毛宗强博导：期待“氢社会愿景”走向现实
王瑞嵚
编者按：据日本日经BP清洁技术研究所日前发布的《世界氢能源基础设施项目总览》显示：全球氢能源基础设施的市场规模到2050年将达到1.56万亿美元。在今年北京召开的两会上，民进中央提交全国政协十二届二次会议“关于加快推进氢能源利用的提案”，建议国家出台政策，大力扶持氢能源技术及产业的发展：如支持氢能源生产、贮存、加注设备以及氢燃料电池的研制和生产；支持有关企业盘活现有风力和光伏发电资源，充分利用现有风力发电设施，实现氢能源低成本规模生产能力；加快推广氢能汽车的应用；支持氢能源供应基础设施建设。那么，我国氢社会的现状和愿景如何呢？为此，本刊记者近日在紫荆花盛开的清华园采访了国际氢能学会副主席、清华大学核能与新能源技术研究院教授毛宗强博导。
1 我国氢燃料汽车发展状况
氢能汽车主要分为氢燃料电池汽车、氢内燃机汽车、氢混合动力汽车、氢气/汽油双燃料内燃机汽车等；氢混合动力汽车又分为汽油中掺烧氢气汽车、天然气中掺烧氢气汽车（HCNG汽车）。
1.1 氢燃料电池汽车
1999年，清华大学就研制出中国第一辆氢燃料电池汽车。我国燃料电池汽车通过奥运、世博等重大活动平台开展示范应用：2008年北京奥运会上，我国展示我国自己制造的3辆氢燃料电池大客车和20辆氢燃料电池轿车。2010年上海世博会上，我国展出196辆氢燃料电池汽车，6辆氢燃料电池大客车、90辆鱼水情燃料电池轿车和100辆氢燃料电池观光车。2012年，同济大学、清华大学等四所大学、中科院大连物理化学研究所、十几家车企发起成立了“中国燃料电池汽车技术创新战略联盟”，旨在集中燃料电池汽车研发和生产的优势力量，早日攻克相关核心及瓶颈技术，加快我国燃料电池汽车产业化进程。
2014年4月20日北京车展，上汽集团展出荣威950燃料电池轿车，该车行驶以氢燃料电池为主，动力蓄电池为辅，载有两个70MPa氢气瓶，储氢量达4.34公斤，续航里程400公里，零下200C也可正常启动和行驶。上汽集团将在2015年生产80辆氢燃料电池轿车。
毛宗强博导认为：从技术上说，氢燃料电池车在充气速度、续驶里程、最高车速等性能方面已经完全可以替代目前的汽油车。目前氢燃料电池汽车可在零下20℃低温启动，每辆氢燃料电池里的催化剂铂金使用量已降到十几克，同时，催化剂中的铂金回收方便。铂金不会成为氢燃料电池汽车的障碍。
但是，目前，与国外相比较，我国氢燃料电池轿车落后于国际水平；车企的氢燃料电池技术已落后于欧盟、美国和日本的车企，在电池寿命与成本上存在极大的差距。据燃料电池系统成本数据显示，美国为73美元/千瓦，韩国66美元/千瓦，而中国为130美元/千瓦。氢燃料电池设计寿命要达到5000小时才能达到产业化目标要求，国内相关企业氢燃料电池的稳定寿命还在2000小时左右，而国际先进技术已经可以达到8000小时左右。国外载有70MPa压力150升高压储氢瓶的氢燃料电池汽车，一次充满可行驶800公里，而我国的氢燃料电池汽车只能载35MPa氢瓶，一次充满气，行驶300公里。
1.2 氢内燃机汽车
纯氢内燃机汽车主要分为往复活塞式氢气内燃机和转子式氢气内燃机，纯氢内燃机对氢气的质量没有特别的要求。氢比汽油具有更宽的着火界限，易于实现稀薄燃烧，提高经济性，同时可以降低最高燃烧温度，大幅度地减少NOx 的排放量。宝马已成为全球首家实现液氢作为直接燃料，并实现量产氢燃料内燃机汽车的首家公司。然而，显而易见的缺点是：液氢价高，再有，由于液氢的温度只有-253OC，少许漏热就会使液氢罐中的液氢蒸发，形成气体，一旦汽车处于停止状态，蒸发的气氢就会产生高的压力，迫使安全阀启动放气。
2006年，马自达研发出RX-8 Hydrogen RE双燃料系统转子发动机，与一般转子发动机不同的是，该引擎可供给汽油和氢气燃料，还可通过车内按钮自由选取工作模式。我国长安集团氢动力汽车发动机研制历时多年，并成功实现点火。
毛宗强博导说：纯氢内燃机汽车本身难度不大，但车载储氢是难题。纯氢内燃机汽车目前由于储氢空间小，因此续驶里程不够长，只有同样储氢容量的氢燃料电池轿车的一半。需要加氢站是氢内燃机汽车发展的瓶颈。
