氫經濟：徘徊在爭論中

　　“氫經濟”一直以來是大家討論的焦點，有人宣揚“氫經濟”是解決目前所有能源環境危機的靈丹妙藥；有人卻強調“氫經濟”仍然不可行，應該把精力投入到其他領域，不要白白浪費國家有限的資源。那到底“氫經濟”是怎么一回事，怎樣才是利用氫的最佳途徑，氫能產業化目前在國內情況又如何呢？筆者在協助編輯《2008中國新能源與可再生能源產業發展報告》1時有幸聯系到國內氫能行業的權威，現結合幾位專家的意見談幾點看法。

　　一 “氫經濟”：徘徊在爭論中

　　１“氫經濟“是氫作為一種高效和清潔的燃料特性的延伸

　　30多年前，科學家們在一次國際會議上正式建議將氫能作為解決全球能源和環境問題的方案。氫是一種高效和清潔的燃料。它的燃燒只產生水，不會產生溫室氣體，少量產生的氮氣可進行相應處理，因此氫被認為是幾乎無污染的能源。氫可以通過電解水取得，而地球70％的面積被水所覆蓋。從這個意義上來講，氫可以說是我們擁有的資源最豐富的可再生能源。因此，今天許多人相信在人類尋找清潔能源的道路上，氫很可能會成為最終的目標。其中，可滿足交通工具持續移動需求的氫燃料電池技術的迅速發展被認為具備取代傳統汽車燃料的潛力。有數據顯示，氫的單位燃燒熱值大約是汽油的3倍。試想，如果有一天我們往汽車里加入氫來取代汽油，那么不僅耗能效率會大大提高，刺鼻的尾氣也將隨之消失。更重要的是，氫作為燃料在發電領域擁有廣泛的前景，其環境效益更是不言而喻。

　　氫有如此多的好處，在這基礎上，“氫經濟”得到各個國家尤其是發達國家的熱捧。

　　美國總統布什執政后，制定了宏偉的發展計劃， 2001年5月布什政府在其發布的《國家能源政策報告》中提出發展氫能，11月能源部召開了“國家氫能發展展望”研討會。2002年2月形成了題為《美國向氫經濟過渡的2030年遠景展望》報告，同年11月出臺了《國家氫能發展路線圖》。這兩個報告認為，氫能是未來美國能源的發展方向，美國應當走以氫能為能源基礎的經濟發展道路，逐步向“氫經濟”時代過渡。2003年1月布什總統在國情咨文中正式提出實施《國家氫燃料研究計劃》，在未來5年中投入12億美元，重點研究與氫的生產、儲存和運輸有關的技術，以促進氫燃料電池汽車技術和相關基礎設施技術在2015年前實現商業化應用，為發展“氫經濟”提供技術支撐。

　　2004年2月，美國能源部出臺了《氫能技術研究、開發與示范行動計劃》。該計劃制定了發展“氫經濟”的步驟和向“氫經濟”過渡的時間表，確定了在發展“氫經濟”初始階段的技術研究、開發與示范的具體內容和目標，以及相關后續行動等。該計劃的出臺是美國推動“氫經濟”發展的又一重大舉措，標志著美國發展“氫經濟”的戰略已從政策評估、制定階段進入到了系統化實施階段。美國政府計劃在2004～2008年的5年間投入12億美元用于實施這個計劃。

　　日本和歐盟不甘落后。在日本，燃料電池技術被認為是推動“氫經濟”發展的關鍵技術。日本首相小泉甚至強調：“燃料電池是打開氫能源時代大門的關鍵。” 2001年1月，日本經濟產業省的“燃料電池實用化戰略研究會”報告提出了指導氫能和燃料電池技術發展的國家行動綱領，并明確制定了分階段實現燃料電池實用化的目標。為實現這項戰略目標，日本政府計劃投入研發資金110億美元，在2010年前使燃料電池的總裝機容量達到220萬千瓦，到2030年全國建成8500個氫加注站，燃料電池汽車要達到1500萬輛，占汽車市場的20%。2004年日本公布的“新產業創造戰略”中，燃料電池也被列入未來日本產業競爭力核心的新產業。

