布局还是“豪赌”？氢燃料未来能否成为主流能源？

一场氢燃料“豪赌”

从日本市场说起

近年来，曾经遥遥领先的日本，却仿佛被诅咒了一般，在全球产业竞争中，不断失去对终端的话语权。短短二十年间，日本企业在DVD、液晶面板、电池、光伏等众多产业中的世界份额从100%跌至20%以下。如今已经错了手机、互联网两大炙手可热产业的日本，在最火爆的新能源汽车赛道也显得风雨飘摇。2021年1-12月中国新能源轿车销量排行榜中，前10名没有一款日系车。而且日本新能源汽车市场也不见起色，整个2021年，日本本土只卖出6.1万辆新能源汽车，相比之下，美国市场销量达到65.2万辆，而中国市场已经突破350万辆。而氢能，成为日本奋力一搏的希望，甚至不惜豪赌未来三十年的国运。

（文章内容来源于网络）

为什么选择氢能？日本地域狭小，资源极度匮乏，是全球公认的贫油国、贫气国和贫煤国；日本三大资源全部严重依赖于海外供给，煤炭99%依赖进口，石油99%依赖进口，天然气95%以上依赖进口。能源大动脉掌握在别人手里，对一个国家来说是巨大的威胁。想一想最近俄乌冲突对欧盟的影响，如果对象换成日本，后果只会比这严重得多。因此二战之后，日本一直是全世界最迫切开发可替代能源的国家之一。

一开始，日本想到了核能。但随着2011年日本第一核电站福岛出现核泄漏事故，日本政府不得不关闭所有核反应堆，核能这条路行不通。与此同时，随着碳中和日益成为国际突出政治议题，对日本来说，寻找一种能替代核能的清洁能源迫在眉睫。

然而，由于自然地理原因，日本的可再生能源存在先天不足。2019年日本风电、光伏发电等可再生能源发电占比仅为16.3%，远低于英国的43%和德国的46.3%。因此，日本没有选择能源并行的发展方案，而是孤注一掷押宝氢能。

近几年，日本大举布局氢能，各种政策密集出台；尤其是在2017年颁布的《氢能源基本战略》中，日本定下了雄心勃勃的目标，要在2030年实现氢气发电价格每千瓦时17日元（目前成本高达97.3日元），加氢站数量达到900个，氢能源汽车数量达到80万辆。要知道目前全球的加氢站也不过600个，氢能源汽车销量更加只有区区的1.5万辆，大部分还是日本通过高价补贴换来的。

如此布局

氢能源为何让人“欲罢不能”？

氢能目前是日本极少数还能全面领先世界的产业。无论是氢能源的实用技术，还是燃料电池的制造工艺，日本的技术储备都是全球最多最强的那一个。目前仅一个丰田公司在氢燃料电池系统上就拥有6000多项专利，占了全球相关专利的一半。如果其他国家选择氢燃料电池取代汽油，日本无论是卖产品还是卖技术都能赚大钱。

而且，从历史经验来看，一旦形成横跨全产业的专利墙，积累了丰富的制造经验，只要领先者自己不犯错，其他人就算投入几倍的资源也很难追赶超越。此外，最近二三十年，日本一直苦恼传统的优势产业衰退，同时又缺少新兴产业递补，如果氢能源能够成为下一代的新能源主流，那么它就可以成为新支柱产业帮助日本扭转长期的产业衰退，走出经济停滞。

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根据IEA和中国氢能联盟的数据，2019年，全球氢气产量有1.2亿吨，这其中，为制备氢气所需要消耗的一次能源约，2600亿方天然气和1.6亿吨煤炭。氢能主要制备方式有几个主要来源：工业副产氢约占39%，天然气制氢约占42%，煤制氢约占18%，其他制氢约占1%。而在国内，主要是：煤制氢64%，工业副产氢占21%，天然气制氢占14%。其他制氢占1%。

回到中国

我们在氢燃料领域也没闲着

在此前的文章中我们提到过，刚刚结束不久的北京冬奥会上，氢燃料的身影就多次出现：

氢燃料的的冬奥火炬

氢燃料的大巴车

氢燃料的无人机

不仅仅是具体产品，为了配合氢燃料布局，保障1000多辆氢燃料电池汽车在奥运期间有足够的氢气供应，中石油、中石化等能源企业在北京市和张家口市配备了多个加氢站。中石化下属燕山石化生产的氢气供应4座冬奥加氢站——北京庆园街加氢站、北京王泉营加氢站、北京燕化兴隆油氢合建站、河北崇礼西湾子加氢站。

自2022年1月25日正式服务北京冬奥会至2月10日，燕山石化已累计出厂氢气115车、27.2吨。目前北京已建成10座加氢站，张家口已建成7座加氢站。因为可再生能源丰富，张家口的风能、太阳能可开发规模高达8500万千瓦，能够为电解水制氢提供充足的绿色电力保障，可以实现以绿电制绿氢。

