我國氫能產業發展現狀及展望

殷伊琳

(天津渤?；ぜ瘓F有限責任公司，天津 300000)

氫能是低碳環保、清潔安全，綠色高效、安全可控、應用廣泛的新型二次能源[1]，除了可以利用鋼鐵、氯堿、冶金等工業副產制氫外，最廣泛地還是通過化石能源重整、生物質熱裂解和微生物發酵制取以及可再生能源發電再電解水等方式來生產[2]。

迫于全球氣候壓力，世界各國加快了低碳、綠色轉型發展腳步，氫能全球經濟布局已經開展，世界各國對氫能的發展已達成初步共識，并相應出臺激勵政策支持氫能發展[3]。

2017年，國際氫能委員會(The Hydrogen Council)發布的《氫能源未來發展趨勢調研報告》預測：2030年全球氫能將大規模被利用；2040年全球終端能源消費量的18%將由氫能承擔；2050年氫能需求量為目前10倍，其消耗量占能源消耗約20%，其利用可以貢獻全球二氧化碳減排量的20%，產業鏈年產值2.5萬億美元。此外，法國液化空氣集團、梅塞爾、殼牌等公司認為，全球氫氣需求量年均增長率2020—2050年為23%～35%[4]。

氫能作為國內外新能源關注的熱點，受到了能源、汽車、金融等公司的青睞。作為世界范圍內產氫第一大國，我國年產氫量2 500萬t/a[5]，2020年4月11日，通過國家能源局發布的《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》，氫能被正式納入到新能源產業[6]。

本論文總結了氫能產業鏈上游、中、下游的發展現狀，及其在燃料電池領域的應用情況，并對比了各國的進展，提出了展望。

1 氫能產業鏈上、中、下游發展現狀

氫能產業鏈總體可分為上游制氫，重油儲運氫及加氫站，如圖1所示。

圖1 氫能產業鏈Fig.1 The industrial chain of hydrogen energy

1.1 制氫技術

國內外制氫技術主要分為以天然氣、石油、煤炭為代表的化石燃料制氫；以甲醇、氨為代表的高溫分解制氫；以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業副產提純制氫和以電解水制氫為代表的四種技術路線[7]。目前全球氫能每年總產量約5 500萬t，其50%來自天然氣重組，30%來自重油重整，18%來自煤氣化[8]。從制氫技術已發表的專利中可見，我國制氫主要以化石燃料制氫為主，約占我國制氫產能的96%左右[9]，而國外大多以天然氣重整制氫為主。

發達國家更加重視“綠色”制氫模式的研發，如：美國最新的生物質氣化制氫和聚合物電解質膜電解水制氫成本降為天然氣重整制氫的40%～50%左右；日本人工光合制氫技術效率已達到7%左右[10]。

我國的氫能市場還處于發展初期，擁有龐大規模的原料氣體及工業氣體生產和使用，基礎制氫工業表現良好?；剂现茪渲械拿褐茪涑杀炯s為天然氣制氫的70%～80%，是我國目前成本較低且技術成熟的制氫方式。其缺點為：排放量高，氣體雜質多。以甲醇重整制氫為代表的高溫分解制氫技術，目前廣泛應用于電子、冶金、食品和小型石化行業；與化石燃料制氫相比，其具有能耗低、無環境污染，投資費用低、流程短等特點。工業副產制氫充分利用我國氯堿工業、焦爐尾氣等資源，采用變壓吸附技術，具有較高的成本優勢，為節能減排做出了貢獻。電解法制氫也是目前應用較為廣泛的成熟技術之一，其工藝過程簡單、無污染，但因消耗電量大、制氫規模小等特點發展受到限制，制氫量僅占4%。此外，我國目前還有生物質直接制氫和光解水制氫技術尚在實驗、開發階段。

1.2 儲運

1.2.1 儲存

高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態合金儲氫是目前廣泛應用氫氣儲存的3種形式。其中，最廣泛應用的是高壓氣態儲氫形式，主要應用于燃料電池汽車領域，國內目前已研發出一種抑暴抗暴、缺陷分散、運行狀態可在線監測的多層高壓儲氫罐。低溫液態儲氫主要在航天等領域得到應用，其對于交通工具內燃機和燃料電池應用前景看好，但由于深冷液化過程困難、絕熱性能要求苛刻等，造成其設計制造和選材成本高昂等缺點。固態儲氫的優點是加氫站無需高壓設備，投入少，對部件要求低，但存在儲氫密度低、吸脫溫度高、速率慢及合金自身成本高等缺點。