　　歐盟2002年10月成立了“氫燃料和燃料電池技術”高級研究小組。 2004年6月歐盟提出了《氫燃料經濟――通向可持續能源的橋梁》的報告，具體分析了氫燃料良好的經濟和社會前景。歐盟對氫能和燃料電池的研究非常重視，在2002～2006年歐盟第6個框架研究計劃中，這方面的投資為2500～3000萬歐元，比第5個框架計劃提高了一倍，而各成員國的相關投資都有不同程度的增長。

　　我國投入氫能源研究較早，科技部在“七五”以來的科技計劃中都有氫能項目，“十五”更是投入了很大的力度，在“863”和“973”計劃中均把氫能作為重點研究領域。在最近“8個億電動汽車專項”中，燃料電池就占了3個億。在2004年5月召開的“第二屆國際（北京）氫能論壇”上，我國自行研制的燃料電池汽車與德國的燃料電池公共汽車一同亮相，引起了國內外的廣泛關注，這標志著我國的氫能應用技術達到了國際先進水平。在氫能項目的示范上，近年來國家也投入了大量人力和物力，國家將在2002～2007年，分別在北京和上海同時進行6輛燃料電池公共汽車實地運行示范；并為在全國進行更大規模的示范乃至燃料電池公共汽車商業化做好準備工作。為了保障2008年綠色奧運召開的北京能有80～100輛氫能客車的正常運行，北京市計劃幾年內在四環外建立國內首座小型加氫站。同時國家計劃到2010年上海世博會期間，將有20輛燃氫公交車、300輛燃氫出租車以及一批燃料電池場地車和郵政車投入運行。這些舉措無疑將極大地推動國內氫能的發展。

　　２“氫經濟”并不經濟，我們要有清醒認識

　　在國內，輿論還存在另一種觀點，認為“氫經濟”其實不經濟，不應該盲目跟風，上了外國資本主義的當。事情從“一份由26位國內外傳統發動機專家聯名提給國務院的質疑氫能源技術前景的信”而得到了升華。2007年3月,一封<開發車用動力技術、盡快減輕交通能源壓力的建議>(下稱<建議>)由專家組寫成聯合簽名,并送達至相關部門。

　　信中提出，"氫燃料電池汽車未來的前景,還存在很多不可預測的因素。如果氫燃料汽車研究到最后,發現需要走別的技術途徑,這就使大規模投資的氫燃料汽車前功盡棄。"聯名上書的26名專家提醒,如果中國盲目跟從部分跨國公司的步伐,將大量的財力、人力、物力完全"押寶"在氫能源汽車的研發上,很可能給作為支柱產業的中國汽車工業帶來巨大的傷害。

　　又有人提出，其實“氫經濟”是當年布什政府在拒絕加入京都協議后，為了緩解輿論壓力而提出來的一種掩人耳目的辦法。還有人認為，美國為了一直占據全球經濟老大的地位，故意設圈套引其他國家入彀，從而達到他們低劣的目的。日本就曾深受其害。上世紀80年代，美國在研究中發現"陶瓷絕熱發動機并不能提高發動機的熱效率",但美國廠商和相關機構故意虛張聲勢,誘導日本企業搞陶瓷絕熱發動機。日本企業經過數年或十數年的努力后發現,它不能改善發動機的熱效率,最終只能放棄。

　　和陶瓷絕熱發動機類似,事實上國內前兩年流行的生物燃料,在發展過程中已經遇到了發展瓶頸。由于大量的玉米用來生產燃料,而使中國豬飼料發生緊缺,間接導致了豬肉價格的上漲，其實這也是一種盲目跟風的結果。氫能確實是清潔無污染且取之不盡的能源，但有了這些教訓，無論從哪個方面分析，我們至少應該對“氫經濟”給予重視，把發展路線和可能造成的影響進行深層次的分析，確定利弊后再大力發展也不遲，畢竟目前能源還沒達到“無米可炊”的地步。

　　二 尋求氫能產業鏈一體化最佳路徑，以期在未來實現“氫經濟”

