隨著全球工業化進程不斷加快，化石燃料消耗量日益增加，對環境造成的污染越來越嚴重，迫切需要尋找一種作為替代品的清潔燃料。氫的來源豐富，不僅可以由其他能源來生產氫能，而且氫能可以高效地轉化為其他形式的能量。作為一種能源載體，氫在交通、工業和建筑等各個領域中都有重要的應用，并且使用氫能可以提高能源系統的靈活性。為此，需要對氫能和燃料電池的關鍵技術、未來發展方向和重點進行研究。(本文為國際能源署IEA發布的最新版《氫能與燃料電池技術路線圖》中文譯本)

氫能源的重點應用領域

氫能源在國際上廣泛應用在交通、工業、建筑等領域，極大豐富了能源構成，降低了傳統化石燃料對環境的影響。

(一)交通領域

在交通領域中，用氫燃料電池取代化石燃料給汽車提供動力，能夠有效地解決空氣污染、噪音污染和CO2排放帶來的全球氣候變暖等環境問題。

氫燃料優化汽車效率。氫燃料電池電動汽車從本質上講是一個電動汽車。氫氣儲存在車上的高壓罐內，通過燃料電池將氫能轉化成電能給汽車提供動力。能量儲存在電池里面，使用電池里的電能可以優化操作效率。由圖1可以發現，與內燃機汽車和插電式混合動力汽車相比,氫燃料電池能明顯的降低碳排放量，同時其最大行駛里程可以達到純電動汽車的3倍。

氫燃料電池汽車價格居高不下。2015年，豐田公司宣布最新的氫燃料電池汽車在試運行期價格是6萬美元，但是該價格可能主要反映的是客戶的支付意愿，而不是生產汽車的成本，因為氫燃料電池汽車目前主要是針對高收入群體和汽車技術愛好者，并且要求在居住地附近有相應的加氫站。到現在為止，只有美國、德國、日本和韓國的部分城市擁有了配套的加氫站。通過表1的汽車動力方案成本之間的對比可以發現，與其他幾種汽車供能方式相比，燃料電池汽車的價格雖然目前價格很高，但未來有很大的下降空間，到2050年可以下降到現在價格的55%左右。

降低成本是發展氫燃料汽車的關鍵。從表2可以看出燃料電池系統的高成本增加了整個汽車的成本，未來的主攻方向是如何在減小成本的同時延長使用壽命。降低燃料電池系統的成本從理論上講是可行的，并且很大程度上決定了整個汽車的成本。但是高壓罐的成本卻很難下降，因為高壓罐的成本很大程度上取決于昂貴的復合材料，所以目前的研發重點集中在降低高壓罐的復合材料成本。電池和電力控制系統的成本隨著技術的進步都會有一定的下降，因為材料的限制不會下降得太多，但是高技術的融入會延長電池使用壽命，從而提高整個汽車的使用性能。

(二)工業領域

在工業領域中，氫氣一直是最重要的原材料之一，并且通過氫的使用可以使精煉等行業達到基本無碳排放。到目前為止，氫的制造和使用都局限在工業領域中，主要用途是作為化工行業的原材料。在過去，石油化工企業主要通過石油裂解來制造氫氣，但是現在，隨著對氫氣需求的增加，企業開始更多地使用天然氣蒸汽轉化法生產氫氣。大部分的氫氣在精煉行業作用是加氫處理、加氫裂化和精煉過程中脫硫等，不斷地追求高品質，導致了對氫氣需求的不斷增長。除了常規的燃料精煉，由木質纖維素生產的生物燃料也需要相當數量的氫氣用作加氫脫氧。氫氣還可以在鋼鐵生產中可用作還原劑，取代部分焦炭的使用，同時，氫氣也是鋼鐵工業中產生的副產物的一部分，但是在大多數情況下，這些廢氣直接被用來燃燒，如果能把其中的氫氣收集起來就可以減少利用化石燃料生產氫氣的壓力，從而提高整體能源使用效率，減少碳排放。

(三)建筑領域

在建筑領域中，運用氫能微型熱電聯產機組技術可以極大地提高能源利用效率，建設節能環保型建筑。微型熱電聯產裝置可以利用發電過程中產生的廢熱來供暖，這可以顯著提高建筑物整體能源效率。當前大部分地區都采取分布式發電和供熱系統，在沒有集中供熱網的區域，應用這種微型熱電聯產裝置，就有很大的優勢。目前已經可以在市場上買到很多利用天然氣發電的內燃機熱電聯產系統。用燃料電池熱電聯產系統取代傳統的內燃機系統可以提高燃料的使用效率，在如今的技術水平下，燃料電池微聯產系統的發電效率是42%，比內燃機微聯產系統高出10%，但是不足之處是燃料電池微聯產系統的成本太高。