（文章内容来源于网络）

当然不仅仅是产业布局

我们在技术研发上也没闲着~

近年来，针对燃气轮机燃烧室提出的微混燃烧技术成为研究热点，该技术通过缩小燃料和空气流动混合尺度，达到强化出口均匀性实现低NOx燃烧。常规天然气贫预混燃烧室主要通过旋流结构促进燃空混合，以及在喷嘴出口逆压梯度诱导高温烟气回流实现稳焰，而微混燃烧器内燃料和空气多以交叉射流或同轴射流的形式混合，一般不具备空气或燃料旋流结构，因此微混燃烧具有抑制回火、自点火的优势，尤其对于火焰传播速度较高的富氢燃料则成为其实现干低排放燃烧的可能选择之一，但对于呈现无旋、直喷、多射流特征的微混燃烧如何实现高燃烧强度下的稳定燃烧则成为关键。

中国科学院工程热物理研究所能源动力研究中心设计开发了一款可实现短距离内高效掺混的新型微混概念燃烧器，针对甲烷-氢气混合燃料实现了0~100%氢含量燃料下的稳定干式低排放燃烧（绝热火焰温度≤ 1920 K, NOx≤ 10 ppm @ 15% O2, CO≤ 14 ppm），实验证明其具有天然气和富氢燃料干式低排放燃烧潜力。采用小火焰生成流形（Flamelet Generated Manifolds, FGM）数值模拟方法结合线性三角剖分插值方法完成小火焰自主建模以考虑含氢燃料燃烧存在的先导扩散效应，实现了含氢燃料微混火焰结构预测，对比实验测量的OH浓度场分布验证了该方法预测富氢燃料火焰的有效性。

（图片来源于网络，侵删）

在此基础上，针对纯甲烷和富氢甲烷两种典型燃料，研究验证了两种微混火焰下的湍流火焰速度模型，阐释了基于预混燃烧基本效应、剪切层拉伸效应和高温烟气回流效应的微混燃烧稳焰机制。基于上述概念燃烧器结构及燃烧特性基础数据，能源动力研究中心正在进行某型工业燃气轮机天然气干低排放燃烧室样机研制及湿化循环燃气轮机、IGCC煤制气干低排放燃烧室技术研发。

中国的氢电池计划

2020年，科技部启动了国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项，将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但面临低生产成本（电解质、催化剂等基础材料）、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。

美国能源部燃料电池技术项目研究认为，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一，随着技术进步，全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料，是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径。近期的综述性研究工作，报道了氢燃料电池系统在双极板、气体扩散层、催化剂、膜电极、流场设计与分析等材料或组件方面的新进展。

近年来，我国的氢燃料电池技术基础研究较为活跃，在一些技术方向具备了与发达国家“比肩”的条件；但整体来看，所掌握的核心技术水平、综合技术体系尚不及具有领先地位的国家，如我国在1998年才出现首个氢燃料电池发明专利，目前相关核心专利数仅占世界的1%左右。

先发国家在氢燃料电池系统、组件、控制技术、电极等方面发展相对均衡，一些国际性企业在燃料电池系统、电池组件与加工、控制技术等方面居于世界领先地位。在技术应用方面，从现阶段重点发展氢燃料电池客车、卡车等商用车，逐步推广到乘用车、有轨电车、船舶、工业建筑、分布式发电等领域。而相对于技术发展，更重要的是对于成本的控制；氢燃料电池系统的成本必然随着技术进步、生产规模的扩大而下降，预计未来10年生产成本将降低至目前的50%。

氢能源2050

在世界各国，各地区为满足乘用车及货车在同一年内的燃料需求，可根据行驶里程等实际情况进行推算。2015年，全世界的汽车保有量为12.6亿辆，到2050年这一数据将增加至25.0亿辆。根据全球氢能权威组织国际氢能委员会的预测，到2050年，氢能将占全球能源需求的18%，市场规模将达到2.5万亿美元。其中，载货量大、行驶距离远且使用频率高的商用车被认为是氢能源的最佳使用场景。

由于商用车大多载货量大、行驶距离远且使用频率高，目前受限于充电时长和续航里程的纯电动车很难满足商用车的使用需求。同时，此前在商用车领域占据相当地位的柴油车清洁技术已经“见顶”，无法满足更高要求的排放标准和电动化趋势。因此，氢能源目前被认为更适合应用于商用车领域。

无论是什么材质的电池，进行规模化生产时，对制备工艺和环境都有着很高的要求：干燥，洁净等等~为此，一般是需要使用真空手套箱来配合生产线进行生产的：手套箱是作为一个全密闭的腔体，把腔体内外的环境完全隔绝开，腔体的一面安装有视窗和手套，操作人员通过手套对腔体内的物料进行操作：在操作前，对整个箱体抽真空，把箱体内空气完全抽掉，降低水氧含量至0.1ppm以下，然后填充惰性气体气体进行生产。