中海油研究总院：现代化工氢是宇宙中最丰富的元素

文/于光新、纪勤红、刘强、肖刚、熊亮、中海油研究院、现代化工

氢是宇宙中最丰富的元素。 作为二次能源，氢能是最好的碳中性能源载体，可用于发电、供热和交通燃料。 具有零污染、热值高、耐储存、储量充足、用途广泛等优点。 氢的储能特性使其具有跨时间和空间灵活应用的潜力。 能够与可再生能源有效对接，助力可再生能源消纳和规模化发展。 基于氢能的优势和潜力，在应对气候变化和全球能源转型的背景下，普遍认为氢能将成为未来能源系统的关键节点，在全球能源转型和改善中发挥关键作用能源系统的灵活性。 影响。 近年来，全球资本、技术、舆论等因素共同推动这一轮氢能热潮。

1 氢能产业发展现状

此轮氢能热潮始于欧美、日本等发达国家，并逐渐向全球扩展。 欧盟、美国、日本等已将氢能纳入国家能源发展战略，并出台产业发展规划和配套政策。 美国高度重视氢能产业链关键技术培育，在固定式燃料电池发电、氢燃料电池叉车、汽车等应用领域具有绝对优势。 氢能是欧盟实现净零排放的重要抓手。 德国制定了《国家氢能战略》，支持可再生能源制氢、氢基合成燃料、燃料电池产业和技术的发展。 日本和韩国发布了详细的发展路线图，并提供了明确的政策指导。 他们正在引领燃料电池汽车、家用燃料电池、加氢站网络和氢技术的发展。 国际氢能理事会发布的《向上》报告预计，2050年氢能将占全球能源需求的18%左右。工业、交通、建筑供热供电是氢能应用的重点领域。

国内，氢能被定位为战略能源技术，利好政策逐步释放。 2019年，氢能首次写入政府工作报告。 2020年，《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》首次将氢能列为能源类别。 同年，将氢能纳入年度国民经济和社会发展计划，并启动燃料电池汽车示范推广和国家氢能产业发展战略规划编制。 国家层面从立法、顶层设计、示范应用等方面对氢能产业持续提供政策支持，协调、引导和规范氢能产业健康可持续发展。 在持续稳定的政策环境下，在社会资本、产业链上下游相关企业、地方政府等多重因素催化下，以加氢站为代表的国内氢能基础设施建设（表1）近年来不断发展。 应用产业链关键技术和装备已开发完毕，珠三角、长三角、京津冀等地区氢能产业热点初步形成。 目前行业整体处于技术研究和示范应用阶段。 据公开资料显示，目前我国氢燃料汽车保有量超过6000辆，运营中的加氢站有46座。 《中国氢能与燃料电池产业白皮书（2019）》预计，2035年，氢能占国内终端能源总量的5.9%，加氢站数量将达到1500座，燃料电池汽车保有量是130万。

面对全球应对气候变化政策的压力，壳牌、道达尔、BP等欧洲石油公司相继提出2050年“净零碳排放”的目标，押注绿色低碳能源成为人类共同的能源。选择，包括部署绿色氢工厂和加氢站。 氢能业务是重点方向。 截至目前，壳牌氢能业务已在美国、日本、德国投资超过24座加氢站，并与道达尔等公司合作，加快推进德国H2项目（加氢站建设规模预计超过400）。 在发展氢能方面，国内石化企业具有氢源和销售网络的优势。 中石化等开展制氢、加氢站、储运设施网络规划建设。 2018年，中国石化加入国际氢能委员会。 2019年、2016年与液化空气启动氢能合作，采用“油氢电一体化”新模式，在现有加油站基础上建设加氢站。 目前，广东、上海、浙江等地已建成4座油氢联合站。

2 产业链技术及成本瓶颈分析

氢能和氢燃料电池汽车全球示范应用取得重大进展。 然而氢能产业涉及生产、储存、运输、使用等多个环节。 产业链长、技术复杂。 现实中，氢能的大规模推广应用仍然面临着氢燃料电池制造的问题。 瓶颈包括成本高、加氢站设施薄弱、终端氢气成本高。

2.1 技术因素导致氢燃料电池制造成本较高

氢燃料电池系统由电堆、供气系统、控制系统等部件组成。 电堆是将化学能转化为电能的核心部件。 电堆成本约占氢燃料电池系统总成本的60%（见图1）。 造成电堆成本高的主要因素包括：膜电极、电堆制造工艺和使用环境要求。 电堆技术的瓶颈也导致氢燃料电池系统的成本较高。