氫能和燃料電池關鍵技術

氫能和燃料電池的關鍵技術主要是氫能的生產工藝、燃料電池技術、氫燃料的運輸與配送，以及可再生能源集成等。

(一)氫氣生產工藝

氫氣的生產工藝主要有蒸汽甲烷重整和電解制氫兩種，如表3所示，兩種生產方式各有優缺點，可以根據加氫站的布置情況來選擇。

蒸汽甲烷重整。目前，大約48%的氫氣是由天然氣通過蒸汽甲烷重整工藝生產，即在高溫、催化劑的作用下，甲烷和水蒸氣發生的反應生成氫氣的過程。如果廢氣中的二氧化碳濃度較高時，蒸汽甲烷重整工藝就需要采用CO2捕捉與封存技術，來控制碳排放量。用這種方法大規模生產氫氣的成本主要由天然氣價格決定，例如目前美國天然氣的價格是每千克0.9美元，歐洲的天然氣每千克2.2美元，日本的天然氣每千克3.2美元。重整工藝并不局限于使用天然氣，所有富含氫元素的氣體都可以用重整工藝生產純凈的氫氣，同時氫氣也可以從其他化石資源中生產出來，如煤、生物質或有機廢料等。

電解制氫。電解法是通過施加一個直流電把水分離成氫氣和氧氣，把電能轉化成化學能。對于僅使用電能作為輸入能量的電解槽(無外熱)，隨著電池電壓的升高，制氫效率會降低，而產氫速率卻會提高。因此對于給定幾何形狀的電解槽，工程師需要平衡電解槽效率和產氫量之間的關系。不同類型的電解槽可以按電解質和電荷載體的不同，分成堿性電解槽、質子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽等。堿性電解槽是目前最成熟的技術，并且投資成本比其他的電解槽要低很多，但是質子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽更有希望降低成本和提高效率。選擇電解槽工藝需要找到一個減少投資成本和實現效率提高的平衡點。由圖2可以看出質子交換膜電解槽在成規模生產時有望進一步降低成本。

(二)氫燃料電池技術

氫燃料電池不僅高效能，而且環保，尤其是質子交換膜燃料電池，未來市場發展前景廣闊。

氫燃料電池的高性能。氫燃料電池是通過含有大量氫氣的燃料與氧化劑發生化學反應直接產生電能，而不是利用燃燒來供能。相比于其他把化學能轉化成電能的過程，它的發電效率更高，通常能達到32%-70%。一般而言，燃料電池里的燃料除了氫氣，還有天然氣、甲醇和柴油等其他液體燃料。如果使用的是純氫氣，燃料電池的排氣是水蒸氣，那么它對環境的影響可以忽略不計。雖然使用了烴類的燃料，就會有二氧化碳的排放，但是即便這樣，使用燃料電池仍具有減輕碳排放的環境價值。

燃料電池類型。燃料電池可以根據它們膜的類型和操作溫度分成不同的類型。燃料電池可分為：(1)質子交換膜燃料電池(PEMFC);(2)堿性燃料電池;(3)磷酸型燃料電池(PAFC);(4)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC);(5)固體氧化物燃料電池(SOFC)。

質子交換膜燃料電池。質子交換膜燃料電池是燃料電池電動汽車最適合的選擇。類似于電解槽，燃料電池也有一個電效率和功率輸出的平衡。電效率在低負載時很高，且隨著功率輸出的增加而降低。質子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的操作溫度比較低，在80℃左右，另外的燃料電池操作溫度就比較高，可以達到600℃(固體氧化物燃料電池)，這使得它們可以適用于熱電聯產系統中。

(三)氫燃料運輸與配送

氫燃料的廣泛應用，依賴完善的氫燃料運輸配送基礎設施，來保障氫能的高效使用。

加氫站。加氫站是燃料電池電動汽車燃料供應鏈中一個至關重要的因素，提供盡可能多的加氫站是實現消費者利益的先決條件。加氫站的設置在很大程度上是由每日氫燃料的需求量、車載氫燃料的儲存方式，以及氫燃料的制造和運輸方式等決定的。確定一個加氫站大小是關鍵的一步，一個小的加氫站初始階段可能每天只需要50kg到100kg，但是在成熟以后的市場里，加氫站每天可能會需要2000kg氫燃料。加氫站的氫燃料可以由下面的兩種途徑來提供：(1)從一個集中生產氫的工廠運輸到加氫站;(2)在加氫站里用較小規模的電解槽和天然氣蒸汽重整生產氫氣。每種方法都各有優點和不足：大規模、集中式制氫在大規模經濟下盡量減少了制氫成本，但卻需要運輸氫燃料，這增加了使用氫的成本;在分散制氫、小規模制氫的情況下，減少了運輸和配送成本，但是卻增加了制氫的成本。因此，尋找最佳的網絡配置需要詳細分析并考慮多種因素，如制氫資源地理分布、現存基礎設施情況和加氫站預計氫燃料需求量等。

