技经观察丨主要国家氢能发展现状

氢能产业链包括制氢、储存、运输以及氢气利用，其中，制氢是基础，储存和运输是氢气利用的核心保障。制氢的主要技术方式有化石能源制氢、副产制氢、可再生能源制氢、电解水制氢以及光解水制氢等；储氢主要技术方式包括低温液态、高压气态和金属氢化物储氢等；氢气应用可以渗透到传统能源的各个方面，包括交通运输、工业燃料、发电发热等，主要技术是直接燃烧和燃料电池技术。

钢铁行业以氢替代煤技术已开始研发和示范。2016年，瑞典钢铁公司（SSAB）、瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）和瑞典矿业集团（LKAB）联合成立了HYBRIT项目。项目基本思路是：在高炉生产过程中用氢气取代传统工艺的煤和焦炭（氢气由清洁能源发电产生的电力电解水产生），氢气在较低的温度下对球团矿进行直接还原，产生海绵铁（直接还原铁），并从炉顶排出水蒸气和多余的氢气，水蒸气在冷凝和洗涤后实现循环使用。韩国政府从2017年到2023年投入1500亿韩元（约合9.15亿人民币），以官民合作方式研发氢还原炼铁法。韩国计划将通过以下三步完成氢还原炼铁：从2025年开始试验炉试运行；从2030年开始在两座高炉实际投入生产；到2040年12座高炉投入使用，从而完成氢还原炼铁。2019年11月，位于德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢铁厂第一批氢气被注入9号高炉。这标志着“以氢（气）代煤（粉）”作为高炉还原剂的试验项目正式启动。在传统的工艺流程中，需要在高炉中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作为还原剂，才能生产出1吨生铁。采用“以氢代煤”炼铁工艺后，用氢气替代焦炭和煤炭投入高炉中作为铁矿石的还原剂，可以减少钢铁生产过程中排放的一部分二氧化碳排放。这一尝试预示着钢铁产业或进入了一个新时代。

储氢技术方面，与其他燃料相比，氢的质量能量密度大，但体积能量密度小（汽油的1/3000），因此，构建氢储能系统的一个大前提条件就是在较高体积能量密度下储运氢气。尤其当氢气应用于交通领域时，还要求有较高的质量能量密度。目前，氢气的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机液体储氢、多孔材料及金属合金等物理类固态储氢。对于氢气的规模化储存和运输，尽管迄今已研发出多种技术和手段，但目前工业上最可行的仍只有高压气态储氢和深冷液化储氢。高压气态储氢是最普通、直接的储氢方式，高压容器内氢以气态储存，储存量与压力成正比。高压储氢技术商业一般选用可承受20MPa氢压的储气钢瓶，贮氢压15MPa左右，因为氢气密度较低而储氢罐自身较重，氢的质量分数一般都少于3%。为了提高储氢密度，研究人员研发出铝内胆成型、高抗疲劳性能的碳纤维全缠绕高压氢气瓶，可耐受35~70MPa高压，质量浓度为19~39g/L。丰田公司推出的Mirai氢燃料电池汽车储氢系统采用的是聚酰胺连线外加轻质金属的高压储氢罐，可承受70MPa高压。低温液化储氢是一种可实用化的储氢方式，由于常温常压下液态氢的密度是气态氢的845倍，因此低温液化储氢具有储氢密度高、储存容器体积小等优势，其质量浓度约为70g/L，高于高压气态储氢（70MPa下质量浓度约为39g/L）。但氢气液化过程需要多级压缩冷却，氢气温度降低至20K，将消耗大量能量，液化消耗的能量约占氢能的30%。另外，为了避免液态氢蒸发损失，对液态氢储存容器绝热性能要求苛刻，需要具有良好绝热性能的绝热材料。低温储氢罐的设计制造及材料的选择一直存在成本高昂的难题，导致液化过程和储氢容器技术复杂，成本增加。低温液化储氢技术主要应用于军事与航天领域，商业化研究与应用才刚刚开始，然而由于在大规模、长距离储运方面的优势，或将在未来与高压气态储氢互补共存发展。

氢能有着广阔的应用范围。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是目前发展规模最大的一种燃料电池。从国外发展来看，质子交换膜燃料电池的应用处于商业化示范应用阶段，目前已涉及移动电源、笔记本电源、摄像机与手机电源等小型电源领域，车辆、小游艇、潜艇等交通领域，更大的规模化市场需求正在扩展，增长潜力巨大。最优质的质子交换膜被美国杜邦公司和比利时苏威集团等企业长期垄断，日本企业的质子交换膜主要自给自足，供应丰田、本田等本国汽车厂商。不同企业产品呈现出各自技术特点和性能优势，以美国杜邦公司的Nafion系列、日本旭化成公司的Aliciplex、日本旭硝子公司的Flemion、日本氯工程公司的Ｃ系列为代表的长支链全氟磺酸膜，其使用寿命远远高于其他膜材料，具有优良的氢离子传导特性，是现在市场应用最广泛的质子交换膜；以比利时苏威集团的Hyflon、美国陶氏化学的Xus-B204为代表短支链全氟磺酸膜，适宜高温的燃料电池，可以提高催化剂活性和抗一氧化碳中毒的问题，但制备过程复杂且价格较高，目前未能完全实现产业化生产；以美国戈尔公司的Gore Select、美国3M公司的PAIF为代表的复合膜，通过聚四氟乙烯和杂多酸进行杂化，可以降低氟化程度和对水分的依赖性，在低水环境应用中具有较好性能。

