全球氫能源與氫燃料電池技術研發及商業化探索

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，人類對氫能的應用自200年前就產生了興趣，到20世紀70年代以來，世界上許多國家和地區就廣泛開展了氫能源研究。

2015年被認為是氫燃料電池的產業化元年，氫燃料電池技術研究百花齊放、氫燃料電池汽車投放市場、氫燃料電池固定式發電進入商業化運營模式、不斷開拓氫燃料電池在其它應用領域的商業化發展道路。

從氫能與氫燃料電池全球發展的總體來看，歐美日等發達國家繼續加大研發投入和政策扶持，氫能與氫燃料電池在交通領域、固定式發電領域、通信基站備用電源領域和物料搬運領域都顯示出市場化的跡象，氫燃料電池技術應用總體已經在商業化初期嶄露頭角。其中，豐田汽車公司的MariaFCV和現代汽車公司ix35FCV的早期市場化推進，以及配套的加氫站建設進程特別引人注目，相信兩大汽車廠商的舉動和取得的成果將會給予其他汽車公司加入氫燃料電池汽車商業化極大的勇氣，讓人們對氫燃料電池汽車在未來的發展更加期待。

第一節研究開發模式

1、德國模式

德國氫能經濟走的是一條由上至下的發展道路，首先重點發展電轉氣模式，以期儘快為下游氫能應用提供便捷的基礎設施，進而激活下游應用場景。在氫能基礎設施布局方面，德國政府採取以核心城市為中心，並依託完備的天然氣管道系統逐步向外延擴展。

與此同時，德國政府和產業資本也積極推動氫能基礎設施的發展和建設。德國政府牽頭成立了國家全資公司（NOWGmbH），以支持氫能經濟的初期發展。該公司的管理層由德國聯通署、建築與城市發展部等5個部門組成。

為推動氫能發展項目的實施，NOW啟動了「國家氫和氫燃料電池技術創新計劃（NIP）」。通過NIP計劃，共募集14億歐元的專項資金用於2007~2016年的氫能項目開發。募集資金中的7億歐元由德國政府出資，剩餘資金則按項目合作制度由產業提供。除此而外，由AirLiquide、Daimler、Linde、OMV、Shell和Total六家氫能產業的龍頭企業結成了H2Mobility聯盟，以社會產業資本的身份通過NOW一同支持德國氫能產業發展。

德國其他氫能產業資本也全力支持氫能經濟發展，目前有約300家上下游公司（包括汽車廠商和各類配件供應商）準備投入超過20億歐元，用於推動氫能基礎設施建設。

德國一些大型能源電力公司，如EON和ENERTRAG等都在政府的宏觀指導和具體支持下積極實施電轉氣項目，以期最終實現利用風能等可再生能源的大規模製氫，這將是今後大規模利用風能最有前景的技術路線之一。下一步德國計劃開展更大規模的20~50MW風力發電制氫的電轉氣示範項目，為未來的氫能經濟培育基礎。

圖1NOW領頭的德國氫能經濟發展規劃

圖2遍及全德國的天然氣管道是發展電轉氣（P2G）的天然優勢

2、日本模式

因能源匱乏，日本很早就將氫能經濟視為未來國家能源的發展方向，並已持續推廣多年。日本從1993年起就開始實施「世界能源網路計劃」，深入研究氫及其基礎設施技術，希望到2020年逐步推廣氫能。小泉首相在2002年2月的施政方針中明確表示：氫燃料電池是打開氫能源時代大門的關鍵，希望能在3年內投入使用。2002年，日本成立氫能與燃料電池展示項目組，當年投資20億日元，次年又投資25億日元。

進入21世紀以來，日本在氫燃料電池和氫燃料電池汽車領域成績矚目，成為引領「終極環保車」的時代先鋒。日本在2013年5月安倍政府推出的《日本再復興戰略》中，把氫能源發展提升為國策，並啟動加氫站建設的前期工作。2014年6月，日本內閣對該戰略進行了修訂，發出了建設氫社會的呼籲，明確政府將大力普及家庭和工業用氫燃料電池，以及2015年開始快速普及氫燃料電池汽車，推進氫燃料電池技術開發和降低成本，在2030年向市場投入530萬塊家用氫燃料電池，相當於日本家庭的10%。

此外，日本經濟產業省在2013年12月成立了由行業、研究機構和政府各界代表廣泛參與的氫和氫燃料電池戰略協議會。該組織在2014年6月公布了《氫和氫燃料電池戰略路線圖》，就日本氫能源政策、技術和發展方向等方面進行全面闡述，並制定出氫能源研發推廣時間表。日本2014年4月在出台的第4次《能源基本計劃》中，將氫能定位為同電力和熱能並列的核心二次能源，提出建設氫能源社會，即氫能源在日常生活和產業活動中普遍利用的社會。

