燃料电池汽车商业化的拦路虎：亟待发展的氢能源产业链

嘉定智能低碳汽车科普生态建设项目 两只猫

在初中化学课本里我们知道氢气燃烧产物只有水，是一种非常清洁的能源，那么为什么已经到了21世纪氢能源还没有普及呢？其实早在20世纪70年代，液态氢就已经应用于美国的双子星五号太空船和阿波罗宇宙飞船上，美国也因此成为了世界上第一个应用氢能源技术的国家。

然而成本问题始终是氢能源技术发展上的最大障碍，也因为成本问题，20世纪末期到21世纪初期，氢能源的使用基本处于停滞状态，这种情况一直持续到2014年。在2014年日本燃料电池技术取得突破，丰田和东芝公司在全球首推家庭燃料电池汽车Mirai，它的续驶里程达到500千米，同时补充氢燃料仅需三分钟。自此，氢能源在交通领域的应用又重回到大众视野中。

图1 丰田燃料电池汽车2015款Mirai

目前燃料电池已经在航天航空、家庭热电联供以及商用车等各个领域得到使用。从全球角度来看，日本的积极推动使得氢燃料电池汽车得以现世；从市场的角度看，能最大程度利用氢燃料电池的还是交通运输领域。

氢燃料电池技术的发展，为氢燃料电池在汽车上的使用铺平了道路，可是多数资本却并没有选择进军燃料电池汽车领域而选择了锂电池汽车，原因之一就在于氢燃料电池的燃料——氢气，它的制备、储存、运输的成本让燃料电池汽车的成本大大增加。毕竟传统燃油车已经发展得十分完善，加氢站也不像加油站那样普及，这一系列因素都在阻碍燃料电池汽车进军主流汽车市场的步伐。

接下来我们聊一下氢能源产业链，也就是为什么氢气作为燃料，它的成本会如此地高昂。氢能源产业链包括氢气的制取、氢气的储存、液氢的运输以及最后氢气的利用。氢燃料电池的发展已经可以满足最后一项——氢气的利用，然而作为氢能源产业链基础的氢气的制备，以及氢能源产业链生命线的氢气的储存和运输还亟待发展。

图2 氢能产业链

氢能产业链上游：氢气的制备

氢气的来源主要有三种：电解水制氢、天然气等化石燃料重整制氢、工业副产氢提纯制氢。其中前两种方法与节约能源保护环境的可持续发展目标相悖，因为用这两种方法制备氢气本身就造成了资源的浪费与环境的污染。关于第一种电解水产生氢气还有一个有趣的新闻，“水氢发动机”：号称发明了一种新型催化剂，车载水可以实时制取氢气，车辆只需加水即可行驶。但我们要知道，水可以通过电解作用被分解成氢气与氧气，但其中必须要有能量介入，根本不是只加水就能让汽车跑起来，这种能量也根本不是什么“催化剂”。

表1 中国各类制氢技术成本对比

从表1中可以看出在制氢成本上，采用的方式不同，所需成本有较大差异。目前我国最成熟、最便宜的氢气制备方式是煤制氢，其成本大约为天然气制氢的70%～80%。虽然煤制氢产业成熟、产量大、成本低，但是其生产方式仍然消耗大量的化石燃料，在制氢过程中碳排放量较大，而且会造成一定的环境污染。

就现阶段来看，选择成本较低、氢气产物纯度较高的工业副产氢制备氢气更为合理。相比较而言，工业副产气制氢除了生产规模上的劣势，其他主要指标均优于煤制氢。各种化工过程，比如电解食盐制碱工业、合成氨化肥工业，会产生大量的副产气体，但是由于其中氢气浓度低等问题，在氢气回收技术不过关的年代，采取的多数办法是直接燃烧掉，我国每年95%以上的工业副产氢都没有得到充分的利用，氢气提纯技术还在发展之中。如果氢气回收技术与提纯技术得到发展，工业副产氢就可以作为合适的氢气来源。

电解水制氢主要是利用可再生能源如风电、光电等进行发电，将产生的电力作为动力生产氢气，其成本与电力成本高度相关。尽管电解水制氢清洁、无污染、制氢高纯度，但制氢产业不能直接利用风电或光电进行生产，其成本较高约为20～22元/千克，随着风电、光电上网规模不断扩大和技术持续进步，可再生能源制氢的成本仍有大幅下降的空间。如果利用趋于成熟的Power to Gas (PtG)技术，将可再生能源产生的无法并网的弃电用以电解水制氢，其制氢成本颇具优势，同时还可以解决可再生能源的消纳问题。

