可以通过在 动汽车相比，以氢能作为燃料的重型和长途运输以及 在用于储存过剩的可再生能源（如风能或太阳能）方 面也具有相当大的潜力。过剩能源可作为水电解工艺 的原料，由此产生的氢气可用于储存、运输和消耗。 它们根据所使用材料的不同存在多种形式。在某些情 使得成本增加。电解液可以是固体或液体。电化学反 应产生热量， 一些系统在高温下运行（700-1000 摄 氏度） ，而其他系统在远低于 100 摄氏度的温度下运 行。能量转换效率从 60% 到 70% 不等， 但如果产 直接燃料 生的热量在热电联产系统中得到有效利用， 则能量 机中来发电。在建筑中，它可以在已有的天然气管网 2021）。最常见的燃料电池类型有质子交换膜燃料电池 的燃料， 这对于卡车等重型车辆尤为相关， 同时氢 料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 和 氢能可以作为燃料用于多个行业。它可以用在燃气轮 转 换 效 率 可 提 高 到 80% 以 上（Hydrogen Europe， 中与天然气混合用作家用燃气。它还可以用作内燃机 （PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃 能也越来越多地被视为航空和航运的替代性低碳燃料 （IEA， 2019）。航运产生的温室气体排放占全