《氫和氫燃料電池戰略路線圖》明確了當前到2050年之間的氫能長期發展路線圖，著重推廣氫能發電，以及氫能在叉車和船舶方面的應用、建立廉價的氫氣系統，促使氫能應用多樣化，並於2020年初步構建國際氫能供應鏈，以上經濟成果需要在日本奧運會上展示。

從日本氫能經濟長期發展路線圖可以看出，其選擇的是自下而上的發展路徑。日本希望在前期著重普及氫能及氫燃料電池的下游應用，並不斷拓展下游市場規模。

為了推進氫能經濟的初期發展，2014年日本提供約46億日元的財政補貼資金，2015年則為89億日元。這些資金將用於補貼50%的加氫站建設成本。日本產業省的全資公司VEDO公司負責管理日本氫能和氫燃料電池示範項目，該項目的目標之一是到2025年，在日本建立1000座加氫站。

在基礎設施布局方面，日本與德國一樣，首先在人口密集的區域建設基礎設施。日本將前期的基礎設施建在車輛集中且可能首先商業化的城市，並將加氫站布局在四個核心地區之間的高速公路上。

表1日本對加氫站的補貼標準

2015年，日本繼續保持了對氫與氫燃料電池的高強度投入。政府為氫燃料電池汽車消費者提供高額的補貼。如政府為購買Mirai的消費者提供300萬日元的補貼，補貼力度遠遠高於、美國及歐洲政府對電動汽車購買者的補貼。日本政府2016年投入氫能與氫燃料電池的財政預算達到601億日元，比2015年的430億大幅增加。

3、其他國家模式

目前歐美等國都制定了氫能發展戰略和詳細的計劃，並在迅速而有步驟地推進，已經取得了積極成果。

2002年10月，歐盟成立了氫燃料和燃料電池技術高級研究小組。

2003年，歐盟發布了「氫發展構想報告和行動計劃」，計劃在4年內投資20億美元，規劃到2030年使氫能源汽車的比例達到15%，2040年至少再翻一番，並創立歐洲氫燃料電池合作組織。歐洲「清潔城市運輸項目計劃（CUTE）」投資1850萬歐元，進行大規模的氫燃料電池公共汽車示範試驗。從2002年6月到2006年7月長期進行證實性產品生命周期分析和對氫燃料供應設施建設的運用驗證，應用多種不同的氫加註裝置，為今後動態地實用化做準備。

美國已將氫能源和氫燃料電池確定為維繫經濟繁榮和國家安全的技術之一，長期重視氫能與氫燃料電池技術的發展，各級政府均提供大量資金資助科研機構進行氫能的研發。

早在1994年，柯林頓政府實施「新一代汽車合作計劃（PNGV）」，耗資15億美元，開發三倍於當時燃料效益的新一代先進轎車。布希政府提出「自由轎車項目（Freedomcar）」以及「自由燃料計劃（Freedomfuel）」，總共耗資17億美元，從事氫燃料電池、氫能基礎建設與尖端車輛科技的發展。

2015年汽車廠商開始向市場供應氫燃料電池汽車可以說是氫燃料電池領域的一大新聞。隨著氫能源汽車的商業化，美國能源部於2015年12月15日宣布設立3500萬美元的基金，這筆資金的資助範圍涵蓋了氫氣的製取、儲存、運輸，基礎設施元件製造以及氫能及氫燃料電池技術的推廣等方面，主要研究制氫、儲氫、先進儲氫材料以及氫燃料電池性能等，希望進一步降低氫燃料電池成本以及提高燃料電池耐久性。

加拿大政府投入2.15億加元進行「氫能早期採用者計劃」，用於開發包括氫能高速公路在內的氫能源項目。加拿大政府還出資2300萬加元成立運輸燃料電池聯盟，用以展示氫燃料電池汽車。同類型的項目還有「加拿大燃料電池氫能社區夥伴」、「溫哥華氫燃料電池專案」以及「複合燃料電池運輸公共項目」等項目。同時，巴拉德公司支持加拿大政府在范庫弗峰和惠斯勒之間興建世界第一條氫能公路。通過使用建在公路上7個制氫點製取的氫氣，來促進車用氫燃料電池更廣泛的應用，這些僅僅是加拿大「氫能長期發展計劃」的一部分。