1.3 天然气掺氢气汽车（HCNG汽车）
清华大学和西安交大、北京交大等都对“天然气掺氢”发动机进行了计算分析与实验，认为合适的掺氢的HCNG比纯天然气更环保，汽车的主要排放物NOx要减少一半，而且动力性能说燃料消耗都相当。北京氢能华通按照国家863项目的要求，研制运行了4 辆HCNG 天然气混氢大客车，示范行程上万公里，取得很好效果。2011年1月7日，重庆五洲龙新能源汽车有限公司与清华大学签订了天然气掺氢（HCNG）客车合作研发及示范推广协议。清华大学负责HCNG客车示范运行的主要技术支持，重庆五洲龙新能源汽车有限公司将负责HCNG客车的整车研发与集成，为HCNG客车的示范运行提供客车产品。
毛宗强博导告诉记者：HCNG，就是在CNG里加氢，只加20%的氢气，就可以替代20%的CNG。在燃烧时，3m3氢气的热值于1m3天然气热值，而用在汽车运行条件下，1m3氢气等值于1m3天然气，起到节能的作用。在CNG里加20%氢气，不用改发动机，也不会发生氢脆现象，氢气纯度也不用多考虑。唯一考虑改动的是调整汽车的电脑，调整发动机进气比和点火时间角，费用极其低廉；另外，在CNG总站加氢气时，多一套制氢与混合设备即可。
HCNG最大一个特点就是安全、实惠、节能、减排。
毛宗强博导给记者算了一笔账，见表1。
表1 以桑塔纳出租车为例
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项 目 |
汽 油 |
天然气 |
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热 值 |
8190kcal/L |
8800kcal/Nm3 |
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热效率 |
91% |
98% |
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单 价 |
7.82元/L |
4.8元/Nm3 |
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100公里消耗 |
10.0L |
9.0Nm3 |
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100公里费用 |
78.2元 |
43.2元 |
从表1可以看到，汽油汽车花费多，而天然气汽车要省钱得多。天然气作为汽车燃料，可以降低CO2、SO2、PM等污染物的排放量，但是由于甲烷的燃烧温度可达2300℃，与汽油、柴油接近，容易产生NOx气体，在实际使用过程中，天然气车并不能降低NOx 气体的排放。
但是氢气掺混到天然气中用作燃料，就可以有效降低燃料的燃烧温度，减少排气中NOx 的含量。HCNG不仅节能环保，而且比CNG汽车还省钱。因为煤制氢气很便宜的，只有1m3氢气/元，因此，HCNG车的100公里费用应该是：（9.0 Nm3CNG-1.8 Nm3CNG）×4.8+1.8 m3H2×1=36.36元，比天然气燃料亦节省一大截。更重要的是，我国天然气资源紧张，用容易得到的便宜的氢气掺到天然气中使用，等于节省了天然气资源。
毛宗强博导说：我国山西省国新能源集团已经建成一座世界最大的HHCNG汽车加气站，，生产能力达到每天20万立方米HCNG气体，使用一年多，状况良好。但是该加气站仅限于企业内部自己使用，尚未推广到市场。即便如此，国际氢能学会也非常重视，准备在今年6月在韩国召开的第20届世界氢能大会上给其颁奖。
2 各国发展氢燃料汽车经验值得借鉴
毛宗强博导向记者详细介绍了各国发展氢燃料汽车的经验。“政府重视、协会督促、企业积极”，毛宗强博导说。美、欧、日都从国家可持续发展和安全战略的高度,制定长期氢能源发展战略。
2.1 政府重视
2.1.1美国
美国的氢能发展路线图从时间上分为4个阶段,即2000年至2040年,每10年一个阶段,每个阶段发展的侧重点不同,但相互关联。