图3 PtG技术与应用示意图

氢能产业链中游：氢气的储运

另一方面，氢气制备成功后还需要安全的储存与运输，然而因为氢气本身的性质导致氢气的储运难度非常大，高密度储氢一直是一个世界级难题。

安全高效的储存技术是实现氢能利用的关键。目前主要分为两大类：物理储氢与储氢材料储氢，其中较为成熟且前景较好的氢气储氢方式有：高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢以及有机液体储氢这四种。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低温液态储氢。

表2 四种储氢方式对比

高压气态储氢是现在最常用并且发展比较成熟的技术，储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里，其储存量与压力成正比。它的优点是结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快，缺点是安全性能较差，且体积比容量很低，储氢密度受限，因此只能作为过渡阶段使用，并非理想的长期储氢选择。

低温液态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，因此低温液态储氢具有储氢密度高、储存容器体积小等优势。但由于其对储存容器要求高、储量有限，成本极高，所以仅适用于不太计较成本问题且短时间内需迅速耗氢的航天航空领域。

与前两种储氢方式比较，金属氢化物储氢以及有机液态储氢这两种利用储氢材料来储氢的方式就成为未来较好的选择。储氢材料储氢的优势是储氢体积密度大，储存空间少，且氢气装载、运输、储存、使用等环节操作容易、成本较低、安全性好，弥补了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点，是最具发展潜力的储氢方式。

图4 典型储氢方式

在氢气运输方面，可以分为容器运输和管道运输。

氢气可以以压缩气体、液体或者存储在氢化物的形式进行容器运输。近距离的氢气运输主要采用长管拖车进行输送。洲际间的氢气运输可利用船舶集装箱液态运输，类似于当今液化天然气运输。液氢的密度比天然气要低很多，因此运输成本更高。此外，氢的洲际运输还存在其他安全问题，如容器泄漏，氢气装填和卸载时发生事故，船只碰撞等。

氢气运输的另一个主要方式就是管道运输。由于氢气与天然气性质相似，氢气在管道中的运输方式也与天然气的极为类似。但是氢气的管道运输还要解决一些问题，氢气的扩散损失大约是天然气的3倍，材料吸附氢气后产生脆性，需要增加大量气体监测仪器与设备，这也使得运输过程中的成本大大增加。

氢能产业链下游：加氢站的建设

加氢站是氢能大规模应用的关键性基础设施，要实现燃料电池汽车的商业化，建设加氢站是必要的。加氢站建设运营成本高。目前，中等规模的加氢站平均建站费用约1000万～2000万元，其中最为关键的设备压缩机因依赖进口，成本占到总成本的约27%。其次是储氢和加氢设备，分别占总成本的20%和16%。目前建设一座固定式加氢站的投资成本约为1500万~2000万元，即使扣除掉政府补贴的300~500万元，一座加氢站的投资成本仍然高达传统加油站的两到三倍。尽管国家及各省市均出台针对加氢站建设的补贴政策，高昂的建设成本依然是加氢站规模化发展的最大障碍。氢能市场目前以公交、物流车示范为主，需要与公交公司、政府部门协调，推动示范项目实施，但由于运营成本高原因，短期内盈利空间不大，目前推进动力不足。在氢燃料电池技术得以突破之后，加氢站的覆盖率也是氢燃料电池汽车步入市场的最后也是最重要的一个环节。

图5 加氢站

总的来说，我国的氢能产业链还不够完善，尚处于初步发展阶段。从制氢、储氢运氢到氢能的多方式利用，整个产业链上中下游，我国大多数都有涉猎，但发展仍处于局限在少数地区的试点示范阶段，发展总量也比较有限，需要加快发展。随着氢能产业链的不断深入和氢能在各个领域的规模化应用，目前成本过高、技术瓶颈、技术标准不统一等制约氢能发展的瓶颈问题会逐步得以解决，随着氢能产业链建设标准更加健全、审批管理制度更加规范、发展政策更加明确，国内氢燃料电池汽车将迎来黄金发展阶段，相信随着氢能产业链越来越完善，燃料电池汽车也会迎来真正的商业化。

嘉定智能低碳汽车科普生态建设方案，上海市科委科普项目资助（项目编号：20DZ2306500）