姚辉超,卢璐,王秀林,隋依言,张雨晴,伍思达,戴若云,侯海龙

(中海石油气电集团技术研发中心,北京 100028)

燃料电池(Fuel Cell)是将氢气的化学能直接转化为电能的装置,具有转换效率高、零排放等特点,是最佳的氢能利用技术。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。不同于传统热机发电方式,效率极限不受限卡诺循环限制(能量转换效率60%以上),燃料电池反应产物水,减少二氧化碳和其他污染物的排放。燃料电池用燃料和氧气作为同时没有机械传动部件,故没有噪声污染。从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是最有发展前途的发电技术[1-2]。

正是由于氢气能以燃料电池方式实现清洁、高效供能,才使氢能在交通能源、热电联供等领域相比传统能源利用方式具备竞争优势。

根据电解质的不同,料电池主要分为五大类:碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池,见表1。每类燃料电池发电效率都比较高,最高可达60%。根据燃料电池的特性,应用到不同场景中,如固体氧化物燃料电池由于燃料种类适用性广,反应温度高,可以广泛用在分布式电站,质子交换膜燃料电池由于启动时间短、反应温度低、转化效率高是燃料电池车的首选[3-5]。

表1 燃料电池分类

E4tech统计,2020年底氢燃料电池分布式发电装机容量,SOFC、PAFC和PEMFC三种燃料电池均呈现增长趋势(见图1),其中全球SOFC装机量147.5 MW,同比增长38.11%;2009—2020年期间,SOFC装机量复合增长率56.10%;研究机构Marketsand MarketsTM预计到2025年SOFC市场规模将达到28.81亿美元,复合年均增长率30.1%。

图1 2020年全球各类型燃料电池分布式发电装机容量

当前,美国、欧盟、日本等国家和地区都在投入大量资金,组织科研力量,制定发展规划,积极推动氢能及燃料电池技术及产业发展,意图抢占氢能产业发展的国际竞争制高点。中国将发展氢能产业作为重要措施,推进能源革命和经济低碳转型,既有利于应对气候变化,在国际上树立负责任大国的形象,也能够满足国内保障能源安全、发展低碳经济的内在需求,具有多方面协同效应。需要以更大的决心和更有力的措施推动氢能技术进步,提高中国在氢能及燃料电池技术领域的竞争力,推动产业成为新的经济增长点,以促进中国产业转型升级和能源结构优化。

1 政策回顾分析

1.1 国家层面

“十四五”开局以来,氢能及燃料电池产业发展得到国家层面高度重视,按照时间顺序梳理了“十四五”期间国家层面涉及氢燃料电池产业发展的主要政策,如表2和图2所示。

图2 “十四五”期间国家层面氢燃料电池产业发展相关政策统计

表2 “十四五”期间中国氢燃料电池产业发展国家相关政策

国家层面氢燃料电池政策主要呈现以下特点:

1)数量多。受到“双碳”任务与“十四五”开局之年的影响,国家政策与地方政策都远超历年,累计30多项;

2)逻辑变化。在“双碳”政策影响下,国家对氢能与燃料电池产业的定位实现了从新能源汽车、到能源安全、再到节能减排与零碳环保的拓展;

3)权威度高。发文机关包括国务院、发改委、工信部、财政部、科技部、生态环境部、交通运输部、住建部、能源局等十多个国家主管部门,此外其中多项政策由多部门联合发布,进一步提高政策的权威度;

4)范围广。这些政策内容更为丰富,涉及氢燃料电池领域技术研发、示范应用、标准规范、优惠支持等各方面(详见图3),势必有力推动氢燃料电池产业健康发展。

图3 “十四五”期间国家层面氢燃料电池产业发展相关政策分析

1.2 地方层面

按照时间顺序梳理了“十四五”期间地方层面涉及氢燃料电池产业发展的主要政策。地方层面氢燃料电池政策有以下几个趋势:

