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随着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增加，对环境造成的污染越来越严重，迫切需要寻找一种作为替代品的清洁燃料。氢的来源丰富，不仅可以由其他能源来生产氢能，而且氢能可以高效地转化为其他形式的能量。作为一种能源载体，氢在交通、工业和建筑等各个领域中都有重要的应用，并且使用氢能可以提高能源系统的灵活性。为此，需要对氢能和燃料电池的关键技术、未来发展方向和重点进行研究。
价格为何居高不下
氢能源在国际上广泛应用在交通、工业、建筑等领域，极大丰富了能源构成，降低了传统化石燃料对环境的影响。
在交通领域中，用氢燃料电池取代化石燃料给汽车提供动力，能够有效地解决空气污染、噪音污染和二氧化碳排放带来的全球气候变暖等环境问题。
氢燃料优化汽车效率。氢燃料电池电动汽车从本质上讲是一个电动汽车。氢气储存在车上的高压罐内，通过燃料电池将氢能转化成电能给汽车提供动力。能量储存在电池里面，使用电池里的电能可以优化操作效率。由图1可以发现，与内燃机汽车和插电式混合动力汽车相比，氢燃料电池能明显的降低碳排放量，同时其最大行驶里程可以达到纯电动汽车的3倍。
氢燃料电池汽车价格居高不下。2015年，丰田公司宣布最新的氢燃料电池汽车在试运行期价格是6万美元，但是该价格可能主要反映的是客户的支付意愿，而不是生产汽车的成本，因为氢燃料电池汽车目前主要是针对高收入群体和汽车技术爱好者，并且要求在居住地附近有相应的加氢站。到现在为止，只有美国、德国、日本和韩国的部分城市拥有了配套的加氢站。通过表1的汽车动力方案成本之间的对比可以发现，与其他几种汽车供能方式相比，燃料电池汽车的价格虽然目前价格很高，但未来有很大的下降空间，到2050年可以下降到现在价格的55%左右。
降低成本是发展氢燃料汽车的关键。从表2可以看出燃料电池系统的高成本增加了整个汽车的成本，未来的主攻方向是如何在减小成本的同时延长使用寿命。降低燃料电池系统的成本从理论上讲是可行的，并且很大程度上决定了整个汽车的成本。但是高压罐的成本却很难下降，因为高压罐的成本很大程度上取决于昂贵的复合材料，所以目前的研发重点集中在降低高压罐的复合材料成本。电池和电力控制系统的成本随着技术的进步都会有一定的下降，因为材料的限制不会下降得太多，但是高技术的融入会延长电池使用寿命，从而提高整个汽车的使用性能。
氢燃料电池关键技术
氢燃料电池不仅高效能，而且环保，尤其是质子交换膜燃料电池，未来市场发展前景广阔。
氢燃料电池的高性能。氢燃料电池是通过含有大量氢气的燃料与氧化剂发生化学反应直接产生电能，而不是利用燃烧来供能。相比于其他把化学能转化成电能的过程，它的发电效率更高，通常能达到32%-70%。一般而言，燃料电池里的燃料除了氢气，还有天然气、甲醇和柴油等其他液体燃料。如果使用的是纯氢气，燃料电池的排气是水蒸气，那么它对环境的影响可以忽略不计。虽然使用了烃类的燃料，就会有二氧化碳的排放，但是即便这样，使用燃料电池仍具有减轻碳排放的环境价值。
燃料电池类型。燃料电池可以根据它们膜的类型和操作温度分成不同的类型。燃料电池可分为：（1）质子交换膜燃料电池（PEMFC）；（2）碱性燃料电池；（3）磷酸型燃料电池（PAFC）；（4） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；（5）固体氧化物燃料电池（SOFC）。
质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池是燃料电池电动汽车最适合的选择。类似于电解槽，燃料电池也有一个电效率和功率输出的平衡。电效率在低负载时很高，且随着功率输出的增加而降低。质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的操作温度比较低，在80℃左右，其他的燃料电池操作温度就比较高，可以达到600℃（固体氧化物燃料电池），这使得它们可以适用于热电联产系统中。
氢燃料运输与配送
氢燃料的广泛应用，依赖完善的氢燃料运输配送基础设施，来保障氢能的高效使用。
加氢站。加氢站是燃料电池电动汽车燃料供应链中一个至关重要的因素，提供尽可能多的加氢站是实现消费者利益的先决条件。加氢站的设置在很大程度上是由每日氢燃料的需求量、车载氢燃料的储存方式，以及氢燃料的制造和运输方式等决定的。确定一个加氢站大小是关键的一步，一个小的加氢站初始阶段可能每天只需要50kg到100kg，但是在成熟以后的市场里，加氢站每天可能会需要2000kg氢燃料。加氢站的氢燃料可以由下面的两种途径来提供：（1）从一个集中生产氢的工厂运输到加氢站；（2）在加氢站里用较小规模的电解槽和天然气蒸汽重整生产氢气。每种方法都各有优点和不足：大规模、集中式制氢在大规模经济下尽量减少了制氢成本，但却需要运输氢燃料，这增加了使用氢的成本；在分散制氢、小规模制氢的情况下，减少了运输和配送成本，但是却增加了制氢的成本。因此，寻找最佳的网络配置需要详细分析并考虑多种因素，如制氢资源地理分布、现存基础设施情况和加氢站预计氢燃料需求量等。