1.2.2 運輸

氫的運輸按其形態分為高壓氣態運輸、低溫液態運輸、固體運輸和有機液體儲運。我國氫能儲運以長管拖車運輸高壓氣態氫為主，以低溫液態氫、管道運輸方式為輔。目前中國氫氣管網建設也在加速布局當中，近年來氫氣長輸管道最具代表性的為：中國石化巴陵石化——長嶺煉化42 km氫氣長輸管線，于2014年5月建成；河南濟源市工業園區——洛陽市吉利區24 km氫氣長輸管線，2017年6月建成。另外在世界各國共鋪設輸氫管道4 284 km，其中美國2 400 km，歐洲1 500 km[14]。而法國和比利時之間長度400 km的氫氣管道是目前世界最長的一條管道[15]。

不同運氫方式的技術比較詳見表1?？梢钥闯觯簹錃鈿鈶B運輸方式應用高度依賴基礎設施的搭建，并且在儲運過程中存在一定安全隱患；而固態、液態運輸方式目前投入應用較少，尚處于研發階段。

1.3 加氫站

加氫的基礎設施是燃料電池車應用的重要保障，也是氫能發展利用的關鍵環節。經過氫氣壓縮機增壓的氫氣存儲于高壓儲氫罐，再通過氫氣加注機為氫燃料電池加注氫氣。乘用車在商業運行中氫氣加注時間在3～5 min之間。國內加氫站的建設成本較高，其中設備成本占到70%左右，單個加氫站投資成本在1 000萬元以上，大幅高于傳統加油站的建設成本，且設備的運營與維護、人工費用等都使得加注氫氣的成本較高，在13～18元/kg左右。隨著氫氣加注量的不斷增加以及同加油站、加氣站的合建，單位氫氣的加注成本將呈現下降趨勢。同時，加氫設備亟需國產化，由目前核心設備依賴進口走向自主研發和量產化，將有力推動氫能源使用成本的下降及其普及。

表1 不同運氫方式的技術比較Table 1 Comparison of different way to transfer hydrogen energy

2 燃料電池

2.1 燃料電池種類

在當前的商業應用中，燃料電池是實現氫能規模普及的重要途徑，質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池是3種主流的燃料電池技術路線。

質子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、比功率高等優點，適用于交通和固定式電源領域，成為現階段國內外主流的應用技術。國內燃料電池產業鏈還未實現全面布局，核心零部件技術仍有待突破。質子交換膜燃料電池使用鉑及其合金作為催化劑[11]，其高昂的成本制約燃料電池的規模量產和商業化推廣，在我國尚處實驗研究階段。核心零件質子交換膜對性能要求高，開發生產難度大，現階段主流產品多為美國、日本制造。氣體擴散層極大影響燃料電池成本和性能，主流生產企業分布于日本、加拿大、德國等。金屬雙極板和電堆等其他部件已在國內實現多企業布局[12]。

質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池是我國燃料電池技術研發和產業化比較集中的兩類。雖然我國目前燃料電池電堆與關鍵材料、動力系統與核心部件部分技術指標接近國際先進水平，但仍有許多核心技術指標較為落后且工程化、產業化水平低，與日本、韓國等技術相對成熟的國家存在一定差距。

2.2 燃料電池的應用

燃料電池目前在交通領域的應用最具潛力，另外在儲能、軍事等領域也有應用 (見圖2)。氫燃料電池車輛的研發已在日美韓等國廣泛開展并投入市場，美國燃料電池汽車擁有量占世界50%，單燃料電池物流車就擁有25 000輛[13]；日本的豐田、本田,韓國的現代等著名車企都推出了各自的燃料電池汽車。由于氫能在我國工業化起步較晚，整體水平尚與發達國家存在差距，所以中國的氫燃料電池汽車產業同樣處于起步階段，市場化程度較低，一些關鍵零部件和材料仍依賴進口。而一些氫能源技術較發達國家雖然氫燃料電池汽車市場化程度較高，但受采購量限制，應用程度普遍較低。

