我国氢能产业发展现状及展望

氢能是低碳环保、清洁安全，绿色高效、安全可控、应用广泛的新型二次能源[1]，除了可以利用钢铁、氯碱、冶金等工业副产制氢外，最广泛地还是通过化石能源重整、生物质热裂解和微生物发酵制取以及可再生能源发电再电解水等方式来生产[2]。

迫于全球气候压力，世界各国加快了低碳、绿色转型发展脚步，氢能全球经济布局已经开展，世界各国对氢能的发展已达成初步共识，并相应出台激励政策支持氢能发展[3]。

2017年，国际氢能委员会(The Hydrogen Council)发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》预测：2030年全球氢能将大规模被利用；2040年全球终端能源消费量的18%将由氢能承担；2050年氢能需求量为目前10倍，其消耗量占能源消耗约20%，其利用可以贡献全球二氧化碳减排量的20%，产业链年产值2.5万亿美元。此外，法国液化空气集团、梅塞尔、壳牌等公司认为，全球氢气需求量年均增长率2020—2050年为23%~35%[4]。

氢能作为国内外新能源关注的热点，受到了能源、汽车、金融等公司的青睐。作为世界范围内产氢第一大国，我国年产氢量2 500万t/a[5]，2020年4月11日，通过国家能源局发布的《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》，氢能被正式纳入到新能源产业[6]。

本论文总结了氢能产业链上游、中、下游的发展现状，及其在燃料电池领域的应用情况，并对比了各国的进展，提出了展望。

氢能产业链总体可分为上游制氢，重油储运氢及加氢站，如图 1所示。

国内外制氢技术主要分为以天然气、石油、煤炭为代表的化石燃料制氢；以甲醇、氨为代表的高温分解制氢；以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产提纯制氢和以电解水制氢为代表的四种技术路线[7]。目前全球氢能每年总产量约5 500万t，其50%来自天然气重组，30%来自重油重整，18%来自煤气化[8]。从制氢技术已发表的专利中可见，我国制氢主要以化石燃料制氢为主，约占我国制氢产能的96%左右[9]，而国外大多以天然气重整制氢为主。

发达国家更加重视“绿色”制氢模式的研发，如：美国最新的生物质气化制氢和聚合物电解质膜电解水制氢成本降为天然气重整制氢的40%~50%左右；日本人工光合制氢技术效率已达到7%左右[10]。

我国的氢能市场还处于发展初期，拥有庞大规模的原料气体及工业气体生产和使用，基础制氢工业表现良好。化石燃料制氢中的煤制氢成本约为天然气制氢的70%~80%，是我国目前成本较低且技术成熟的制氢方式。其缺点为：排放量高，气体杂质多。以甲醇重整制氢为代表的高温分解制氢技术，目前广泛应用于电子、冶金、食品和小型石化行业；与化石燃料制氢相比，其具有能耗低、无环境污染，投资费用低、流程短等特点。工业副产制氢充分利用我国氯碱工业、焦炉尾气等资源，采用变压吸附技术，具有较高的成本优势，为节能减排做出了贡献。电解法制氢也是目前应用较为广泛的成熟技术之一，其工艺过程简单、无污染，但因消耗电量大、制氢规模小等特点发展受到限制，制氢量仅占4%。此外，我国目前还有生物质直接制氢和光解水制氢技术尚在实验、开发阶段。

高压气态储氢、低温液态储氢和固态合金储氢是目前广泛应用氢气储存的3种形式。其中，最广泛应用的是高压气态储氢形式，主要应用于燃料电池汽车领域，国内目前已研发出一种抑暴抗暴、缺陷分散、运行状态可在线监测的多层高压储氢罐。低温液态储氢主要在航天等领域得到应用，其对于交通工具内燃机和燃料电池应用前景看好，但由于深冷液化过程困难、绝热性能要求苛刻等，造成其设计制造和选材成本高昂等缺点。固态储氢的优点是加氢站无需高压设备，投入少，对部件要求低，但存在储氢密度低、吸脱温度高、速率慢及合金自身成本高等缺点。

氢的运输按其形态分为高压气态运输、低温液态运输、固体运输和有机液体储运。我国氢能储运以长管拖车运输高压气态氢为主，以低温液态氢、管道运输方式为辅。目前中国氢气管网建设也在加速布局当中，近年来氢气长输管道最具代表性的为：中国石化巴陵石化——长岭炼化42 km氢气长输管线，于2014年5月建成；河南济源市工业园区——洛阳市吉利区24 km氢气长输管线，2017年6月建成。另外在世界各国共铺设输氢管道4 284 km，其中美国2 400 km，欧洲1 500 km[14]。而法国和比利时之间长度400 km的氢气管道是目前世界最长的一条管道[15]。

不同运氢方式的技术比较详见表 1。可以看出：氢气气态运输方式应用高度依赖基础设施的搭建，并且在储运过程中存在一定安全隐患；而固态、液态运输方式目前投入应用较少，尚处于研发阶段。

