第1章
緒論

1.1 發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”。近年來溫室效應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、洪澇和干旱災害增多等。在過去幾年間，包括我國在內的世界各主要國家和地區陸續制定了在21世紀中葉（2050—2060年）前實現“碳中和”目標的路線圖。“碳中和”目標的實現必然伴隨著以化石能源為主體的社會經濟體系轉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，其碳氫原子個數比例約為10:1；經過以蒸汽機大規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；而目前逐步推廣應用的氫能不含任何碳元素，其最終產物只有水，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）、可儲運和應用場景廣泛等優勢。氫能還可以實現長周期、大規模存儲，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化為氫氣加以存儲，再經燃料電池進行發電，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化可以有效促進可再生能源的大規模利用，在未來可再生能源體系中起到能源轉換中樞的作用。

氫氣根據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可捕獲二氧化碳，實現低碳制氫；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，可真正實現零碳制氫。目前綠氫生產成本仍然很高，尚處于起步階段。盡管氫能在使用環節是零排放，但目前主流的氫能制備方式尚不能完全做到零碳排放，未來仍需大力發展綠氫，實現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》雜志發表的研究論文開創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備，并在深圳灣海水中連續運行超過3200h，實現了從海水中穩定規模化制氫，解決了困擾該領域達半個世紀之久的重大難題，這一技術方案有望實現低成本規模化綠氫生產。

以氫的多領域使用推廣為標志，世界經濟正在進入一個以“減碳加氫”為主導實現“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”規劃中著重加大了氫能產業的整體布局和制氫、儲氫、輸氫、加氫、用氫等全產業鏈關鍵技術研發。2021年10月24日，《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》發布，氫能也被上升至國家層面的戰略能源地位，將在“雙碳”目標的實現過程中發揮重要作用。2022年，國家發展改革委、國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃（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。