1)国内省份几乎全覆盖。“十四五”开局到现在已有上海、北京、广东、山东等28个省份陆续发布本地氢燃料电池产业发展规划,且许多地方都制定了促进氢燃料电池产业发展的相关政策,涉及技术研发、基础设施建设、关键零部件制造和配套运营服务等。

2)政策数量达到新高度。“十四五”期间各地区对于氢燃料电池发展的主要政策,据不完全统计约76项。

3)涉及整个产业链。由图4可知,许多地区不仅围绕氢燃料电池在交通领域的应用制定了相应的布局,对加氢站建设、氢燃料电池车运行进行明确规划,很多地方政府也布局了氢燃料电池热电联供在园区内建筑楼宇、数据中心的应用。

图4 “十四五”期间各地区对于氢燃料电池发展的主要政策

2 产业与科技发展热点

2.1 产业发展方向

《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,明确了氢的能源属性,是未来国家能源体系的组成部分,充分发挥氢能清洁低碳特点,推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型。同时,明确氢能是战略性新兴产业的重点方向,是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。

1)交通领域:燃料电池汽车与锂电池纯电动汽车是我国新能源交通领域重要组成部分,燃料电池在重型车辆应用相对具有优势,随着燃料电池技术的进步有序拓展氢燃料电池在新能源客、货汽车市场应用空间。

2)发电领域:燃料电池发电是分布式热电联供的重要组成部分,能够有效提高能量利用效率。此外,可以作为风光等新能源发电的重要调峰和储能手段。

2.2 科技发展热点

氢燃料电池相关产业和科技发展,是实现氢能大规模应用的最核心的路径。国家重点研发计划,针对事关国计民生的重大社会公益性研究,以及事关产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家安全的重大科学技术问题,突破国民经济和社会发展主要领域的技术瓶颈。2021年和2022年国家重点研发计划重点专项密集支持氢能及燃料电池全产业链产业的发展[6-8]。

1)国家重点研发计划“氢能技术”项目安排,涉及光伏/风电等波动性电源电解制氢材料和过程基础、低成本PEM电解水关键材料制备技术及其制氢应用示范、系统集成关键技术;住宅用质子交换膜燃料电池综合供能系统集成关键技术;管式固体氧化物燃料电池发电单元及电堆关键技术;十万吨级可再生能源电解水制氢合成氨示范工程等17个项目。

2)“新能源汽车”重点专项有2项涉及氢能与燃料电池,分别为车用固体氧化物燃料电池关键技术研究和高密度大容量气氢车载储供系统设计及关键部件研制。

3)“高端功能与智能材料”重点专项有3项涉及氢能与燃料电池,包括高性能低成本燃料电池膜电极的产业化制备技术等。

4)“催化科学”重点专项有12项涉及氢能与燃料电池,包括催化氢化和氢元素化反应研究、可规模化太阳能光催化分解水制氢研究等。

5)“大科学装置前沿研究”重点专项有1项涉及氢能,为面向氢能源关键催化过程的多尺度原位同步辐射研究平台。

3 结论

氢能及燃料电池产业是我国能源转型主要路径,“十四五”以来,备受中央政府和地方的关注,国家层面氢燃料电池政策呈现出数量多、产业链全、权威度高、范围广等特点,地方政府基本都发布氢能与燃料电池的规划和政策。然而氢燃料电池发展仍然需要解决一些问题:

1)政策支持形成合力协同,国家层面和地方政府层面出台的政策需要保持规划目标和方向的一致,这样才能相互协同、形成合力,有利于明确我国氢能及燃料电池攻关方向,有计划有步骤地推动产业健康发展。

2)产业链之间加强协同,氢能及燃料电池产业链涉及环节冗长、产品部件繁多,一方面需要加强“产学研”部门之间的通力合作,避免重复投入,形成良性生态链;另一方面需要,产品和配件形成通用标准,形成产业化。

3)拓展应用示范场景,探索氢能及燃料电池可以商业运营的有效模式,推动氢燃料电池车的商业化运营,积极拓展氢燃料电池热电联供、备用电源、固定电站、数据中心等氢能应用领域[10-12],推动氢能的全方位发展和应用,培育新经济增长点。