加氢的基础设施是燃料电池车应用的重要保障，也是氢能发展利用的关键环节。经过氢气压缩机增压的氢气存储于高压储氢罐，再通过氢气加注机为氢燃料电池加注氢气。乘用车在商业运行中氢气加注时间在3~5min之间。国内加氢站的建设成本较高，其中设备成本占到70%左右，单个加氢站投资成本在1000万元以上，大幅高于传统加油站的建设成本，且设备的运营与维护、人工费用等都使得加注氢气的成本较高，在13~18元/kg左右。随着氢气加注量的不断增加以及同加油站、加气站的合建，单位氢气的加注成本将呈现下降趋势。同时，加氢设备亟需国产化，由目前核心设备依赖进口走向自主研发和量产化，将有力推动氢能源使用成本的下降及其普及。

在当前的商业应用中，燃料电池是实现氢能规模普及的重要途径，质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池是3种主流的燃料电池技术路线。

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高等优点，适用于交通和固定式电源领域，成为现阶段国内外主流的应用技术。国内燃料电池产业链还未实现全面布局，核心零部件技术仍有待突破。质子交换膜燃料电池使用铂及其合金作为催化剂[11]，其高昂的成本制约燃料电池的规模量产和商业化推广，在我国尚处实验研究阶段。核心零件质子交换膜对性能要求高，开发生产难度大，现阶段主流产品多为美国、日本制造。气体扩散层极大影响燃料电池成本和性能，主流生产企业分布于日本、加拿大、德国等。金属双极板和电堆等其他部件已在国内实现多企业布局[12]。

质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池是我国燃料电池技术研发和产业化比较集中的两类。虽然我国目前燃料电池电堆与关键材料、动力系统与核心部件部分技术指标接近国际先进水平，但仍有许多核心技术指标较为落后且工程化、产业化水平低，与日本、韩国等技术相对成熟的国家存在一定差距。

燃料电池目前在交通领域的应用最具潜力，另外在储能、军事等领域也有应用(见图 2)。氢燃料电池车辆的研发已在日美韩等国广泛开展并投入市场，美国燃料电池汽车拥有量占世界50%，单燃料电池物流车就拥有25000辆[13]；日本的丰田、本田, 韩国的现代等著名车企都推出了各自的燃料电池汽车。由于氢能在我国工业化起步较晚，整体水平尚与发达国家存在差距，所以中国的氢燃料电池汽车产业同样处于起步阶段，市场化程度较低，一些关键零部件和材料仍依赖进口。而一些氢能源技术较发达国家虽然氢燃料电池汽车市场化程度较高，但受采购量限制，应用程度普遍较低。

目前，燃料电池商用车为主要产业化方向，较乘用车应用优势明显。燃料电池商用车由于对空间要求低，对质量能量密度要求高，是更适用氢燃料电池的重要发展方向。在燃料电池商用车领域，公交车、轻型和中型卡车一直处于应用前沿。目前国内燃料电池汽车发展的主要产业化方向也集中在商用车领域，我国在《节能与新能源汽车技术路线图》中计划2020年实现在特定地区公共服务领域小规模示范应用燃料电池汽车5 000辆；2025年在城市私人用车、公共服务用车领域实现大批量应用，达到5万辆规模；2030年在私人乘用车、大型商用车领域实现大规模商用化推广，达到百万辆规模。未来规模化有望降低成本，商用车过渡到乘用车将打开万亿级市场空间。

中国氢能源目前已基本具备产业化基础，政府制定了一系列政策推动了行业的发展。如：2016年，《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》[14]，制定的“氢能与燃料电池技术创新”任务，对氢能与燃料电池产业在我国东南部省份的有很大推动作用。在该项任务的推动下，联合国开发计划署于2016年将江苏省如皋市命名为“中国氢经济示范城市”；国内首个商业化运营加氢站于2017年在广东佛山面市；山东济南“中国氢谷”项目计划建设；2018年武汉出台全国首个加氢站审批及监管的地方性政策《武汉经济技术开发区(汉南区)加氢站审批及管理办法》。2019年，政府工作报告将“推进充电、加氢等设施建设”写入其中，中国开启了氢能大规模商业化应用脚步，全国各地区也纷纷出台相关政策鼓励氢能及燃料电池的发展。此外，氢能领域的建设受到了国内传统大型能源企业的青睐。2018年2月，江苏如皋商业加氢站的建成，标志着中国氢能联盟高调进军氢能产业[15]；同年10月，潍柴集团与准能集团、氢能科技公司、低碳清洁能源研究院3家国家能源集团下属单位共同签署了《200吨级以上氢能重载矿用卡车研发合作框架协议》[16]。2018年7月，为支持氢能和其他新兴产业的发展，专门成立了中国石化集团资本有限公司[17]，确立10余座加氢站选址，在国内开始氢气的制、储、运、加整体战略布局。2018年10月，中化能源国际氢能与燃料电池科技创新中心在江苏省如皋市成立，中化集团将氢做为公司新能源四大重点领域之一，氢燃料电池研发和新能源业务加入到公司整体战略，进入攻坚克难阶段[18]。截至2010年11月，中国以建成加氢站88座，位居世界第2[19]。