膜电极是电堆的核心部件，由催化剂、质子交换膜和碳纸组成。 其成本约占氢燃料电池系统的36%。 目前商业化的催化剂为铂/碳，约占氢燃料电池系统成本的23%，是主要成本来源。 质子交换膜和碳纸材料的成本也较高。 我国主要依赖进口，在性能和批量生产方面与国外尚有差距。 膜电极已发展到第三代有序膜电极技术。 趋势是降低高电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，减少催化剂用量，显着降低膜电极的材料成本。

均匀性是制约电堆性能的重要因素，也是影响制造成本的关键。 电堆通常由数百个串联的单体电池组成。 均匀性与材料的均匀性和元件制造工艺的均匀性有关； 特别是，流体分布的均匀性不仅与材料、部件和结构有关，而且与电堆的装配工艺和操作过程密切相关。 由于运行时产生的水积聚造成的不均匀、电堆边缘效应造成的不均匀等，电堆中某一块或少数单体电池的不均匀会导致局部单体电压过低，限制了电池的正常工作。当前负载幅度。 。 设计、制造、装配、运行控制等方面造成的不均匀性直接影响电堆的比功率，从而影响电堆的成本。

氢燃料电池的使用环境对其寿命和性能有重要影响。 铂基催化剂与燃料中的一氧化碳、硫等物质发生反应，会导致其失去活性，不再能够催化，从而缩短电堆的寿命。 空气中极少量的SO2和NOx杂质就会引起燃料电池中毒，导致燃料电池电压衰减，进而影响燃料电池性能。 空气质量和氢气质量对氢燃料电池汽车性能的影响引起了业界的关注。 2017年10月，丰田在中国启动了氢燃料电池汽车Mirai的自适应实证实验。 GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢》于2019年7月1日实施，规定了聚全氟磺酸基质子交换膜燃料电池汽车用氢燃料的纯度、杂质含量等指标。 规定。

2.2 氢燃料电池汽车成本高限制商业销售规模

车用燃料电池系统成本高是氢燃料电池汽车售价高的主要原因。 燃料电池系统由电堆、氢气瓶和空气压缩机等主要部件组成，是氢燃料电池汽车的核心，约占氢燃料电池汽车成本的50%。 除了电池堆成本较高之外液态天然气密度，供氢系统和供气系统成本也较高，与国外还存在较大技术差距。

氢燃料电池汽车尚未大规模生产，市场销量有限。 目前，全球最大的氢燃料电池汽车企业丰田现有产能仅为3000辆/年，2020年也只能达到3万辆/年。虽然本田、现代、日产、上汽等车企相继推出商用车型，但市场销量仍有限（见表2）。 氢燃料电池发动机公司亿华通与宇通客车、福田汽车、中通客车等车企合作，建设了全国首条自动化氢燃料电池发动机生产线，年产能仅1万台。 生产规模小导致车辆成本较高。 例如，2020款Mirai在丰田官网的售价为58,550美元，是混合动力2020款PRIUS价格（24,325美元）的2.5倍，远高于消费者的预期。

降低燃料电池系统成本是目前汽车企业和相关领域研究机构关注的焦点和研究方向。 美国能源部研究数据显示，汽车燃料电池系统生产成本从2006年的124美元/kW下降到2015年的53美元/kW，下降近60%，目标下调至40美元2020年，我国《节能与新能源汽车技术路线图》中，车用燃料电池系统生产成本目标为2020年1000元/kW、2025年500元/kW、150元/kW到 2030 年。预计成本将大幅降低。

2.3 加氢车辆较少和设备国产化仍是早期加氢站发展的主要限制因素。

加氢站建设和运营在发展初期仍面临困难。 新建加氢站和将现有加油站改造成加氢站难度较大。 新建加氢站建设标准主要采用《GB 50516-2010加氢站技术规范》，对氢气储运安全和站址选择条件，特别是加氢工艺设施和加氢站外部建筑提出了更高的要求。 ，结构的防火距离。 联合加油、加氢站的设计必须符合《GB 50156汽车加气站设计与施工规范》的规定。 基于现有加油站设施进行改造难度较大，特别是在大城市和人口密集地区。

加氢站的网络布局和氢燃料电池汽车的市场规模在行业初期仍是相互制约的因素。 纯电动汽车的推广和充电桩的建设也面临着同样的问题。 加氢车辆较少，限制了加氢站的健康滚动发展。 目前，我国在建和运营的加氢站分别为66座和46座，分布在19个省市，其中广东、上海、江苏、山东是加氢站主要集中地区（见表3） 。 目前国内加氢站数量与计划建设的2020年100座、2030年1000座还有较大差距。国内最早示范运营的上海安亭和北京永丰加氢站始终处于尴尬的境地。加氢汽车数量少的现状。 德国H2项目已建成的加氢站也出现了车辆短缺的情况，但他们仍在以2023年建成400座加氢站网络的目标推进，试图解决行业初期的问题。