　　1 制氫技術

　　以新能源氫能為基礎的“氫經濟”能得到這么多人的贊同也表明它并不是鼓吹出來的，其無污染的特性在對環保要求嚴格的今天得到人們的認可，但它并不是不需要代價就能直接獲取的，氫并不單獨存在于自然界中，因此制取它必須依靠其他形式的能量獲得，電解水制氫是目前技術較成熟的一種。時下國內電力的構成主要以煤電為主，2007年最新數據顯示全國總裝機容量為713.29GW，而煤電達到了554.42GW，占到77.73%，我國富煤、少氣、缺油的狀況決定了在未來相當長一段時間內電力結構將仍以煤電為主。全球變暖環境惡化的壓力促使我們必須尋求新的電力來源，而可再生能源家族中的風電和太陽能發電技術的地位在此時就顯得無比突出了。除了可再生能源制氫，還有其他形式的制氫途徑，例如熱法和生物法等。由于各種技術的發展階段不同，其發展前景、經濟效益和挑戰。原料可用性、技術成熟度、市場應用和需求、政策和成本問題都會影響各種制氫技術的選擇和發展。

　　2 儲氫技術

　　按氫儲存時的狀態劃分，目前主要的儲氫方式主要有金屬氫化物儲氫、液化儲氫、壓縮儲氫等。

　　目前最常用的氣態氫儲存罐是鋼罐，今后的研究熱點是利用抗高壓輕質復合材料罐和玻璃微球儲氫。液態氫最常見的儲存方法是把氫氣冷卻至超低溫（-253℃），目前認為最有前景的液態氫儲存方法有超低溫液態氫、NaBH4溶液和有機液體。固態材料儲氫有可能成為固定式和移動式儲氫應用最安全有效的方法。高表面積材料、氫化物、水反應化學氫化物、熱化學氫化物等材料可用于固態儲氫，復合氫化物儲氫技術是目前關注的重點，特別是非過渡金屬類如硼氫化物、鋁氫化物、氨基化合物等。

　　目前，壓縮氣體和液體儲氫技術被認為是商業上可行的技術，但仍需要進一步研發完全符合成本效益的儲存系統以及解決新儲存方法的安全性問題。固態氫氣儲存技術的潛在優勢包括體積較小，壓力較低（能效更高）和產出氫氣更多、純度更高。

　　3 燃料電池技術

　　燃料電池近年來發展較快，氫燃料電池是燃料電池中最為成熟的代表。早在上世紀60年代，氫燃料電池就已經成功地應用于航天領域。此后，隨著制氫技術的發展，氫燃料電池被運用于發電和交通領域。目前重點發展的燃料電池主要包括質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、再生氫氧燃料電池（RFC）等。

　　燃料電池商業化的主要挑戰是成本和耐用性。不過，根據各燃料電池技術實際應用情況遇到的問題各不相同。尺寸、重量、熱量和水處理是阻礙燃料電池技術商業化的主要因素。

　　質子交換膜燃料電池（PEMFC）是交通應用的主流技術，2007年PEMFC催化劑材料獲得了突破。2007年，美國勞倫斯•伯克利國家實驗室和阿貢國家實驗室聯合研究發現一種新的可用于PEMFC的催化劑材料，這種鉑鎳合金物質Pt3Ni（111）材料的氧還原反應（ORR）活性比相應的Pt（111）表面強10倍，這將有利于提高陰極氧還原催化低速率。這項新發現可以使燃料電池在不損失電壓情況下具有更高的功率密度。 研究人員已利用超高真空反應器原子制成了純的鉑-鎳合金單晶體。

　　在燃料電池固定發電應用方面，2007年由阿庫門崔克斯公司（Acumentrics）、康明斯公司（Cummins）、德爍自動化系統公司（Delphi）、燃料電池能源公司、通用電氣公司以及西門子公司6大公司合作，對第一個固體氧化物燃料電池（SOFC）發電機組原型成功完成了測試，裝機容量3-10kw,測試運行結果表明平均效率為38.5％，最高可達41％，系統利用率平均達到97％，成本為724~775$/kW，這一結果使SOFC商業化應用的可行性取得了重要的進步。

　　英國牛津大學提出了一種 “生物燃料電池”，由表層涂了氫化酶的兩塊電極組成，電極放在包含3%氫氣的空氣容器內，利用抗氧氫化酶催化空氣中的少量氫氣來發電。這種酶基燃料電池在替代成本昂貴的鉑燃料電池、降低電池成本方面有巨大的潛力。

　　在便攜式設備應用方面，加拿大Angstrom動力公司在開發氫能手機方面取得了重大的進展。該公司開發出可內置于手機的“微型氫能”燃料電池，其待機時間是鋰離子電池手機的2倍，加氫時間僅需10分鐘。