目前，燃料電池商用車為主要產業化方向，較乘用車應用優勢明顯。燃料電池商用車由于對空間要求低，對質量能量密度要求高，是更適用氫燃料電池的重要發展方向。在燃料電池商用車領域，公交車、輕型和中型卡車一直處于應用前沿。目前國內燃料電池汽車發展的主要產業化方向也集中在商用車領域，我國在《節能與新能源汽車技術路線圖》中計劃2020年實現在特定地區公共服務領域小規模示范應用燃料電池汽車5 000輛；2025年在城市私人用車、公共服務用車領域實現大批量應用，達到5萬輛規模；2030年在私人乘用車、大型商用車領域實現大規模商用化推廣，達到百萬輛規模。未來規?；型档统杀?，商用車過渡到乘用車將打開萬億級市場空間。

圖2 中國氫能源產業鏈下游應用主要產業公司Fig.2 The main downstream industry of hydrogen energy in China

3 國內外氫能源產業發展概況

3.1 中國

中國氫能源目前已基本具備產業化基礎，政府制定了一系列政策推動了行業的發展。如：2016年，《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》[14]，制定的“氫能與燃料電池技術創新”任務，對氫能與燃料電池產業在我國東南部省份的有很大推動作用。在該項任務的推動下，聯合國開發計劃署于2016年將江蘇省如皋市命名為“中國氫經濟示范城市”；國內首個商業化運營加氫站于2017年在廣東佛山面市；山東濟南“中國氫谷”項目計劃建設；2018年武漢出臺全國首個加氫站審批及監管的地方性政策《武漢經濟技術開發區(漢南區)加氫站審批及管理辦法》。2019年，政府工作報告將“推進充電、加氫等設施建設”寫入其中，中國開啟了氫能大規模商業化應用腳步，全國各地區也紛紛出臺相關政策鼓勵氫能及燃料電池的發展。此外，氫能領域的建設受到了國內傳統大型能源企業的青睞。2018年2月，江蘇如皋商業加氫站的建成，標志著中國氫能聯盟高調進軍氫能產業[15]；同年10月，濰柴集團與準能集團、氫能科技公司、低碳清潔能源研究院3家國家能源集團下屬單位共同簽署了《200噸級以上氫能重載礦用卡車研發合作框架協議》[16]。2018年7月，為支持氫能和其他新興產業的發展，專門成立了中國石化集團資本有限公司[17]，確立10余座加氫站選址，在國內開始氫氣的制、儲、運、加整體戰略布局。2018年10月，中化能源國際氫能與燃料電池科技創新中心在江蘇省如皋市成立，中化集團將氫做為公司新能源四大重點領域之一，氫燃料電池研發和新能源業務加入到公司整體戰略，進入攻堅克難階段[18]。截至2010年11月，中國以建成加氫站88座，位居世界第2[19]。

目前我國在多年科技攻關的基礎上，已掌握了一批燃料電池與氫能基礎設施核心技術，具備一定的產業裝備及燃料電池整車的生產能力，燃料電池車已形成自主特色的電-電混合技術路線，國家為此相繼制定了86項臺國家標準以確保行業健康發展[20]。

3.2 美國

1970年，氫能及燃料電池被美國作為能源發展戰略。圍繞“氫經濟”概念，美國政府先后出臺了相應政策，如：《1970年氫研究、開發及示范法案》。20世紀末，標志著氫能產業從設想階段轉入行動階段的政策《1990年氫氣研究、開發及示范法案》、《氫能前景法案》、2002年《國家氫能發展路線圖》等相繼出臺[21]。2004年《氫立場計劃》的發布，確認了研發示范、市場轉化、基礎建設和市場擴張、完成向氫能社會轉化等四個階段為該國氫能產業發展的必經階段[22]。2014年《全面能源戰略》，確定了交通轉型中氫能的引領作用[23]。2016年，加利福尼亞州投入3 300萬美元支持加氫站建設，啟動GFO-15-605項目；國會撥款1.49億美元支持氫能與燃料電池項目[24]。2017年，氫能和燃料電池項目獲得能源部1 580萬元支持[25]；2019年，美國能源部宣布了高達3 100萬美元的氫能源資助計劃，加州燃料電池聯盟提出了到2030年建設1 000座加氫站及達到100萬輛燃料電池車的目標。近10年，美國政府給予氫能和燃料電池超過16億美元資金支持，積極制定相關財政支持標準和減免法規支持氫能基礎設施的建立和氫燃料。截至2020年，美國計劃建成加氫站75座，2025年達到200座。