加氢站设备国产化仍面临瓶颈。 氢气压缩机、灌装机等关键设备仍以进口为主。 据公开资料显示，一座加注量/d的35MPa加氢站建设成本高达1500万元，比加油站高出数倍。 其中，储氢装置、压缩机、加注机、站控系统等约占加氢站总投资的60%，其中氢气压缩机占比最高，约为30%。

2.4 终端氢气使用成本高，生产、储运关键技术亟待突破。

目前，氢作为燃料的价格仍远高于化石燃料。 氢燃料电池汽车用氢成本包括从生产、储存、运输到加氢全过程的成本。 与传统燃油汽车相比，氢燃料电池汽车百公里耗油量高于燃油汽车。 根据国内示范项目运行经验初步测算，氢燃料电池汽车的燃料成本约为燃油汽车的1.8倍。 尽管氢燃料终端销售价格高于化石燃料，但国内外仍利用车企和政府补贴来弥补氢燃料价格劣势，推动氢燃料电池汽车产业发展。

化石能源制氢技术成熟、规模化、成本低（见表4）。 国内现有工业制氢产能2500万吨/年。 氢的主要来源是煤制氢、天然气制氢、石油制氢、工业副产氢和电解水制氢，分别占比40%和12%。 、12%、32%和4%。 在氢能及氢燃料电池汽车产业发展初期，化石能源制氢和工业副产氢是低成本氢燃料的主要来源，有利于推动产业发展。 然而，利用化石能源生产氢气会产生大量二氧化碳排放。 利用可再生能源生产低成本氢气一直是行业的方向和重点。 最终目标是使氢的价格与化石燃料的价格相同。

绿色、低成本制氢技术是氢能产业发展的关键。 质子交换膜（PEM）水电解制氢技术在综合效率、工作电流密度、氢气纯度、产气压力和动态响应速度等方面均优于碱性水电解制氢技术（具体见表5），并且可以适应各种情况。 可再生能源发电波动性是氢能产业链发展的关键技术之一。 但目前面临由于使用铂催化剂导致制氢成本高、电耗高等问题。 突破铂催化剂、电堆等关键技术，进一步提高电流密度、系统能效、降低投资是质子交换膜制氢技术的重点发展方向。

目前国内氢气储运标准和法规不完善，导致氢燃料只能以气态形式运输，限制了加氢站的技术选择。 我国液氢储存和运输仅用于航天和军工领域，商业加氢站液氢供应尚无标准和规范。 国家层面正在立法将氢能作为能源进行管理，并制定商用液氢生产、储存、运输和使用的相关标准。 2019年，三项液氢国家标准草案已完成，将填补国内民用液氢标准。 空白，这可能会带来整个氢能产业链的技术突破，从而降低终端用氢成本。

液氢密度高达70.6g/L（-253℃），相同有效装载体积下液氢的储运能力远高于高压储氢。 虽然氢气液化的能耗是氢气压缩的两倍以上，但液氢在运输环节的运输成本仅为高压氢气的1/5至1/8。 国外仍采用高压氢气管束车作为氢气运输的主要方式。 气态氢限制了储存和运输能力。 详细信息请参见表 6。

3 想法与建议

氢能及燃料电池产业已进入早期示范应用阶段，大规模商业推广仍需解决产业链关键环节的技术和成本瓶颈。 具体来说，加快氢能和燃料电池产业商业化进程，需要政策、规划、标准规范、技术等因素协同发力。

持续稳定的产业支撑环境和相应的产业补贴对于氢能产业的早期发展至关重要。 国家要尽快启动氢能与燃料电池产业顶层设计，编制国家产业发展战略规划，制定产业发展实施方案，统筹规划氢能产业重点发展领域，明确产业链、储存、运输、使用等发展路径。 技术方面，加强绿色低碳制氢、高效低成本燃料电池、氢气压缩机、加氢机等产业链关键技术和核心零部件攻关，加快国产化装备，完善产业链标准和规范。 具体实施建议建议，国家牵头设立氢能重大科技专项，联合企业和高校科研院所，集中突破核??心技术、材料、装备和关键零部件，打造自主技术、材料和关键零部件的生态链。设备，进一步降低成本，促进行业健康快速发展。

展望未来，绿色制氢、储运、加氢和燃料电池等方面的技术突破，以及氢能基础设施的完善和普及，将带动氢能和燃料电池产业的多元化和规模化应用应用场景，推动氢能全球能源转型。 发挥更重要的作用。