新加坡研究人員已成功研製出一種新型氫燃料電池，可用於機車。研究人員希望這種新型氫燃料電池將來能在電視、收音機甚至手機等電器上使用。

冰島58%的能源和近100%的電力來自水電和地熱，早在1999年冰島政府就提出到2030年將率先建成氫能經濟，首先更換首都雷克雅未克的全部公車，並使全部機動車和漁船使用氫燃料電池。

丹麥政府在2012年開始對純電動車和氫燃料電池汽車實行免稅政策，原政策在2015年到期。2015年11月，丹麥政府通過了一項政府決議，將延長現有對於氫燃料電池汽車的免稅優惠政策至2018年。

韓國對氫燃料技術的研究比美、日等國落後4～5年，但也公布了以氫為基礎的經濟能源政策，希望到2020年陸續投資8.43億美元，使交通對原油的依賴減少20%。

得益於韓國政府的鼓勵以及韓國自身資源的匱乏，氫燃料電池系統在韓國得到了極大的普及，政府的激勵措施已經到位，韓國政府制定了在2035年11%的電力由可再生能源提供的目標，而氫燃料電池技術正是主要選擇之一。首爾更是計劃到2030年將氫燃料電池電力的比例提升到50%。韓國政府對於氫燃料電池的政策支持包括可再生能源佔比條例（RPS），該條例規定發電量大於5000MWh的電力公司從2012年起必須至少有2%的電力來自於可再生能源，而這個比例到2022年將增加至10%。

蔚山市政府計劃通過部署超過1000台氫燃料電池車輛以及增加加氫站數量至10座以上來加快蔚山市氫能生態圈的建立。為此，蔚山市政府規劃到2017年將氫能源汽車增加到56輛，到2018年增加到200輛，2019年增加到700輛，最終到2020年增加到1000輛。同時，加氫站的數量由現有的1座增加到12座。

第二節商業化應用

氫能源在交通、工業、建築等領域的應用，可豐富能源構成。在交通領域中，用氫燃料電池給汽車提供動力，能夠解決空氣污染、噪音污染和二氧化碳排放帶來的全球氣候變暖等環境問題。在工業領域中，氫氣一直是最重要的原材料之一，並且通過氫的使用可以使精鍊等行業達到基本無碳排放。到目前為止，氫的製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。在建築領域中，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，建設節能環保型建築。

1、氫燃料電池轎車

2015年氫燃料電池汽車最引人注目的動態當屬豐田汽車公司MiraiFCV在美國加州的銷售。MiraiFCV推出前的預期目標是在2015年底之前售出400輛。但上市的第一個月內，豐田就已收到約1500輛的採購訂單。所以，豐田公司隨即調整了年度目標到3000輛，以滿足消費者的強勁需求。

在Mirai開發階段，與前一代2008FCHV-adv相比，成本已降低了95%。豐田相信隨著氫燃料電池汽車的銷量增加，其價格將會越來越低。豐田計劃在2020年在全球範圍銷售3萬輛氫燃料電池汽車，這是該公司2017年銷售目標的十倍。作為促進氫燃料電池汽車普及的措施之一，豐田還宣布無償提供獨有的約5680項氫燃料電池相關專利（包括正在申請中的專利）的使用權，包括了氫燃料電池組、高壓儲氫罐、燃料電池控制系統等核心技術。

圖3燃料電池汽車性能正在逐步提高

2014年，本田提供1380萬美元給FirstElementFuel，來協助加速加州加氫站布建的進度，來配合新一代ClarityFCV的大量生產與上市販售。本田在2015年東京車展中發布的新一代氫燃料電池車ClarityFCV，在2016年底於美國加州正式發布上市，整車售價約為6萬美元。ClarityFCV是承接FCXClarity地位而來的第三代車款。除了造型徹底改頭換面之外，本田表示透過更成熟的氫燃料電池技術，ClarityFCV的氫燃料電池模組比舊款車型體積縮小33%、能量密度增加60%，並可輸出134匹的最大馬力，以及超過300英里（約480公里以上）的續航距離，且只需3~5分鐘，就能再次將氫燃料儲罐充滿。

2、氫燃料電池公車

在「歐洲城市清潔氫能項目（CHIC）」項目中，56輛氫燃料電池公車已經在包括倫敦、米蘭、奧斯陸、科隆、漢堡和惠斯勒在內的8座城市成功運行。它們總共減少了6000噸的溫室氣體排放，相當於91輛柴油公車一年的二氧化碳排放量，共節省柴油約400萬升。

