撑起冬奥的中国氢能源又一波氢浪潮即将到来

　　中国氢能源
　　冬奥会的能源保障
　　冬奥会期间，运动员参加比赛训练，自然离不开各种交通工具；而本届冬奥会的一大亮点，就是投入1000多辆搭载氢燃料电池的客运车辆，作为接驳媒体记者、运动员和现场观众的交通工具。这是全球首次大规模投入氢燃料电池汽车作为接驳工具。除此之外，以货运车辆为主的应急电源发电车和运送蔬菜食品等后勤物资保障车也均使用氢能源车。此次我国在超低温、长距离、高频率的环境下大规模使用氢能源车，也将为全球交通运输行业的节能减排工作提供中国经验。
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　　氢能源汽车
　　节能减排＂领军车＂
　　随着我国碳达峰、碳中和目标的明确提出，各行各业的碳减排成为今后很长一段时间的重点工作。交通运输行业的碳排放占我国碳排放总量约10.4%，减排压力大，形势严峻。根据欧美发达国家的经验，一个国家实现工业化以后，交通领域的碳排放一般会占到碳排放总量的1/3左右；同时，在工业、建筑等碳排放下降的情况下，还可能持续增长，是最晚实现碳达峰的行业之一。因此，在今后的一段时间，我国交通运输行业的碳排放也还会持续增加，其碳减排的战略意义凸显。
　　氢能汽车的碳减排效果非常可观。以公交车为例，运行数据显示，相比每百公里需约40升柴油的传统公共汽车，氢燃料电池公交车每百公里仅需约6升氢气，每百公里减少二氧化碳排放约100kg。目前我国公交车保有量近80万辆，如全部更换为氢能源，碳减排量将非常显著。
　　因为氢燃料电池汽车在行驶过程中只排放水，被称为＂终极环保车＂。此次在北京冬奥会投用的氢燃料电池汽车中，丰田Mirai乘用车每百公里可减少排放二氧化碳约18.79公斤，丰田柯斯达中巴车每百公里可减少排放二氧化碳大约47.01公斤，丰田-福田合作开发的大巴车每百公里可减少排放二氧化碳约57.86公斤。
　　无处不在的氢能源
　　非常环保的冬奥会
　　此次的冬奥会，除了上面提到的氢能源汽车，其实在其他地方也充满着氢能源的身影：
　　1、氢能源火炬
　　历届奥运会火炬使用的燃料，包括镁、天然树脂、橄榄油、丙烷等。2020年日本东京奥运会是个例外，首次使用氢气作为主火炬燃料来源，不过接力火炬只有部分使用氢气，更多还是用的丙烷。而继2020年东京夏季奥运会之后，2022年北京冬奥会第二次使用氢气作为火炬燃料，并且不管是主火炬还是境内接力火炬都是由氢气作燃料。
　　火炬＂飞扬＂是世界首款高压储氢火炬，运用了液体火箭发动机的氢能技术。它的内核从上到下依次是气瓶、控氢阀和燃烧器，为中国航天科技集团六院研制，其中控制阀和燃烧器由11所研制，气瓶由101所研制。
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　　当天在开幕式上，主火炬的氢燃料存放在35兆帕储氢罐中，而储氢罐固定在执行机构里，通过威亚系统悬挂在鸟巢场地45米高的暗处。储氢罐中的氢气可供主火炬燃烧至少8小时。因为氢气燃烧时火焰是淡蓝色，接近透明，为了让观众看到火焰，研制团队在火炬出口处安装了格栅，并在表面喷涂碱金属。当温度达到650 以上时，火焰的颜色看上去就比较明显了。
　　2月4日开幕式当晚，在主火炬点燃后，位于鸟巢和水立方之间颁奖广场上的火炬台以及位于张家口和延庆的火炬台也被依次点燃。其中，主火炬的氢气由中国石化下属燕山石化提供，三个赛区的火炬台由中石油提供。而且，张家口的太子城火炬台所用的氢气是绿氢，这也是冬奥历史上首次用绿氢点燃的火炬。可以说，这次冬奥火炬是集合了航天科技集团、中石油、中石化三大央企的力量~
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　　2、氢能源电动车
　　2008年北京夏季奥运会召开前，3辆戴姆勒-克莱斯勒燃料电池大巴就开始在北京中关村地区进行示范运行，路线全长为8.19公里。这是我国第一个燃料电池公共汽车示范运行项目。此外，上海大众提供的20辆 帕萨特领驭氢燃料电池轿车也投入了那次奥运服务。2020年东京夏季奥运会投入600余辆氢能源车，包括100辆丰田氢燃料巴士以及500辆MIRAI氢动力轿车。
　　相比以上两届奥运会，2022年北京冬奥会投入的氢燃料汽车数量大大提升，总计超过1000辆，其中乘用车145辆，巴士及客车749辆，还有107辆服务于残障人士的福祉车。
　　3、氢能源无人机
　　不只是地上跑的汽车，国家电网自主研发的国内首台氢燃料电池发电车为国家速滑馆提供绿色电源，中国商飞3架氢燃料电池无人机为冬奥提供电力巡检和运力保障。这些氢能无人机中，多项先进技术被集成应用，其核心技术包括氢能无人机平台、5G网联技术和智能电力巡检技术等。
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　　与传统无人机相比，氢动力无人机具有重量轻、振动小、噪音低、零碳排放等优势，并且突破了低温、续航等瓶颈，固定翼状态可超过24小时续航，并能适应山高路远、严冬高寒等环境。
　　4、氢能源＂加油站＂
