氢气的应用

对于氢气的应用，不管是国际还是国内，当前均主要用于工业用途，在石油炼制、石化产品生产、化肥、新型合成燃料工业等领域不可或缺，过去近50年间，仅仅是上述工业的快速发展，对氢的需求量就至少增加了27倍。耗氢最大的用途在合成氨，其次是合成甲醇（包括煤经甲醇制烯烃），两者合计占了全部消耗量的60%；炼厂用氢与现代煤化工（煤间接液化、煤直接液化、煤制天然气、煤制乙二醇）需求量为820万t/a，占比将近1/4。我国氢气几乎全部属于现场生产并消费，极少量的氢气通过长管拖车以高压气体的形式储存和输送。未来燃料电池车用氢气消费预计将不断提高，且其对氢气品质要求较高，但国内成熟的车用高品质氢能商业模式尚未构建。

与国外燃料电池乘用车推广数量远大于商用车不同，我国燃料电池车开发目前以商用客车与专用车为主。国内外燃料电池系统在车用领域技术路线有所差异：一方面，国内由于在燃料电池电堆功率密度这一核心指标上同国际先进水平有较大差距，燃料电池还达不到在乘用车上商业化应用的要求，与乘用车空间小、对燃料电池体积要求高不同，商用客车有相对较大的空间，对电堆功率密度要求较低，可以使用功率密度低但是寿命更高的石墨双极板燃料电池电堆；另一方面，乘用车多为私家车，目前加氢站的数量少，不能满足私家车需求。而客车和专用车对空间要求较为宽泛，对加氢站布局密度要求也较低，车辆使用地区附近有一座即可满足需求，故国内燃料电池车主要在客车与专用车领域发展。同时，受国内新能源车补贴政策以及国内技术特点的影响，国内燃料电池大巴基本都采用燃料电池＋锂电池的“电—电”混合的方式提供动力，比如2019年以前国内的亿华通、宇通、佛尔赛等普遍采用典型的“30kW燃料电池＋约60kW·h锂电池＋约120kW电机”模式来提供动力。“电—电”混合的优势在于既能发挥燃料电池续航能力强的优点（通过增加氢气罐数量或者增大容积），又能够通过锂电池有效弥补燃料电池成本高和功率不足的问题。“电—电”混合模式降低了纯燃料电池驱动带来的技术挑战，同时在燃料电池成本还很高（2019年超过5000元/kW）的情况下，使用中等功率的燃料电池电堆能够有效降低整车的成本，又能够保证整车的性能水平。从燃料电池车产销来看，截至2020年底，我国燃料电池车保有量超过7000辆，其中2019年燃料电池车总产量约2800辆，相比2018年的1618辆同比增长73%，其中客车占44%，专用车占56%；2020年中国燃料电池汽车产量为1199辆，同比减少57%，其中客车占比大幅提升至接近90%。这主要是由于政策转向及燃料电池汽车示范城市群的开展导致的销量延迟，随着示范城市群申报进展完成，氢燃料电池车销量将再度迎来增长。

经过几年的快速发展，国内燃料电池领域核心技术明显提升，国内已有多家企业推出单堆功率超过100kW的产品，功率密度达到3kW/L~4kW/L，接近世界先进水平，并且实现了较大幅度的成本下降，2020年电堆最低报价达到1699元/kW。核心零部件方面，膜电极、空压机、双极板等国产化进展迅速，正快速缩小与国际先进水平的差距，2020年成本同比降幅达30%以上；电堆与系统集成技术水平与国际并跑，并向高功率、高集成、低成本方向发展。随着产业链竞争加剧及产业链不断完善，上海捷氢、重塑科技等企业快速拓展市场，在一定采购量支持下，燃料电池系统价格分布在5000~12000元/kW。关键材料方面，近几年技术有所突破，但整体水平与国际先进水平仍有较大差距，产品对外依赖度较大。质子交换膜和气体扩散层（碳纸）技术水平显著提升，但产业化仍有待突破；催化剂已实现量产，但仍跟跑国际先进水平。