氫氣運輸和配送。氫氣的運輸和配送方式主要有三種：氣體管運輸、液化罐運輸和管道運輸(如表4)。在選擇氫氣的運輸方式時，需要綜合考慮的固定成本和可變成本。氣體管運輸投資成本最低，但由于輸送容量小，可變成本很高;與之相反的則是管道運輸，高投資成本增加了固定費用，但卻降低了可變成本。選擇運輸途徑時需要考慮很多因素，其中加氫站氫氣需求量和運輸配送距離是兩個最重要的因素。目前在管道運輸方式上已經有相當豐富的經驗，美國現有的氫氣管道系統已達2400公里，歐洲已經接近1600公里。加氫站與氫燃料運輸配送技術之間的聯系是顯而易見的，對于小加氫站，可以采用氫氣氣體罐運輸或者現場制氫，而對于日用氫量大于500kg且沒有現場制氫的加氫站，液化運輸和管道運輸是最好選擇。因此，加氫站的設置決定了氫燃料運輸路徑的選擇。

(四)可再生能源集成

氫能高效轉化為電能。能否保障電網的供應可靠性是集成可再生能源的關鍵所在，這很大程度上取決于能源的儲存方式。用光伏、風能和潮汐能等可再生能源來發電，可以解決困擾整個世界的能源問題和環境問題等。但是，可再生能源具有間歇性和分散性的特點，這對需要以最大限度保證電力供應可靠性的電網系統提出了全新的挑戰。對于長期的大規模的儲能系統，儲存能源的能力是有限的，而且電解槽和燃料電池等技術組件非常昂貴，我們需要在低成本的前提下保證能源儲存系統的儲能效率。

地下儲氣庫。將生產的電能轉化為氫氣，再把液態氫注入地下空間而形成一個地下氫氣儲氣庫無疑是一個很好的選擇。地下儲氣庫具有以下優點：(1)儲存量大，機動性強，調峰范圍廣;(2)經濟合理，雖然造價高，但是經久耐用，使用年限長達30到50年或更長;(3)安全系數大，安全性遠遠高于地面設施。表5顯示，針對不同的地下儲氣庫，在綜合考慮安全性、技術可行性、投資成本和運營成本等指標時，地下巖溶儲氣庫是氫氣儲集的最好選擇。以氫氣為基礎的可再生能源整合系統，要基于多個變換步驟，導致在整個轉化鏈中能量有效利用率較低，只有20%-30%，并且轉化步驟越多，整體的效率越低，技術上還有很大的提高空間。

近期重點任務

為了促進氫能和燃料電池技術的發展，下一步需要集中資源，促進跨領域的合作，部署氫燃料電池的產業鏈，逐步完善相應的政策和監管框架。

(一)促進氫能帶來的跨領域合作

發展氫燃料電池需要不同領域之間的合作，政府需要從以下幾個方面來推進合作：(1)鼓勵提高燃油效率和降低溫室氣體排放的技術，建立包括碳定價、關稅、燃油經濟性標準、可再生燃料標準等在內的一些穩定的政策和監管框架;(2)刺激氫能和燃料電池技術的投資和早期的市場部署，通過有效的政策支持來降低成本;(3)強化終端應用中關于安全性和氫能計量的國際規范和標準;(4)釋放公共和私人資金，加大氫燃料電池和電解制氫裝置的關鍵技術研發，支持持續性的技術進步和創新，加強交叉領域的研究力度，例如新材料領域，有些關鍵性材料在改善氫燃料電池性能方面可以起到變革性的作用;(5)促進國際間的項目合作，把資金投入到世界范圍內最有希望攻克技術難點的科研機構，從而保證科研資金的使用效率;(6)建立量化能源系統集成效益的模型，分析能源發展帶來的區域性影響，增進不同能源系統之間的合作和相互理解。

(二)建立氫燃料電池汽車產業鏈

建立一個燃料電池電動汽車的產業鏈，并且完善相應氫燃料的生產、配送和補給站等基礎設施，在全世界范圍內選擇合適的區域，建設至少500到1000個加氫站和一些跨國項目。通過這個產業鏈和相應配套的運行情況，來判斷氫能源汽車的經濟性和實用性。在具有氫燃料電池汽車技術研發基礎的歐洲、日本、韓國和美國部署方案，讓這些地區的國家政府參加制定緩解風險策略，發展金融工具和創新的商業模式，完善燃料電池電動汽車市場推廣零售基礎設施。增加可以集成可再生能源的氫能源系統的數量，并且收集這些能源系統在現實條件下的性能數據，通過分析數據盡可能地降低成本和優化系統效率。