美国能源部多次联合其他机构召开了氢能基础设施研讨会就降低燃料电池成本、氢能政策、税收、碳税、氢能信息和教育降低风险战略个人和公共合作伙伴保险工具分成负担、OEM等以及燃料电池革新方向新的商业模式等进行讨论。美国能源部2013年5月13日启动一项名为H2USA的项目，该项目由美国政府牵头，大力支持氢能源加注站的建设。韩国现代、德国奔驰、日产汽车、丰田汽车和通用汽车、林德和美国空气产品公司，法液空等十余家企业与美国能源部达成协议，参加美国加氢站网络建设。
2.1.2 欧盟
欧盟氢能技术路线图从时间上划分为三个阶段,即短期,从2000年到2010年;中期,从2010年到2020年;中远期,从2020年到2050年。
欧洲层面上，荷兰、丹麦、瑞典、法国、英国与德国六国已经达成共同开发推广氢能源汽车的协议，各国将一同建设一个欧洲氢气设施网络，并协调能源传输。欧盟成立欧盟燃料电池与氢联合行动计划项目（FCHJU2008），斥资9.4亿欧元用于燃料电池和氢能的研究和发展。该计划的总预算是2008至2013年至少投入9.4亿欧元，其中欧盟计划从第七框架计划中拿出4.7亿欧元，产业界投入2千万欧元现金和至少4.5亿欧元资产，研究机构则投入3百万欧元现金。涉及的项目包括氢气车队项目、ZERO-REGIO项目和小型车辆氢气链项目的公开实验。
2.1.3 德国
德国交通建设与城市发展部(BMVBS)2012年6月20日与几家工业公司签署了加氢站网络扩建设联合意向书，到2015年，德国将建成至少50座公共加氢站，投资额约为4000万欧元。
2.1.4 英国
英国政府计划2030年之前，英国氢燃料电池车保有量达到160万辆，并在2050年之前使其市场占有率达到30%～50%单次行驶里程或达到锂电池车3至5倍。
2.1.5 荷兰
荷兰已有局部氢燃料公共汽车作为示范项目运行。从2013年起，现代、丰田、戴姆勒克莱斯勒、本田等公司，将在荷兰推出氢能汽车；另外，荷兰还与英国、法国、丹麦、瑞典、德国达成共同开发推广氢能汽车协议。
2.1.6 日本
日本政府对推动氢能源事业最积极，在日本主要由NEDO负责氢能源推广。日本每年都要搞氢能展览。日本2009年5月宣布1千瓦家用燃料电池进入商业化阶段，至今已销售5万余台。日本1千瓦级燃料电池售价300万日元，约合人民币20多万元，政府补贴130万日元，除去补贴后约合人民币12万元。利用这套电池系统，日本家庭每天可将多余的电力卖给电网，同时利用散发的热量获得免费热水。2012年6月，日本政府制定加氢站优惠政策：日本政府计划到2015年建设100座加氢站，为燃料电池车的运行提供氢气，参与建设加氢站的公司将得到政府的补助。
由于氢气站建设费用较高，每个约为6亿日元（约合人民币3750万元），2013年8月，日本经济产业省提出重审氢气储存罐材质标准等，探讨放宽储存罐钢材的材质管制，让在海外用于制造储存罐的廉价钢材也能在日本使用。
2014年北京车展，丰田展出FCV概念轿车，即一款搭乘氢燃料电池的纯电动车型，配备两个70MPa氢气瓶，3分钟完成燃料补给，续航500公里。
2.2 企业联合研发，积极推动氢燃料汽车市场化
几乎所有的世界级氢燃料汽车企业都宣布2015年将量产氢燃料电池车，毛宗强教授称2015年为世界氢燃料电池车元年。国际著名车企早已将目光盯着产业化的2020年。2013年世界氢燃料汽车企业就降低氢燃料汽车价格、推广氢燃料电池车成立了三个集团。
2013年1月24日，丰田汽车和宝马集团签订约束性协议，深化双方合作。 丰田和宝马认为燃料电池技术是实现零排放的解决方案之一，两家公司将共享该领域的技术，并联合开发一款基础性燃料电池车系统，不仅包括燃料电池堆栈和整个系统，也包括氢燃料贮存箱、马达和电池。
2013年1月28日，戴姆勒宣布同福特、雷诺-日产结成战略合作关系，共同加快燃料电池汽车技术的商业化，预计2017年推出第一款新车
2013年7月2日，通用汽车和本田汽车正式宣布，双方在共同开发燃料电池车议题上进入深度合作。
国际汽车巨头分享世界为了汽车市场胡举措，应该引起我们深思。
3 我国氢社会愿景，万事俱备只欠东风
3.1 已有的优势
3.1.1 中国产氢量世界第一