　　“氫經濟”目前在國內的發展狀況

　　美國總統布什在2006年2月份提到解決氫燃料電池技術時，他簡明扼要地說：“這不是近期的解決辦法，也不是中期的解決辦法，而確實是遠期的解決辦法”。同年，中國工程院院士楊裕生在“也談中國燃料電池汽車駛向何方”的文章中提出，我國發展氫燃料電池汽車應該穩扎穩打，不可冒進。他建議：“希望熱心于氫能技術和燃料電池技術的人們時刻不忘目前這能量轉換效率的巨大差距，找出特別廉價的制氫途徑，研制出發電效率特別高的燃料電池來；國家科技部像支持燃料電池一樣加大對蓄電技術研究的投入，大力推進蓄電技術發展，持續地提高比能量、安全性、比功率、性價比；應該讓它們(也包括燃料電池在內)在公平的競爭中加速技術的進步，為解決我國能源問題各自作出盡量大的貢獻。”

　　在國內外對“氫經濟”相關技術表示質疑的同時，國內“氫經濟”產業化發展如何呢？最近筆者在編輯《2008年中國新能源和可再生能源產業發展報告》時有幸聯系到國內氫能行業的權威，以下把各家對“氫經濟”國內產業的看法羅列出來，以茲參考。

　　筆者：“請問，目前國內氫能產業化發展情況如何？”

　　清華大學毛宗強教授2：“氫能作為未來人類能源，還有許多未知領域等待人類去開發、利用；其基礎研究也不是短短的幾年就可以“畢其功于一役”。一方面我們要抓緊研究工作，另一方面也不能浮躁行事。希望通過若干個“973”研究，與世界各國科學家一道推動氫能進展，指導21世紀氫能的規模應用實踐，而產業化方面，目前技術還不是特別完善，國內技術自主研發的力度有待加強，目前國內‘氫經濟’產業的形成仍須等待。”

　　同濟大學汽車學院3：“目前我們正負責北京奧運加氫站項目，為北京綠色奧運做出貢獻。”

　　上海神力公司4：“我們將為北京綠色奧運提供清潔無污染的‘氫燃料巴士’和‘氫燃料’轎車，但我們主要市場仍然在國外。”

　　目前國內產業化條件較成熟的有太陽能，生物質能和風能，筆者在這次《報告》的約稿過程中也充分地體會到。氫能的專家一致認為國內產業化條件并不成熟，資料不好搜集；而其他幾類能源利用形式產業化較成熟，因此國內行業權威很自然地接下《報告》的工作。

注：

【1】《2008中國新能源與可再生能源產業發展報告》是在國家發改委、中國科學院的大力支持下，由中國可再生能源學會與中國科學院廣州能源研究所聯合組織全國專家編寫。 中國科學院廣州能源研究所已成功編寫了06年、07年兩個年度的《中國新能源與可再生能源產業發展報告》，產生很好的影響，得到上級部門的肯定。(《報告》有關詳細資料可查閱中國新能源網http://www.newenergy.org.cn)

【2】毛宗強 清華大學教授，博士生導師，國家科技部氫能"973"項目首席科學家；中國-意大利氫能合作項目中方負責人，國際太陽能學會理事，中國太陽能學會常務理事，中國太陽能學會氫能專業委員會主任，中國電工學會氫能發電裝置專業委員會委員。

【3】同濟大學汽車學院先后完成國家863電動汽車重大專項項目“燃料電池轎車整車”，“多能源動力總成控制協同系統研究”，“驅動電機及控制系統”、“車用DC/DC變換器”和上海科委項目“燃料電池轎車核心技術研究”等。目前學院承擔著國家863“燃料電池轎車整車”、“燃料電池轎車用DC/DC轉換器”等和上海市重大項目“四輪驅動燃料電池轎車產業化技術的研究”等。

【4】上海神力科技有限公司專門從事質子交換膜燃料電池產品的研發與產業化的高科技民營企業。先后完成了包括國家九•五重點科技攻關計劃、十•五“863”計劃重大專項、上海市重大科技攻關項目等在內的7項國家重點科研攻關任務，開發了5個系列的燃料電池產品，建立了全套的中小功率（0.1kW-30kW） 與大功率（30kW-150kW）的質子交換膜燃料電池及其動力系統、燃料電池發動機集成制造技術及批量生產的能力與設施。