氢能产业发展现状及展望

王丽娜，时 哲，王玉辉

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

构成客观世界的三大基础是：物质、能量和信息。能源是比较集中的含能体或能量过程，是人类从事物质资料生产的原动力[1]。在古代，原始人类学会了使用化学能——火之后，变生食为熟食，使人类走到了食物链的顶端；18世纪瓦特发明了蒸汽机，使得煤炭、石油等化学能可以转化为机械能，直接引发了第一次工业革命，世界从此进入了工业社会；19世纪初，莱特兄弟制造了第一架飞机，形成了以内燃机技术为核心的内燃机动力时代；19世纪末，法拉第发现电磁感应并制造出第一台电磁式发电机，以电力为主导的能源结构大变革开始。电能的使用得以将颇为巨大的机械能转化为更为精细的能源，让芯片等微型电器成为可能，从而直接颠覆了工业和社会生活，从此人类进入现代信息社会。纵观人类的发展史，人类发展过程中重要的变革，都是对能源利用的变革。

1 氢能的战略意义

近年来，大力发展清洁能源和可再生能源已成为各国实施能源战略转型升级的共识。党的十九大报告提出，应构建市场导向的绿色技术创新体系，壮大清洁能源产业，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

2020年9月22日，习近平主席在联合国一般性辩论时宣布，中国二氧化碳排放量力争在2030年达到峰值，2060年前实现碳中和。2020年12月12日，习近平主席在气候雄心峰会上进一步提出了中国国家自主贡献新举措，即到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源资源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量比2005年增加60亿m3，风能、太阳能发电量将达到12亿kW·h以上。

从历史上三次能源革命可以看出，由化石燃料时代向绿色能源时代的转变是能源开发利用的规律和趋势。传统燃料中碳原子与氢原子数目之比从固态的煤（1∶1），到液态的石油（1∶2），再到气态的天然气（1∶4）。“碳达峰”、“碳中和”的目标将实现由化石能源消耗型向清洁能源再生型、由高碳燃料向低碳燃料的转变，其本质是燃料的加氢减碳过程。加氢减碳的趋势，决定了零碳绿色氢能或为未来新能源的终极形态。

氢能储量大，氢元素在地球储量排第三，且主要以水的形式存在，原材料非常容易获得；氢能来自水，使用后的产物仍为水，氢能生产和使用形成可循环的闭环，实现可持续发展。氢气比能量高，氢气是常见燃料中热值最高的（142 kJ/g），约为石油的3倍，煤炭的4.5倍；对比目前容量最高的两种电池正负极材料计算（负极Si:4 200 mAh/g;正极LiMn2O4:320 mAh/g），其比能量是锂电池的7倍多。

2019年2月，欧洲燃料电池和氢能联合组织（FCH-JU）发布《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径》[2]，该报告中指出了氢能的价值：第一，氢能是运输、工业和建筑业大规模脱碳的最佳（或唯一）选择；第二，氢能可实现跨部门、时间和地点灵活转移能源，在向可再生能源转型中发挥系统性作用；第三，向氢的转变符合客户的偏好和便利性。

氢能在能源结构中的作用如图1所示。

图1 氢能在能源结构中的作用示意图

可以看出，未来氢能和电能将共同构成整个能源网络，成为能源结构的两大支柱，并实现能源的标准化。同时，氢能还能够消纳风电、光电、水电等富余电力，因此大力发展氢能产业，是能源结构调整和构建清洁能源体系的重要途径，是实现“碳达峰”、“碳中和”的重要手段。

2 氢能利用途径

图2所示为氢能的利用途径实例。

图2 氢能利用实例图（注：引自丰田汽车技术研发中心资料）

氢能的利用原理主要有三种：（1）直接燃烧；（2）核聚变；（3）通过燃料电池转化为电能。其中最安全高效的使用方式是通过燃料电池将氢能转化为电能。

2.1 直接燃烧

这种方法目前主要应用在航天领域，在“碳中和”、“碳达峰”背景下，逐渐将在冶金和汽车领域得到推广。

（1）航天领域

航天领域的蓬勃发展同液体火箭发动机技术的迅速发展密切相关，其中氢氧发动机技术的发展对人类航天活动的进展有着举足轻重的作用。氢氧火箭发动机是以液氢、液氧为推进剂的火箭动力装置，液氢、液氧经过特殊的喷嘴进行雾化、混合、燃烧，产生高温高压水蒸气，喷出的高速气体为火箭飞行提供动力。

（2）冶金领域

2019年11月11日，位于德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂第一批氢气被注入杜伊斯堡9号高炉。标志着“以氢（气）代煤（粉）”作为高炉还原剂的试验项目正式启动。这一尝试在全球尚属首次，随着氢气开始注入杜伊斯堡9号高炉，同一天，奥地利林茨奥钢联钢厂6 MW电解制氢装置投产，全球钢铁产业正式进入了一个“氢能冶金”的新时代。

钢铁行业是二氧化碳排放量最高的行业之一，占全球二氧化碳排放量的7%。德国蒂森克虏伯是全球首家在炼钢工艺中使用氢气代替煤炭以减少碳排放的钢铁集团。后续，公司计划逐步将氢气扩大到9号高炉全部28个风口。根据蒂森克虏伯的气候战略，2030年将减少碳排放30%，2050年实现碳中和。

2019年11月22日，河钢集团与意大利特诺恩集团（tenova）签署谅解备忘录，商定双方在氢冶金技术方面开展深入合作，利用世界最先进的制氢和氢还原技术，并联手中冶京诚共同研发、建设全球首例120万t规模的氢冶金示范工程。