「歐洲城市清潔氫能項目」從2010年持續到2016年底，參與的城市也正在計劃擴大技術的應用範圍。與此同時，歐洲另外一個公車試運行計劃也在籌劃中，新計劃由燃料電池和氫能公共事業組織（FCH-JU）、公車運營商、政府部門以及燃料供應商聯合倡議，目標在2020年投放上百輛公車。下一批次的公車投放將在大幅降低公車成本的同時，確保技術在商業上可行，為降低公共交通的二氧化碳排放出一份力。

表2國內外燃料電池客車性能對比

倫敦於2010年首次投放5輛氫燃料電池公車，並且於2013年增加至8輛，這些公車燃料經濟性以及可靠性已經超出預期，正在為運輸部門降低2020年二氧化碳排放量的目標踐行。倫敦氫燃料電池公車車隊在固定線路上已經累計運行超過10萬小時，行駛里程超過69萬公里。車隊中首輛公車達成了運行2萬小時的里程碑，預計車隊的其他公車也能相繼完成這一目標。

3、加氫站

2015年，美國主要在加州為豐田氫燃料電池汽車的商業化計劃建立配套基礎設施。美國參議院近期通過了第217號決議，其中提及了氫能和氫燃料電池技術所帶來的好處，並確認每年的10月8日為國家氫能及氫燃料電池日。

美國加州政府一共撥款2億美元於2024年之前建設不少於100個公共加氫站，並宣布將於2030年實現上路新車全部為零排放汽車。

美國空氣產品公司是加氫站建設的主力軍，共計在加州擁有37個加氫站，其中包括12座已運營的SmartFuel加氫站，以及25座在建、審批或準備狀態的加氫站。另外，空氣產品公司還同時運營著3座氫燃料電池叉車專用的加氫站，並為FirstElementFuel公司在加州的19座加氫站提供加氫技術。

在歐洲，2015年「氫燃料創新汽車計劃（Hyfive）」、「清潔能源夥伴計劃（CEP）」以及「英國氫氣流動路線圖計劃（UKH2Mobility）」等多個計劃正在穩步推進，旨在推廣氫能基礎設施的建設以及氫能交通的普及，也主要圍繞著氫燃料電池汽車的引入進行加氫站建設。

圖4歐洲加氫站建設規劃

歐洲已經擁有超過100個加氫站，加氫站的選址也具有戰略前瞻性，主要選址於大城市以及相連的主幹道上。德國目標到2017年建成100座加氫站，到2023年建成400座加氫站，屆時德國高速路上每隔90公里就有一座加氫站，每個城市區將至少有10座加氫站。

丹麥是當今世界上加氫站最為密集的國家之一，這為目前汽車巨頭們大力推廣氫燃料電池汽車進入丹麥提供了極大的支持。自從韓國現代在2014年將其途勝氫燃料電池汽車正式在丹麥開售以來，僅在2015年內，丹麥境內的氫燃料電池汽車數量幾乎翻倍。豐田也在2015年將其MiraiFCV引進入丹麥，本田則在2016年向丹麥引進了氫燃料電池汽車。

瑞典斯德哥爾摩首個加氫站於2015年9月份揭幕，加氫站獲得歐盟「交通用氫能基礎設施計劃（HIT-2）」的資助，該加氫站由全球氫能源技術領導企業林德（Linde）公司建設。作為全球氫能基礎設施的龍頭，林德公司已經在全球15個國家設立超過100個加氫站，累計加氫次數達10萬次。

法國AirLiquide公司掌握著從生產、倉儲、配送以及終端客戶應用開發等領域的氫能全供應鏈。該公司一直致力於推廣氫能在交通運輸領域的應用。在全球範圍內，AirLiquide已經成功建設了75個加氫站，其中5個位於法國。

為了加快氫能低碳交通在歐洲範圍內的普及，殼牌石油公司於2016年開始在德國其加油站內安裝加氫設備，並形成了一定的加氫網路。此次計劃是由殼牌公司、H2Mobility計劃合作夥伴以及德國聯邦交通部共同合作。殼牌公司於2011年在德國建立了第一座加氫站，到目前為止其在德國境內共有3座加氫站。殼牌公司聲稱其給氫燃料電池汽車加氫的成本與給傳統內燃機汽車加油的成本相差無幾，且這些車的續航里程也與傳統汽車相當。殼牌公司還在美國洛杉磯有2座示範加氫站用於評估其加氫技術、降低成本並分析用戶行為。

戴姆勒、林德集團以及石油公司TOTAL、OMV、Avia和Hoyer達成合作將在德國境內大大增加加氫站的數量。該項目作為「國家氫和氫燃料電池技術創新計劃（NIP）」的一部分得到了國家氫能和燃料電池技術組織（NOW）的支持。