(三)完善相應的政策和監管框架

氫能和燃料電池路線圖強調了制定相關政策時面臨的一些具體挑戰，這些挑戰主要包括道路交通運輸領域的碳排放限制、大量集成可再生能源的目標，以及低碳化、低成本的氫能和燃料電池生產技術等。迎接挑戰，需要有良好的政策方針來刺激技術解決方案之間的有效競爭，當然這些政策方針不應該局限于氫燃料電池。相關政策應該給具有發展前景的技術提供定向支持，朝著降低成本和提高性能的方向發展，以便于早日實現市場化。

政府支持和保障。政府可以充當催化劑的角色來促進氫能和燃料電池技術的發展，提供經費支持氫能開發示范基地建設，并制定相應的扶持政策。政府需要在能源利用和氣候等方面制定長遠目標，并營造穩定的發展環境，來保障各項能源發展和氣候指標的實現。

激活社會資本。調動社會資本是氫能和燃料電池技術的大規模部署的先決條件。在過去的十年中，一些倡議聯盟和伙伴關系已經建立，以協調利益相關者之間的行動，并確保資金的順利流轉。例如，為加大氫能開發和建設相關基礎設施，積極引進燃料電池生產商、汽車制造商、電力供應商、運輸服務提供商等各個環節的企業，通過協調利益相關者之間的行為，來降低投資風險。這些舉措最終成功與否將取決于其能否實現不同利益相關者的利益。在全球范圍內，近些年每年都有幾百億美元花在氫能和燃料電池技術以及相關的基礎設施建設上。

展望與建議

(一)展望

國際能源署希望通過限制CO2等溫室氣體的排放，來控制全球溫度上升不超過2℃。如果要在2050年實現這個雄心勃勃的目標，全球所有與能源相關領域的碳排放總量要降低到當前值的一半以下。其中，能源的生產和輸送環節，要完成減排任務總量的一半左右，而如此低碳的能源系統就必須依賴于在能源生產部分徹底減少碳排放量，其中關鍵是要部署風能、生物質能和水電等可再生能源的應用。要實現溫度升限2℃以內的目標，到2050年可再生能源發電量要占到總發電量63%的比例。剩下約一半的減排任務就由交通、工業和建筑等重點應用領域來完成，需要在能源的終端應用上提高效率，利用低碳的氫能、生物質能和其他可再生能源來代替傳統的化石能源。

(二)建議

針對氫能和燃料電池發展中的問題，建議政府、工業、科研等部門和領域給予政策保障和技術支持。

政府部門。為實現長期的氣候和節能減排目標，建立穩定的政策和監管框架，制定碳定價、燃料關稅或可再生燃料標準，在所有能源領域鼓勵使用高燃油效率和低排放技術。在現有的基礎上，強化道路交通領域的燃油經濟性，并且限制CO2及其他污染物的排放。該報告對政府提出了以下具體建議：(1)以適當的經濟政策來限制化石燃料汽車的數量，如綜合稅制系統、對排放CO2為主的機動車征稅等;(2)加強政策框架建設，解決運輸部門的排放問題;(3)建立市場框架，以適當的報酬來激勵能源存儲技術所提供的動力系統服務;(4)完善安全法規，解決在氫氣的運輸與配送、零售基礎設施以及氫計量標準之間的安全問題;(5)支持部署氫能開發示范基地，提高對氫能源關鍵技術的研究投入力度，比如電解制氫和燃料電池等;(6)解決潛在市場壁壘，例如原材料的供應等;(7)擴展宣傳和教育計劃，以提高民眾的認識。

工業領域。需要確定燃料電池和電解槽最低成本系統的設計和制造方法，延長其使用壽命，減緩老化速度。通過證明燃料電池電動汽車在道路上的實用性和整個產業鏈的經濟性，提高其使用率。根據不同地區的具體特征，因地制宜地加速發展基于化石燃料的氫生產工藝，并且做好生產過程中的CO2減排措施，早日形成成熟的商業體系。

科研領域。分析能源供應與需求情況，研究不同能源之間的聯系，研究基于氫能的可再生能源轉化系統。氫氣的生產方面，要盡可能地降低上游生產領域和配送領域的碳排放量，同時降低成本，提高資源的利用率。在氫氣的儲存方面，要獲得適用于地下儲氣庫區域的地質構造數據。在氫能的使用端，要制定出相應的使用規范，以提高氫能使用的安全性和環保性。