相较于国外质子交换膜产业成熟化发展，国内燃料电池只在车辆、小游船、移动式电源等小型移动电源领域有示范应用，距离商业化应用距离较大。同时，由于国外质子交换膜稳定性和可靠性更优，市场还是以进口为主，造成质子交换膜价格高居不下，也限制了燃料电池的推广。在核心材料方面，全氟磺酸树脂几乎完全依赖进口，这也成了国内燃料电池产业发展的“卡脖子”关键环节。在核心技术方面，国内比较落后，处于产业加速发展阶段。其中，山东东岳集团代表着国内质子交换膜最高发展水平，实现了全磺酸树脂和全氟磺酸膜技术研发和生产能力的突破，其生产的 DF系列产品可以在开路电位情况下耐久性超过600小时，使用寿命超过6000小时，得到奔驰与福特合资公司AFCC的认可和采购。此外，武汉理工新能源公司、上海神力科技公司、新源动力股份有限公司和三爱富新材料科技有限公司都有全氟磺酸型质子交换膜的生产能力；在复合膜方面，武汉理工新能源公司已向国内外数家研究单位提供测试样品；中科院大连化物所和上海交通大学也在质子交换膜的研究领域有所突破。随着国家对氢能的政策支持持续加码，国内质子交换膜未来有望进一步缩小差距、实现自主可控。

交通是当前氢能应用最大的领域，产业化进展相对较快。在氢燃料电池乘用车方面，韩国现代汽车公司的氢燃料电池车NEXO力压丰田汽车公司的Mirai成为新的销量冠军，市场规模不断攀升。现代汽车NEXO自2018年上市以来，截至2020年10月底在韩国累计销量突破10000辆，成为全球首款在单一国家销量过万的氢燃料电池车型。丰田Mirai虽然失去了保持多年的销量冠军，但其第二代Mirai于2020年12月正式上市，输出功率达到128千瓦，电堆体积功率密度由3.1千瓦/升大幅提升至4.4千瓦/升，超越加拿大巴拉德动力系统公司开发的4.3千瓦/升的燃料电池电堆，再次领先全球；储氢罐由2个增至3个，储氢量提升20%，续航里程提升至850千米，较上一代车型提升约30%。同时，新车在日本地区的售价从740万日元（约合7.12万美元）降至710万日元（约合6.83万美元），享受日本环保车补贴后，最低售价为570万日元（约合5.48万美元）。根据丰田规划，Mirai新款车型上市后，其年产能将由3000辆提升至30000辆，储氢罐、燃料电池电堆的生产规模将同步扩大。在氢动力火车方面，2018年10月，全球首列搭载乘客的氢动力火车Coradia iLint于德国首次投入服务，开往下萨克森州。氢动力火车由法国阿尔斯通公司生产，时速可达140千米，每次充电后可以行驶1000千米。列车顶部安装有氢燃料箱和将氢转化为电的燃料电池。行驶过程中产生的多余能量被转移到位于地板下的锂离子电池中，当列车速度下降时，电池将启动。2020年11月，德国国铁（Deutsche Bahn）也宣布与西门子开发了名为Mireo Plus H的氢气动力火车，该列车有600千米左右的续航力，同时时速可达160千米。在氢动力飞机方面，早在2008年，空客公司就开始了这方面的尝试。2020年9月，空壳公司发布了三种基于氢动力概念的飞机，其一是基于涡轮扇设计，航程约2000海里，可跨大陆飞行，可载客120~200人的氢动力飞机。该概念飞机由一个改装的氢能驱动燃气涡轮发动机提供动力。其二是基于涡轮螺旋桨设计，使用经过改装的燃气涡轮发动机提供动力，航程约1000海里，可载客约100人的氢动力飞机。其三是采用机翼与机身合并的混合翼体设计的氢动力飞机，航程约2000海里，可载客约200人。此外，荷兰代尔夫特理工大学还研发了氢动力无人机。该无人机使用氢燃料电池和辅助电池的组合作为动力源，配有压力300巴、容量6.8升的碳复合氢气钢瓶。气缸将低压氢气输入功率800瓦的燃料电池，然后将其转化为电能为无人机供电，其机翼上分布了12个可旋转角度的螺旋桨单元，可实现垂直起飞和降落，且在个别电机出现故障的情况下，无人机仍可维持飞行和着陆。

除了终端应用领域不断推进外，全球继续不断完善氢能基础设施。据市场研究公司Information Trends的《2021年全球氢燃料站市场》报告，截至2020年底，全球已有33个国家共部署了584座加氢站，其中欧盟189座，日本150座，中国111座，美国70座。2020年新增的在运营加氢站方面，亚洲是主导力量，中国、日本、韩国分别新增在运营加氢站49座、25座、19座。