第1章
緒論

1.1 發(fā)展燃料電池的重大需求

1.1.1 氫能在可再生能源體系中的重要作用

當前以煤炭、石油和天然氣為代表的化石能源在人類社會的能源體系中仍占據(jù)絕對主導地位，化石能源的過度使用引起的大量二氧化碳排放造成了日益嚴重的“溫室效應(yīng)”。近年來溫室效應(yīng)導致的全球氣候變化問題日益顯著，如南北極冰川消融、海平面上升、極端天氣頻發(fā)、洪澇和干旱災(zāi)害增多等。在過去幾年間，包括我國在內(nèi)的世界各主要國家和地區(qū)陸續(xù)制定了在21世紀中葉（2050—2060年）前實現(xiàn)“碳中和”目標的路線圖。“碳中和”目標的實現(xiàn)必然伴隨著以化石能源為主體的社會經(jīng)濟體系轉(zhuǎn)向以可再生能源為主體的新一輪能源革命。

人類的能源利用過程基本是以“減碳加氫”過程為主導。早期人類社會獲取能源的主要方式是通過柴薪燃燒，其碳氫原子個數(shù)比例約為10:1；經(jīng)過以蒸汽機大規(guī)模使用為標志的能源革命之后，煤炭開始成為能源利用的主要形式，其碳氫比約為2:1；當前大規(guī)模使用的石油和天然氣碳氫比分別約為1:2和1:4；而目前逐步推廣應(yīng)用的氫能不含任何碳元素，其最終產(chǎn)物只有水，是一種清潔高效的二次能源。作為能源載體，氫能具有能量密度高（熱值為143kJ/g，約為石油的3倍，煤炭的4.5倍）、可儲運和應(yīng)用場景廣泛等優(yōu)勢。氫能還可以實現(xiàn)長周期、大規(guī)模存儲，從而有效彌補電能作為二次能源的不足。目前廣泛應(yīng)用的太陽能、風能等可再生能源受地域、氣候、日照等因素的影響波動性很大，將其直接納入電網(wǎng)體系會引起短時功率不平衡和長時電量不平衡這兩大難題，致使“棄風”“棄光”問題嚴重。利用電解水將綠色的棄電轉(zhuǎn)化為氫氣加以存儲，再經(jīng)燃料電池進行發(fā)電，可有效解決可再生能源利用過程中嚴重的“棄風”“棄光”問題，有望成為重要的可再生能源利用形式。氫能與電能的相互轉(zhuǎn)化可以有效促進可再生能源的大規(guī)模利用，在未來可再生能源體系中起到能源轉(zhuǎn)換中樞的作用。

氫氣根據(jù)氫制備方式的不同可分為灰氫、藍氫和綠氫。灰氫是指通過煤炭、天然氣或石油等化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣，這一過程會伴隨二氧化碳等碳排放，目前市面上絕大多數(shù)的氫氣都屬于灰氫；藍氫是由天然氣重整制備而來的，在這一過程中通過碳捕捉技術(shù)可捕獲二氧化碳，實現(xiàn)低碳制氫；綠氫則是利用太陽能、風能或核能等可再生能源通過電解水制備而來，可真正實現(xiàn)零碳制氫。目前綠氫生產(chǎn)成本仍然很高，尚處于起步階段。盡管氫能在使用環(huán)節(jié)是零排放，但目前主流的氫能制備方式尚不能完全做到零碳排放，未來仍需大力發(fā)展綠氫，實現(xiàn)氫能利用全過程的零碳排放。2022年11月，我國謝和平院士團隊和他指導下的深圳大學/四川大學博士生團隊在《自然》雜志發(fā)表的研究論文開創(chuàng)了海水原位直接電解制氫的全新路徑[1]，同時該團隊還研制出了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫設(shè)備，并在深圳灣海水中連續(xù)運行超過3200h，實現(xiàn)了從海水中穩(wěn)定規(guī)模化制氫，解決了困擾該領(lǐng)域達半個世紀之久的重大難題，這一技術(shù)方案有望實現(xiàn)低成本規(guī)模化綠氫生產(chǎn)。

以氫的多領(lǐng)域使用推廣為標志，世界經(jīng)濟正在進入一個以“減碳加氫”為主導實現(xiàn)“雙碳”目標的時代，同時也將迎來新一輪的能源革命。我國在“十四五”規(guī)劃中著重加大了氫能產(chǎn)業(yè)的整體布局和制氫、儲氫、輸氫、加氫、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。2021年10月24日，《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》發(fā)布，氫能也被上升至國家層面的戰(zhàn)略能源地位，將在“雙碳”目標的實現(xiàn)過程中發(fā)揮重要作用。2022年，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》首次明確了氫的能源屬性，是未來國家能源體系的組成部分。