目前我国在多年科技攻关的基础上，已掌握了一批燃料电池与氢能基础设施核心技术，具备一定的产业装备及燃料电池整车的生产能力，燃料电池车已形成自主特色的电-电混合技术路线，国家为此相继制定了86项台国家标准以确保行业健康发展[20]。

1970年，氢能及燃料电池被美国作为能源发展战略。围绕“氢经济”概念，美国政府先后出台了相应政策，如：《1970年氢研究、开发及示范法案》。20世纪末，标志着氢能产业从设想阶段转入行动阶段的政策《1990年氢气研究、开发及示范法案》、《氢能前景法案》、2002年《国家氢能发展路线图》等相继出台[21]。2004年《氢立场计划》的发布，确认了研发示范、市场转化、基础建设和市场扩张、完成向氢能社会转化等四个阶段为该国氢能产业发展的必经阶段[22]。2014年《全面能源战略》，确定了交通转型中氢能的引领作用[23]。2016年，加利福尼亚州投入3 300万美元支持加氢站建设，启动GFO-15-605项目；国会拨款1.49亿美元支持氢能与燃料电池项目[24]。2017年，氢能和燃料电池项目获得能源部1 580万元支持[25]；2019年，美国能源部宣布了高达3 100万美元的氢能源资助计划，加州燃料电池联盟提出了到2030年建设1 000座加氢站及达到100万辆燃料电池车的目标。近10年，美国政府给予氢能和燃料电池超过16亿美元资金支持，积极制定相关财政支持标准和减免法规支持氢能基础设施的建立和氢燃料。截至2020年，美国计划建成加氢站75座，2025年达到200座。

德国目前拥有加氢站71个，氢能产业链的实施和应用都很完善。2009年，德国政府计划10年间投资3.5亿元在德国境内建设加氢站，并与法国液化空气集团、林德集团、壳牌、道达尔等公司签署H2Mobility项目合作备忘录；到2015年，德国融资3.93亿欧元支持氢能及燃料电池技术发展，其中55%用于氢生产和运输的基础设施建设[1]；2016年，德国成立氢能交通公司，分阶段建设氢能交通基础设施网络[26]；此外，德国的1 MW级氢能储能系统配备了目前世界上最大的质子交换膜电解池，该系统可将过剩的风能电力高效的转化为氢能，以氢气作为能量载体可有效地避免风能或太阳能这类可再生能源受气候条件影响的因素。

日本“终极环保车”的研究在氢能源研究领域成功引领了整体行业发展，占据了不可替代的位置。其氢能和燃料电池技术拥有专利数世界第一，这都要归功于日本氢能研究起步早、发展快，早早的在燃料电池和燃料电池车领域取得了很好的成绩。此后，日本进一步把氢能列为与电力和热能并列的核心二次能源，力争构建为“氢能源社会”、“成为全球第1个实现氢能社会的国家”。日本政府为此规划了实现氢能社会战略的技术路线。日本还以东京奥运会为契机打造氢能小镇，推广燃料电池车。截至2020年11月21日，日本累计建成146座加氢站，数量位居全球第1[18]，计划2025年320座，2030年达到900座。燃料电池车计划保有量2025年20万辆，2030年80万辆，2040年实现燃料电池车的普及。

纵观全球氢能发展情况，各国已经将能源转型的首要战略策略制定为新能源开发和利用。我国氢能发展历程较世界发达国家起步晚，一些核心技术依赖进口，整体产业水平较低，技术标准和体系滞后，审批手续和法规不完善，这些都制约了氢能产业的整体发展。根据我国目前氢能产业发展, 情况笔者提出如下建议：1)统筹规划氢能产业布局、加强产业顶层设计要根据最新的国际局势，在各国新能源总体战略为参考下，梳理出我国氢能产业所面临的的困境和未来需要解决的问题。要重视我国目前产业整体水平与发达国家之间的差距。政府牵头，明确将氢能产业发展纳入到国家总体战略，带动地方企业和科研院所，研究未来氢能发展规划的总体蓝图，制定产业政策，完善监管部门职责，建立长期产业激励政策，与研发能力强、有技术资源优势的企业合作推进氢能产业发展。2)攻克核心技术瓶颈、加快实现国产化。目前中国氢能产业发展的最大瓶颈是核心技术、零部件和设备长期依赖进口。要解决这一问题，中国必须发展技术创新，集中上下游优势，在氢能储运装备、燃料电池等关键部件上提高国产化水平。持续投资核心技术研发，组织专家学者加强与国际科技合作力度，全面提升整体产业创新能力，并以龙头企业带动产业技术进步。3)重视氢能产业基础设施建设和下游多元化应用氢能产业发展的关键环节是基础设施建设。国家可将现有油气基础设施充分利用，搭建氢气长输管道，大力建设加氢站，推进氢能基础设施，并注重氢气储运环节中安全性和经济性的提高。另外，低碳经济的兴起，氢气未来应用的四种场景，即：长期储能、从蓝氢到绿氢、大规模应用、燃料电池交通工具[27]。我国可以根据未来长远目标制定战略布局，积极开发氢能下游产业应用新领域。