3.3 德國

德國目前擁有加氫站71個，氫能產業鏈的實施和應用都很完善。2009年，德國政府計劃10年間投資3.5億元在德國境內建設加氫站，并與法國液化空氣集團、林德集團、殼牌、道達爾等公司簽署H2Mobility項目合作備忘錄；到2015年，德國融資3.93億歐元支持氫能及燃料電池技術發展，其中55%用于氫生產和運輸的基礎設施建設[1]；2016年，德國成立氫能交通公司，分階段建設氫能交通基礎設施網絡[26]；此外，德國的1 MW 級氫能儲能系統配備了目前世界上最大的質子交換膜電解池，該系統可將過剩的風能電力高效的轉化為氫能，以氫氣作為能量載體可有效地避免風能或太陽能這類可再生能源受氣候條件影響的因素。

3.4 日本

日本“終極環保車”的研究在氫能源研究領域成功引領了整體行業發展，占據了不可替代的位置。其氫能和燃料電池技術擁有專利數世界第一，這都要歸功于日本氫能研究起步早、發展快，早早的在燃料電池和燃料電池車領域取得了很好的成績。此后，日本進一步把氫能列為與電力和熱能并列的核心二次能源，力爭構建為“氫能源社會”、“成為全球第1個實現氫能社會的國家”。日本政府為此規劃了實現氫能社會戰略的技術路線。日本還以東京奧運會為契機打造氫能小鎮，推廣燃料電池車。截至2020年11月21日，日本累計建成146座加氫站，數量位居全球第1[18]，計劃2025年320座，2030年達到900座。燃料電池車計劃保有量2025年20萬輛，2030年80萬輛，2040年實現燃料電池車的普及。

4 中國未來氫能發展建議

縱觀全球氫能發展情況，各國已經將能源轉型的首要戰略策略制定為新能源開發和利用。我國氫能發展歷程較世界發達國家起步晚，一些核心技術依賴進口，整體產業水平較低，技術標準和體系滯后，審批手續和法規不完善，這些都制約了氫能產業的整體發展。根據我國目前氫能產業發展,情況筆者提出如下建議：1)統籌規劃氫能產業布局、加強產業頂層設計要根據最新的國際局勢，在各國新能源總體戰略為參考下，梳理出我國氫能產業所面臨的的困境和未來需要解決的問題。要重視我國目前產業整體水平與發達國家之間的差距。政府牽頭，明確將氫能產業發展納入到國家總體戰略，帶動地方企業和科研院所，研究未來氫能發展規劃的總體藍圖，制定產業政策，完善監管部門職責，建立長期產業激勵政策，與研發能力強、有技術資源優勢的企業合作推進氫能產業發展。2)攻克核心技術瓶頸、加快實現國產化。目前中國氫能產業發展的最大瓶頸是核心技術、零部件和設備長期依賴進口。要解決這一問題，中國必須發展技術創新，集中上下游優勢，在氫能儲運裝備、燃料電池等關鍵部件上提高國產化水平。持續投資核心技術研發，組織專家學者加強與國際科技合作力度，全面提升整體產業創新能力，并以龍頭企業帶動產業技術進步。3)重視氫能產業基礎設施建設和下游多元化應用氫能產業發展的關鍵環節是基礎設施建設。國家可將現有油氣基礎設施充分利用，搭建氫氣長輸管道，大力建設加氫站，推進氫能基礎設施，并注重氫氣儲運環節中安全性和經濟性的提高。另外，低碳經濟的興起，氫氣未來應用的四種場景，即：長期儲能、從藍氫到綠氫、大規模應用、燃料電池交通工具[27]。我國可以根據未來長遠目標制定戰略布局，積極開發氫能下游產業應用新領域。