　　为保障1000多辆氢燃料电池汽车在奥运期间有足够的氢气供应，中石油、中石化等能源企业在北京市和张家口市配备了多个加氢站。中石化下属燕山石化生产的氢气供应4座冬奥加氢站—— 北京庆园街加氢站、北京王泉营加氢站、北京燕化兴隆油氢合建站、河北崇礼西湾子加氢站。
　　自2022年1月25日正式服务北京冬奥会至2月10日，燕山石化已累计出厂氢气115车、27.2吨。目前北京已建成10座加氢站，张家口已建成7座加氢站。因为可再生能源丰富，张家口的风能、太阳能可开发规模高达8500万千瓦，能够为电解水制氢提供充足的绿色电力保障，可以实现以绿电制绿氢。
　　北京冬奥会
　　绿色氢能源的历史机遇
　　在冬奥前夕，2021年12月，河北和河南两个氢燃料电池汽车示范城市群获批国家氢燃料电池汽车示范城市群。其中，河北示范城市群由张家口牵头。2021年8月，京津冀、上海、广东三个示范城市群入选首批国家氢燃料电池汽车示范城市群。其中，京津冀示范城市群由北京牵头。至此，我国氢燃料电池汽车示范城市群的＂3 2＂格局已经形成。
　　从2016年到2021年，我国氢燃料电池汽车年度销量分别为37辆、1898辆、1527辆、2737辆、1177辆、1586辆，累计销量达到8962辆，保有量尚不足万辆。 如今随着冬奥会的召开，历史机会又来到了氢燃料电池汽车面前。2020年我国向世界宣布了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的承诺。以此次冬奥会为契机，氢燃料电池汽车迎来了它最好的时刻。
　　写在最后，关于氢燃料电池
　　氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。
　　当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。
　　中国的氢电池计划
　　2020年，科技部启动了国家重点研发计划＂可再生能源与氢能技术＂重点专项，将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但面临低生产成本（电解质、催化剂等基础材料）、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。
　　美国能源部燃料电池技术项目研究认为，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一，随着技术进步，全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料，是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径。近期的综述性研究工作，报道了氢燃料电池系统在双极板、气体扩散层、催化剂、膜电极、流场设计与分析等材料或组件方面的新进展。
　　近年来，我国的氢燃料电池技术基础研究较为活跃，在一些技术方向具备了与发达国家＂比肩＂的条件；但整体来看，所掌握的核心技术水平、综合技术体系尚不及具有领先地位的国家，如我国在1998年才出现首个氢燃料电池发明专利，目前相关核心专利数仅占世界的1%左右。
　　先发国家在氢燃料电池系统、组件、控制技术、电极等方面发展相对均衡，一些国际性企业在燃料电池系统、电池组件与加工、控制技术等方面居于世界领先地位。在技术应用方面，从现阶段重点发展氢燃料电池客车、卡车等商用车，逐步推广到乘用车、有轨电车、船舶、工业建筑、分布式发电等领域。而相对于技术发展，更重要的是对于成本的控制；氢燃料电池系统的成本必然随着技术进步、生产规模的扩大而下降，预计未来10年生产成本将降低至目前的50%。
　　氢能源2050
　　在世界各国，各地区为满足乘用车及货车在同一年内的燃料需求，可根据行驶里程等实际情况进行推算。2015年，全世界的汽车保有量为12.6亿辆，到2050年这一数据将增加至25.0亿辆。根据全球氢能权威组织国际氢能委员会的预测，到2050年，氢能将占全球能源需求的18%，市场规模将达到2.5万亿美元。其中，载货量大、行驶距离远且使用频率高的商用车被认为是氢能源的最佳使用场景。
　　由于商用车大多载货量大、行驶距离远且使用频率高，目前受限于充电时长和续航里程的纯电动车很难满足商用车的使用需求。同时，此前在商用车领域占据相当地位的柴油车清洁技术已经＂见顶＂，无法满足更高要求的排放标准和电动化趋势。因此，氢能源目前被认为更适合应用于商用车领域。
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　　无论是什么材质的电池，进行规模化生产时，对制备工艺和环境都有着很高的要求： 干燥，洁净等等 ~为此，一般是需要使用真空手套箱来配合生产线进行生产的：手套箱是作为一个全密闭的腔体，把腔体内外的环境完全隔绝开，腔体的一面安装有视窗 和手套，操作人员通过手套对腔体内的物料进行操作： 在操作前，对整个箱体抽真空，把箱体内空气完全抽掉，降低水氧含量至0.1ppm以下，然后填充惰性气体气体进行生产。
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