彭苏萍：中国氢能源与燃料电池发展战略研究

现在向大家报告近段时间我和我的同事做的工作，关于中国氢能源与燃料电池发展战略研究。我从两个方面向大家进行介绍，首先介绍研究背景。

大家知道氢能是我国低碳发展的重要途径，对于“双碳”目标，中国氢能在这里面发挥什么责任？我们对“双碳”提出了三个途径：一是在现有能源结构基础上，节能和提高能效的减排潜力巨大；二是调整能源结构，加大可再生能源的比例，同时如何把化石能源比例降下来；三是在解决不了可再生能源占比扩大、对碳中和的作用还不明显的时候，我国要采用CCS或是CCUS技术来兜底。氢能与电能的耦合，是解决“双碳”问题的重要选择。氢能产业链非常长、应用前景广阔，它涉及到上游的制氢、输氢、储氢、加氢，再到下游的用氢发电、供热、交通等，它涉及的领域主要包括交通、发电、储能、新型利用等等。国际氢能专家理事会预测到2030年，氢能将为大约1000万到1500万辆汽车和50万辆卡车提供动力；2050年，氢能约占全球总能耗的五分之一。

现在向大家介绍一下我们的研究内容与初步取得的研究成果结论，希望大家批评指正。第一，国内外氢能源与燃料电池产业发展现状与趋势。氢能是全球能源技术革命和产业发展的重要方向，世界各国氢能发展都各具特色，如日本发展氢能主要是为了解决国家能源安全问题；澳大利亚发展氢能主要是为了出口；欧洲发展氢能主要是以工业脱碳为目标；美国氢能产业主要是固定式发电为目标，保证电力供应的可靠性；韩国主要是发展氢燃料电池汽车。从2006年起我国已经着手制定氢能源的相关政策，2020年度发展规划草案里面已经明确制定国家氢能产业发展战略规划，2021年采取“以奖代补”扶持燃料电池汽车产业发展，目前还在推动“氢进万家”的计划。

全世界的“纯氢”产量超过7000万吨，最大达到1.1亿吨，主要用于化工精炼、合成氨等领域，在交通领域的消费占比不到0.1%。我国是目前全球最大的产氢国，产氢的能力超过4100万吨，实现产量3300万吨左右，但应用在交通领域的量只有0.1%左右，主要用于化工行业。氢的来源主要是天然气制氢和煤制氢，世界其他国家主要是天然气制氢，中国煤制氢占比较大。可再生能源电解水制氢目前还不是很大，国内在1%以下，2019年全国统计是50万吨，其中碱性水电解槽已经基本上从技术上实现国产化。电解水制氢为代表的低碳制氢，无论在市场应用，还是技术水平方面，我国都是落后于国际水平。

从供氢产业发展来看，2020年全球共有544座加氢站，中国有128座，日本有137座，韩国有56座，欧洲145座，美国45座，其他国家加起来只有30多座。各国氢能供应网络快速发展，我国制氢供氢产业的社会投入强度显著提升，加氢站数量和规模持续增长。

从典型国家和地区供氢布局来看，日本储运氢的技术处于先进地位，已经突破45MPa高压长管拖车储运氢技术和法规，氢气运输能力可以达到700kg以上，且日本已建成加氢站数量是全球第一，2030年日本加氢站数量预计达到1000座以上，成本可大幅度降低，日本从澳大利亚购买氢气再运回国，海上运输价格有望大幅度降低。欧盟在储运氢技术方面也是领先地位，如长管拖车、液氢槽车、氢气管道等。美国在储运氢方面，高压气氢、液氢与管道并行发展，加氢站部署主要集中在加州。我国供氢情况目前主要是采用压缩氢气方式进行储存和运输，液氢除了在航天领域，民用方面基本上是空白。加氢站技术基本上是35MPa，加氢站的设计、建设以及三大关键设备（45MPa大容积储氢罐、35MPa加氢机整机和45MPa隔膜式压缩机）均已实现国产化。储氢方面，国内关键装备技术有待突破，以20MPa的长管拖车运输为主，效率低成本高，产业规模化水平偏低。加氢基础设施网络总体薄弱，核心装备与零部件技术需要进一步提升。