除了客车和专用车外，燃料电池乘用车、重型卡车、船舶以及有轨电车等终端应用也在不断发展，尤其是燃料电池重卡车型开发，进展较为迅速。国内主机厂中陕汽L3000燃料电池车样车应用于环卫车市场，峰值功率达到160kW，续驶里程估计可达到300km。中国重汽先后开发出HOVA氢燃料电池偏置港口牵引车与豪沃（HOWO）燃料电池垃圾压缩车，其中HOVA燃料电池偏置港口牵引车采用峰值为260kW的驱动电机，拥有4260Nm的超大扭矩，在一般公路上可持续行驶112km；而HOWO氢燃料电池垃圾压缩车电机功率为120kW，扭矩达到1100Nm。潍柴2018年就已经宣布正式进军燃料电池动力领域，计划在2021年底前在中国为商用车提供至少2000套燃料电池模组。一汽解放、大运重卡、徐工等各家商用车企研发的氢燃料电池重卡也已经出现在大众视野中。2020年底，宝钢股份接收了由苏州金龙生产的60辆42吨氢燃料电池半挂重卡，这是全球迄今为止最大一批氢燃料电池重卡交付，配套电堆来自清能股份子公司上海清能所生产的VLSII系列燃料电池电堆，额定功率为150kW，采用超薄型石墨极板技术，体积功率密度达4.2kW/L。燃料电池船舶方面，我国已推出拥有自主知识产权的船用燃料电池系统，首艘燃料电池游艇“蠡湖”号完成试航，这标志着我国燃料电池在船舶动力的实船应用上迈出了关键一步。

国内面向应用于分布式发电站的燃料电池系统目前还处于实验研发阶段。由于大电网供电可靠性较高，且用户侧电价相对偏低，当前国内分布式氢能市场需求较为有限，小型燃料电池热电联产处于示范运行的早期阶段。多家科研机构、高校、企业单位参与推出了自行研制开发的热电联供系统，还有少数试验性的产品和项目。备用电源于2009年起步，具备良好的技术基础，已能满足通信应用领域的主要功能需求。弗尔赛能源、同济大学、武汉理工大学、上海攀业、国鸿氢能、高成绿能等企业和单位陆续开发出了样机及相应产品，技术水平达到国外同期指标水平，部分技术指标水平国际领先。目前在全国通信行业累计应用量约为300套，功率等级为3kW~5kW。对分布式发电系统已开展相关研究，多家单位推出了基于各种燃料电池类型的发电系统。中科院大连化物所研制出10kW PEMFC分布式发电系统，实现天然气重整PEMFC一体化热电联供。国内已建成多个千瓦级、十千瓦级SOFC分布式发电示范项目。潮州三环、武汉华科福赛、苏州华清京昆、宁波索福人等公司已具备了量产SOFC单电池、电堆能力。大型发电系统IGFC相关研发较少，仍处于小型样机的研发和示范阶段，燃气轮机基础较为薄弱。2018年8月，晋煤集团煤化工研究院宣布打通全国首个以煤为原料的15kW级SOFC项目的全流程，是国内首个实现工业化运行的SOFC系统。氢能除了以燃料电池方式的应用外，在我国以其他方式的多元化应用示范取得积极进展。在工业领域，全球最大规模的太阳能电解水制氢储能及综合应用示范项目在宁夏宁东能源化工基地展开，该项目是我国煤制烯烃行业首个引入绿氢的项目；由中国科学院大连化学物理研究所研发的千吨级液态太阳燃料合成示范项目，2020年10月在甘肃兰州通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，该项目利用可再生能源制氢制取合成燃料，为解决可再生能源消纳和二氧化碳利用问题提供了新的解决方案；2020年11月，特诺恩与河钢集团签订合同，开工建设绿氢直接还原铁工厂。

2020年1月，由中国科学院李灿院士团队主导的国内首个太阳能燃料生产示范工程在兰州新区精细化工园区落地。该项目占地19.27万m2，将建设年产1440t甲醇的制备装置，总投资1.41亿元。项目由光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢合成甲醇三大系统单元组成，通过装机规模为10MW的光伏发电单元向2台功率为1000Nm3/h的电解槽供电，实现电解水制氢，制取的氢气与气化后的二氧化碳在催化剂作用下反应合成甲醇。

“液态太阳能燃料合成—二氧化碳加氢合成甲醇技术开发”项目，即太阳能等可再生能源电解水制氢及二氧化碳加氢合成甲醇技术开发项目，由兰州新区石化产业投资有限公司、苏州高迈新能源科技有限公司、中科院大连化物所三方合作开发建设。该项目利用可再生清洁能源太阳能发电，最终制备甲醇，形成低碳运输燃料，实现甲醇重整制氢及氢燃料电池在重卡等商用车上的技术应用。

项目重点研究高效电解水制氢以及固溶体催化剂催化二氧化碳加氢合成甲醇技术，能够有效提高光伏电能的利用率，是太阳能制液体燃料的重要途径。产品甲醇作为最基础的化工原料之一，主要用于生产甲醛、二甲醚、醋酸等化工产品，也可用来生产烯烃、芳烃、汽油等化学品或燃料，可以缓解对石油资源的依赖。项目建成后将产生“聚集”效应，吸引一大批精细化工科技成果到兰州新区进行转化，提升精细化工园区技术水平，形成相辅相成的持续化绿色发展模式。

数据资料来源：

《氢能产业有序发展路径和机制》钟财富

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