氢气运输和配送。氢气的运输和配送方式主要有三种：气体罐运输、液化罐运输和管道运输（如表3）。在选择氢气的运输方式时，需要综合考虑的固定成本和可变成本。气体罐运输投资成本最低，但由于输送容量小，可变成本很高；与之相反的则是管道运输，高投资成本增加了固定费用，但却降低了可变成本。选择运输途径时需要考虑很多因素，其中加氢站氢气需求量和运输配送距离是两个最重要的因素。目前在管道运输方式上已经有相当丰富的经验，美国现有的氢气管道系统已达2400公里，欧洲已经接近1600公里。加氢站与氢燃料运输配送技术之间的联系是显而易见的，对于小加氢站，可以采用氢气气体罐运输或者现场制氢，而对于日用氢量大于500kg且没有现场制氢的加氢站，液化运输和管道运输是最好选择。因此，加氢站的设置决定了氢燃料运输路径的选择。
完善产业链
为了促进氢能和燃料电池技术的发展，下一步需要集中资源，促进跨领域的合作，部署氢燃料电池的产业链，逐步完善相应的政策和监管框架。
建立一个燃料电池电动汽车的产业链，并且完善相应氢燃料的生产、配送和补给站等基础设施，在全世界范围内选择合适的区域，建设至少500到1000个加氢站和一些跨国项目。通过这个产业链和相应配套的运行情况，来判断氢能源汽车的经济性和实用性。在具有氢燃料电池汽车技术研发基础的欧洲、日本、韩国和美国部署方案，让这些地区的国家政府参加制定缓解风险策略，发展金融工具和创新的商业模式，完善燃料电池电动汽车市场推广零售基础设施。增加可以集成可再生能源的氢能源系统的数量，并且收集这些能源系统在现实条件下的性能数据，通过分析数据尽可能地降低成本和优化系统效率。
国际能源署氢能和燃料电池路线图强调了制定相关政策时面临的一些具体挑战，这些挑战主要包括道路交通运输领域的碳排放限制、大量集成可再生能源的目标，以及低碳化、低成本的氢能和燃料电池生产技术等。迎接挑战，需要有良好的政策方针来刺激技术解决方案之间的有效竞争，当然这些政策方针不应该局限于氢燃料电池。相关政策应该给具有发展前景的技术提供定向支持，朝着降低成本和提高性能的方向发展，以便于早日实现市场化。
政府支持和保障。政府可以充当催化剂的角色来促进氢能和燃料电池技术的发展，提供经费支持氢能开发示范基地建设，并制定相应的扶持政策。政府需要在能源利用和气候等方面制定长远目标，并营造稳定的发展环境，来保障各项能源发展和气候指标的实现。
激活社会资本。调动社会资本是氢能和燃料电池技术的大规模部署的先决条件。在过去的十年中，一些倡议联盟和伙伴关系已经建立，以协调利益相关者之间的行动，并确保资金的顺利流转。例如，积极引进燃料电池生产商、汽车制造商、电力供应商、运输服务提供商等各个环节的企业，通过协调利益相关者之间的行为，来降低投资风险。在全球范围内，近些年每年都有几百亿美元花在氢能和燃料电池技术以及相关的基础设施建设上。
强化政策保障
针对氢能和燃料电池发展中的问题，建议政府、工业、科研等部门和领域给予政策保障和技术支持。
政府部门。为实现长期的气候和节能减排目标，建立稳定的政策和监管框架，制定碳定价、燃料关税或可再生燃料标准，在所有能源领域鼓励使用高燃油效率和低排放技术。在现有的基础上，强化道路交通领域的燃油经济性，并且限制二氧化碳及其他污染物的排放。本报告对政府提出了以下具体建议：（1）以适当的经济政策来限制化石燃料汽车的数量，如综合税制系统、对排放二氧化碳为主的机动车征税等；（2）加强政策框架建设，解决运输部门的排放问题；（3）建立市场框架，以适当的报酬来激励能源存储技术所提供的动力系统服务；（4）完善安全法规，解决在氢气的运输与配送、零售基础设施以及氢计量标准之间的安全问题；（5）支持部署氢能开发示范基地，提高对氢能源关键技术的研究投入力度，比如电解制氢和燃料电池等；（6）解决潜在市场壁垒，例如原材料的供应等；（7）扩展宣传和教育计划，以提高民众的认识。
工业领域。需要确定燃料电池和电解槽最低成本系统的设计和制造方法，延长其使用寿命，减缓老化速度。通过证明燃料电池电动汽车在道路上的实用性和整个产业链的经济性，提高其使用率。根据不同地区的具体特征，因地制宜地加速发展基于化石燃料的氢生产工艺，并且做好生产过程中的二氧化碳减排措施，早日形成成熟的商业体系。
科研领域。分析能源供应与需求情况，研究不同能源之间的联系，研究基于氢能的可再生能源转化系统。氢气的生产方面，要尽可能地降低上游生产领域和配送领域的碳排放量，同时降低成本，提高资源的利用率。在氢气的储存方面，要获得适用于地下储气库区域的地质构造数据。在氢能的使用端，要制定出相应的使用规范，以提高氢能使用的安全性和环保性。
（译自国际能源署《氢能与燃料电池技术路线图》，本报有删节）