下面介绍一下国内外燃料电池产业发展动态。目前燃料电池出货类型以质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）为主。从商业应用上来看，PEMFC和SOFC是当前最主要的燃料电池技术路线。从商业角度，质子交换膜燃料电池目前在中国的市场很大，固体氧化物燃料电池市场比较少一点。PEMFC要求氢燃料的纯度高，工作温度比较低（80-90多度），因此它启动比较快，目前主要应用在交通方面。SOFC工作温度比较高，在650-800度之间，相对起来，能源转化效率高，而且它不需要用昂贵的催化剂，适合于大型集中式供电、分布式发电、热电联供，目前在交通领域也有采用固体氧化物燃料电池，尤其适用于重型卡车。

2020年全球燃料电池出货量超过8万台，固定领域的出货量占了绝大的优势，主要是小型的家庭型热电联供。美国Bloom Energy公司已经为苹果大型数据中心、沃尔玛大型商业中心、谷歌及可口可乐的大型数据中心提供服务，这些大型数据中心需要保证供电的可靠性。燃料电池是并联方式，即使其中一个构件坏了，也不会全线崩溃，所以是目前最稳定的发电方式。日本现在已经开发出10套250kW的SOFC-微气轮机混合动力发电系统，发电效率期待值可以达到75%左右。家庭热电联供方面，日本ENE-FARM计划2030年普及家庭型热电联供燃料电池超过530万套。氢燃料电池汽车是全球的重要热点，目前全球保有量超过34000辆，从发展类型来看，以乘用车为主，商用车为辅。我国是以商用车为主，截止到2020年底拥有7729辆氢燃料电池商用车。氢能未来的重要新兴领域还有氢冶金、天然气管网掺氢、燃料电池无人机。氢储能方面，全球共有13个氢储能项目，装机规模共计20.23MW左右，有7个位于德国，装机规模占全球的77%。我国氢储能起步较晚，较多仍在实验室研发阶段。

二、我国氢能源与燃料电池产业发展前景与存在的问题。我国氢能与燃料电池产业发展前景：促进我国能源转型升级，目前能源结构以煤为主，“双碳”目标之下如何把高碳能源低碳化应用，这是我们要考虑的问题。交通动力的转型是重要的方向，三年以前铁路系统为什么要搞氢能源运输？后来我才知道，现在以电动机车为主体的能源动力，如果电网一坏，它是整个线路都受到影响。氢能源机车只是坏一个车辆，所以它对保证整个路网的运行是比较有利的。交通领域，大型的海上运输实际排放量很高，可能今后通过固体氧化物燃料电池作为船舶动力系统比现在其他技术更有前景。

我国氢能产业发展的基础是拥有比较丰富的氢气资源，开发潜力较大，完全可支撑我国中长期氢能源发展愿景，我国是世界第一大制氢国，也是第一大汽车市场。但总得来讲，我国跟国际上还有比较大的差距，燃料电池技术落后于国际水平，相关核心设备及技术主要是依赖进口。

接下来讲一下我国发展氢能源与燃料电池发展存在的问题：制氢成本方面，今后中国发展以可再生能源为主体的绿氢。为什么提出绿氢，主要是我们已经过度倚重质子膜燃料电池，质子膜燃料电池工作温度低，对氢气的纯度要求很高，一般是使用电解水制氢气源，若使用可再生能源发电，最大的问题是间歇性问题。实际上如果我国目前化石能源制氢，氢气纯度不是很高，但是制氢成本相对而言较低，所以仍需把大规模煤制氢、工业副产提纯氢利用好。煤制氢进一步规模化之后，成本还会降低，但这还是高碳能源，低碳利用方面的好途径是可以进一步把煤制氢得到的二氧化碳资源化，把它作为一种化工原料利用起来。储运氢方面，还需要在储运、加氢技术和装备需要进一步研究和完善。化石能源制氢和工业副产提纯氢技术与国际水平并跑，在煤制氢方面，国内技术处于领先地位。电解水制氢方面，我们跟国际有差距，还需要进一步研究。燃料电池方面，国内质子膜成本还是比较高，关键部件的国产化程度还比较低，我们还需要进行进一步研究。国内关于固体氧化物燃料电池的研究基础薄弱，希望大家对固体氧化物燃料电池给予关注。另外，产业政策制定方面，我国氢能的定位与顶层设计还未明确，能源属性及管理部门有待明确，地区层面存在产业同质化现象，“技术空心化”问题凸显，产业发展商业模式有待检验等等。

三、我国氢能源与燃料电池发展战略。战略思路：未来10-20年将是我国氢能源与燃料电池产业发展的重要机遇期，要从战略、政策、技术、资金、国际合作等方面积极谋划，在改革创新的过程当中，还是以技术为本、区域协同，同时要尊重市场。我认为燃气企业在中国氢能源和燃料电池方面是要唱主角的，可以先行先试，利用行业的优势以及国家的扶持政策，拓展氢能市场，稳步推进氢能源与燃料电池产业的进步。

