第1章
绪论

1.1 发展燃料电池的重大需求

1.1.1 氢能在可再生能源体系中的重要作用

当前以煤炭、石油和天然气为代表的化石能源在人类社会的能源体系中仍占据绝对主导地位，化石能源的过度使用引起的大量二氧化碳排放造成了日益严重的“温室效应”。近年来温室效应导致的全球气候变化问题日益显著，如南北极冰川消融、海平面上升、极端天气频发、洪涝和干旱灾害增多等。在过去几年间，包括我国在内的世界各主要国家和地区陆续制定了在21世纪中叶（2050—2060年）前实现“碳中和”目标的路线图。“碳中和”目标的实现必然伴随着以化石能源为主体的社会经济体系转向以可再生能源为主体的新一轮能源革命。

人类的能源利用过程基本是以“减碳加氢”过程为主导。早期人类社会获取能源的主要方式是通过柴薪燃烧，其碳氢原子个数比例约为10:1；经过以蒸汽机大规模使用为标志的能源革命之后，煤炭开始成为能源利用的主要形式，其碳氢比约为2:1；当前大规模使用的石油和天然气碳氢比分别约为1:2和1:4；而目前逐步推广应用的氢能不含任何碳元素，其最终产物只有水，是一种清洁高效的二次能源。作为能源载体，氢能具有能量密度高（热值为143kJ/g，约为石油的3倍，煤炭的4.5倍）、可储运和应用场景广泛等优势。氢能还可以实现长周期、大规模存储，从而有效弥补电能作为二次能源的不足。目前广泛应用的太阳能、风能等可再生能源受地域、气候、日照等因素的影响波动性很大，将其直接纳入电网体系会引起短时功率不平衡和长时电量不平衡这两大难题，致使“弃风”“弃光”问题严重。利用电解水将绿色的弃电转化为氢气加以存储，再经燃料电池进行发电，可有效解决可再生能源利用过程中严重的“弃风”“弃光”问题，有望成为重要的可再生能源利用形式。氢能与电能的相互转化可以有效促进可再生能源的大规模利用，在未来可再生能源体系中起到能源转换中枢的作用。

氢气根据氢制备方式的不同可分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢是指通过煤炭、天然气或石油等化石燃料燃烧产生的氢气，这一过程会伴随二氧化碳等碳排放，目前市面上绝大多数的氢气都属于灰氢；蓝氢是由天然气重整制备而来的，在这一过程中通过碳捕捉技术可捕获二氧化碳，实现低碳制氢；绿氢则是利用太阳能、风能或核能等可再生能源通过电解水制备而来，可真正实现零碳制氢。目前绿氢生产成本仍然很高，尚处于起步阶段。尽管氢能在使用环节是零排放，但目前主流的氢能制备方式尚不能完全做到零碳排放，未来仍需大力发展绿氢，实现氢能利用全过程的零碳排放。2022年11月，我国谢和平院士团队和他指导下的深圳大学/四川大学博士生团队在《自然》杂志发表的研究论文开创了海水原位直接电解制氢的全新路径[1]，同时该团队还研制出了全球首套400L/h海水原位直接电解制氢设备，并在深圳湾海水中连续运行超过3200h，实现了从海水中稳定规模化制氢，解决了困扰该领域达半个世纪之久的重大难题，这一技术方案有望实现低成本规模化绿氢生产。

以氢的多领域使用推广为标志，世界经济正在进入一个以“减碳加氢”为主导实现“双碳”目标的时代，同时也将迎来新一轮的能源革命。我国在“十四五”规划中着重加大了氢能产业的整体布局和制氢、储氢、输氢、加氢、用氢等全产业链关键技术研发。2021年10月24日，《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布，氢能也被上升至国家层面的战略能源地位，将在“双碳”目标的实现过程中发挥重要作用。2022年，国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》首次明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分。