从氢气的产量上来讲，我国是世界第一大产氢国，2012年产1600多万吨的氢气。全世界最大的一个制氢工厂就在我国的鄂尔多斯，是用煤来制氢的，一年能够生产18万吨氢气。毛宗强博导告诉记者，焦炉煤气制氢最便宜，大约1元多1立方米氢气，最贵的是电解水制氢，纯度也高。大约96%的氢气来源于化石能源如煤、天然气和油。4%的氢气来源于电解水。
3.1.2 储氢材料世界第一
我国已经具备生产350bar轻质车用储氢瓶的能力；400bar固定式储氢瓶具有世界先进水平。我国第一座加氢站采用这种高压氢气储瓶。其主要设计参数为:设计压力42MPa 、使用温度为-19～80℃、内直径为1000mm。
毛宗强博导说：我们是世界最大的金属储氢材料产品国。中国和日本两国几乎包了全世界金属储氢材料的生产；而且我们的销售量比日本还大。在储氢材料稀土方面，全世界产能都被中日垄断，我国产能达到1.5万吨。最常见的储氢方法就是将氢气压缩，用高压气瓶储存。这方面我们跟国际水平相当，国际上现在车载350公斤压力的轻质储氢瓶都成为标准产品了，我们国内也能自己生产；另外我们还在试制700公斤压力的储氢瓶。
3.2 需要做的相关工作
3.2.1 政府部门的推力
在今年北京召开的两会上民进中央提交全国政协十二届二次会议“关于加快推进氢能源利用的提案”，建议国家出台政策，大力扶持氢能源技术及产业的发展。科技部部长万钢也在两会上说：未来我们在氢燃料电池方面的研究还会更进一步。毛宗强博导非常赞成民进中央的提案和万钢部长的表态。他期待国家决策部门能将氢能源提高战略高度来重视，支持氢燃料汽车的发展，加快推进氢能源利用的提案。
3.2.2 建加氢站
截至2013年年底，全球投入使用的加氢站总数达到208座，加氢站的建设正逐步走向网络化。美国加利福尼亚州计划在2015年建70座加氢站，2017年增加到100座以上；德国计划2015年建50座，最终建1000座；日本现有20多座，在2015年建到100座，2030年增加到1000座；韩国现有14座，2015年增加到50座。
在我国，2010年12 月1 日住房和城乡建设部批准的《加氢站技术规范》（GB 50516-2010）正式实施，该规范明确，允许一个站点经营汽油、天然气、氢气等多种燃料。这样，加氢站可以利用现有加气站网络予以推广。毛宗强博导参与了该规范的制定。然而，目前我国只有2座加氢站。（原来上海2座，北京2座，后来因各种原因拆掉2座。）毛宗强博导说：现在建一个加氢站要跑十多个部门，盖几十个公章，程序复杂，相关部门拖延的时间也很长。因此，发展氢能事业发展，迫切需要简化建加氢站手续，需要国家从战略上予以重视，以及各级政府部门的大力支持。
3.2.3 氢能汽车试点
毛宗强博导呼吁：国家在支持电动汽车的同时，应将氢燃料电池汽车、氢内燃机汽车、氢混合动力汽车、氢气/汽油双燃料内燃机汽车等列入新能源汽车补贴重点；尤其在目前国产天然气汽车发展同时，选择一城市或地区进行试点：先完善燃料供应网络如加氢站等，再鼓励公车、公交、出租车系统试用H-CNG燃料；同时城市或地区政府部门可以提供购新能源汽车补贴，鼓励人们购买氢燃料电池汽车、氢内燃机汽车、氢混合动力汽车、氢气/汽油双燃料内燃机汽车。
3.2.3 天然气车用压力需要提高
据了解，天然气车用气瓶允许使用压力，国家标准是25MPa，实际只允许用20MPa。毛宗强强烈建议提高天然气车气瓶许可使用压力，即提高首先到目前国家标准许可的25MPa，这样会提高天然气车的续驶里程和减少加气频率、促进气体产业水平提升。再进一步效仿氢燃料汽车，储气罐压力提升到35MPa，乃至70MPa。这样CNG汽车的续驶里程载与LNG相当，可为全社会节省巨量能量。
毛宗强简介
毛宗强，1970年清华大学工程化学系毕业、1982年清华大学核能与新能源技术研究院硕士，1993年英国Bradford大学博士。历任清华大学核能与新能源技术研究院教授、博导，中国可再生能源学会副理事长，国际氢能协会副主席，中国氢能与燃料电池协会筹委会负责人。1993年起研究氢燃料电池，1998年起研究工作扩展到储氢、新型制氢方法和氢能经济与安全、氢能标准等与氢能有关的课题。