战略目标：对于氢能源产业发展总体目标，预计2021-2025年是政策引导、局部示范导入期，燃气企业能不能通过管网系统开展热电联供或分布式制氢，这是关于如何做的问题。2026-2035年是市场驱动商业模式培育期，需要建立一个比较完整的氢能储运供应体系，燃气企业的基础设施网络占有优势，重点要布局在基础设施方面。目前制氢要进入化工园区，成本大幅度升高，城市燃气企业通过管网体系把分布式加氢站建起来。2036-2050年是产业生态绿色智慧成熟期在碳中和阶段里面，通过今后10-15年的努力，为碳中和提供一个基础设施、技术应用平台。对于燃料电池产业发展总体目标，首先在PEMFC方面，2021-2025年里开展在船舶、重卡等领域的示范应用；2026-2035年里国产化低成本材料与部件建立批量生产线，提升电堆的性能和稳定性，成本降低；到2036-2050年之后，高性能、高耐久性的新材料及电堆要做到规模化商业应用。在SOFC/SOEC方面，我们希望2021-2025年里要把成本大幅度降低，把现在7-8万/千瓦降低到3万块以下，寿命要达到1万小时；到2026-2035年，要把固体氧化物燃料电池寿命提高到8万小时，在原有基础上进一步降成本。规模上，到2025年左右做出10兆瓦系统，到2035年左右做出一百兆瓦、千兆瓦系统出来，这样使我国能够真正实现能源的转型。

重点任务与实施路径：对于制氢、供氢产业发展的重点任务，主要考虑可再生能源制氢和绿氢消纳。供氢产业，我们现在要从气氢向液氢、输氢、加氢这几个角度如何做的问题。对供氢，我们也提出目标，首先可能是气氢往液氢、加氢方面发展。

对于质子膜燃料电池发电产业发展的重点任务，要提高燃料电池电堆关键材料的国产化替代，提高燃料电池耐久性、动力性、环境适应性、可靠性和安全性，降低燃料电池系统噪声。燃料电池系统里面的压缩机噪音程度相比国际来讲有较大的差距，我们要把空气压缩机噪音降下来。目前质子膜燃料电池技术虽然比较成熟，但成本没有降下来，不利于整个氢能产业的进一步发展，还有一些耐久性的问题以及不同用途的问题，都要进行示范及研究。

对于固体氧化物燃料电池产业发展的重点任务，要开发低成本高性能的单电池批量化制备技术，突破高可靠性的电堆设计、集成及产业化技术，掌握高效系统集成、控制管理及示范技术等。如何把固体氧化物燃料电池应用场景往外拓展，我们也提出了一个路线图。我们希望今后在交通领域里以重卡、公交等商业车为突破口，建立起柴改氢工业示范，发展船用氢燃料电池技术工程化的关键技术，发电领域“氢储能+固定式燃料电池电站”有望成为发展出路之一，燃料电池作为通信基站的备用电源将是一种具有竞争力的应用方式，天然气管网掺氢是解决大规模可再生能源消纳问题的途径之一。用氢产业发展技术路线图也已经提出来了，今后我国在百MW级IGFC重大工程，低成本先进电解水制氢准备研制工程科技专项，氢能安全储存与快速输配工程科技专项，100千瓦级SOFC发电模块开发工程科技专项、分布式燃料电池热电联产工程科技专项，高能效长航时燃料电池船舶动力工程科技专项，固体氧化物电解池耦合可再生能源转化储存工程科技专项、氢冶金重大工程科技专项等方面，需要进行专项立项探索。

四、保障措施与政策建议。保障措施方面，一是进一步加强氢能源与燃料电池的顶层设计；二是国有资本要坚持稳妥有序进入、有所作为和有所不为的原则；三是建立健全产业政策、安全监管及技术标准体系；四是加大对氢能基础设施全产业链的补贴政策及金融支持；五是建立氢能基础设施关键技术攻关与核心装备自主化的长效机制；这些国家都要进行全盘的考虑。

政策建议方面，明确氢能源与燃料电池发展的顶层设计，健全氢能源产业政策、法规、标准体系和金融环境。加强技术的自主研发与应用示范支持，完整平台体系建设，鼓励务实的国际合作。因地制宜选择氢能源产业的发展技术路线，探索有效的商业模式。谢谢大家！