2020年10月31日在天津举行的“2020年氢冶金高峰研讨会”上，中国工程院院士、东北大学矿冶学科群首席科学家王国栋表示；“氢能源是高效低碳的二次能源，灵活智慧的能源载体，绿色清洁的工业原料，氢能应用于冶金是冶金行业绿色转型的有效途径之一。”

（3）汽车领域

利用汽车工厂内光伏产生的电进行制氢，替代传统的天然气，作为燃料用于加热炉、锅炉等能耗高的设备，降低碳排放系数。

2.2 核聚变

核聚变，即氢原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时放出巨大的能量。

热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起聚变反应。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又取之不尽的能源。

2.3 通过燃料电池转化为电能

氢能的应用主要通过燃料电池来实现的。氢燃料电池发电的基本原理[3]是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极[3-4]，如图3所示。

图3 燃料电池原理示意图

氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：锂电池、蓄电池是一种储能装置，它把电能储存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池是一种发电装置，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少、噪声小。

氢燃料电池与内燃机的区别主要在于：氢燃料电池通过化学反应产生的电能作为交通工具的动力源，而内燃机车则是通过燃烧产生热能作为驱动的动力源。由于燃料电池工作过程不涉及燃烧，因此无机械损耗及腐蚀，氢燃料电池所产生的电能可以直接用于驱动电机，从而省略了内燃机机械传动装置。同时，可以采用加注氢气的方式实现长距离运输。

3 氢能产业链

氢能源产业链上游是氢气的制备，主要技术方式有传统能源的热化学重整、电解水和光解水等；中游是氢气的储运环节，主要技术方式包括低温液态、高压气态和固体材料储氢；下游是加氢站的建设以及氢燃料电池电堆及系统。

3.1 上游氢气制备

氢气制备位于产业链的首位，其技术以及装备进展直接影响到中下游产业的建设及运营成本，并最终对氢燃料电池汽车的经济性产生影响。目前技术路线有工业副氢气体提纯制氢、化石能源制氢和水电解制氢。

3.2 中游氢气储运

与传统石油相比，国内氢能的储运技术在能效性、安全性上尚未完全解决。目前大规模储氢应用的方法是高压气态储运，但是气态储运存在储氢密度低、压缩能耗高的缺点。

目前氢气储运的技术路线主要有高压气态储运、低温液态储运、液氨/甲醇储运和吸附储运（氢化物/液体有机氢载体（LOHC））。高压气态储运因其技术难度低、投资成本低、匹配目前氢能发展的特征，在国内外广泛应用。低温液态储氢在国外应用较多，国内主要使用在航空航天领域，在相同重量下有最大的比推力，是最理想的火箭推进剂燃料，但是在民用领域尚未得到规模化推广。液氨/甲醇储运和吸附储运目前国内处于小规模实验阶段，国外Chiyada、HT等公司在LOHC储氢领域已经有产品[5]。

3.3 下游产业链

氢气经过生产和储运环节后要通过加氢站才能加注到燃料电池汽车中实现氢能的应用，因此加氢站是氢能应用中最重要的基础设施。典型的加氢站由压缩系统、存储系统、加注系统和控制系统等组成。加氢站加注氢气主要有两种方法：顺序取气加注和增压加注。顺序取气加注是以不同压力等级的高压储氢装置为加注气源，依靠站内高压储氢装置和车载储氢瓶之间的压差进行快速加注；增压加注是使用低压气源，通过压缩机增压后加注，加注速度较慢[6]。

在氢能产业链中，燃料电池系统处于下游应用的核心环节。其中燃料电池系统包括燃料电池电堆、供氢系统、氢气系统、空气系统、冷却系统、加注系统及控制系统等部件。燃料电池电堆是燃料电池系统的核心，由膜电极、双极板及密封件构成。其中膜电极包括催化剂、气体扩散层、质子交换膜等关键材料。燃料电池电堆及系统可应用于交通、固定式发电和便携式发电领域。交通领域中，燃料电池汽车是发展最快的方向。

燃料电池组成及应用领域如图4所示。

燃料电池应用案例如图5所示。

4 我国氢能产业政策及趋势

4.1 我国氢能产业政策

4.1.1 国家政策

在2006到2014年，我国氢能产业属于初期阶段，国家政策相对较少，更多的是鼓励和支持技术创新。在2014年国务院办公厅关于印发《能源发展战略行动（2014-2020年）》中，正式将氢能与燃料电池作为能源科技创新战略方向。2016年国家发改委、国家能源局下发了《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，首次提出了氢能发展路线，将“氢能与燃料电池技术创新”作为重点任务。2019年，氢能首次写入政府工作报告，提出“推进充电、加氢等设施建设”。2020年，国家能源局发布了关于《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》，将氢能正式纳入能源定义。在十四个五年规划及2035年远景目标纲要中，氢能正式出现在第九章第二节“前瞻谋划未来产业”中，与类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发等前沿科技，被共同规划为“组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。”

4.1.2 地方政策

我国氢能产业的发展主要以交通领域应用作为示范引领，带动其产业链延伸到制氢、储氢、加氢、燃料电池及配套零部件产业环节，各地根据当地资源禀赋的不同，因地制宜确定了氢能发展战略和目标。据统计，目前共有20多个省份、近50个市（县）正在编制或已经发布氢能专项规划和推广补贴政策，其中，“长三角”以上海为中心、“珠三角”以广州为中心出台的政策量占地方政策总量的60%。从政策内容来看，各地方政府设立加氢站的建设目标，并从产业产值、氢燃料电池汽车推广、企业培育等方面提出了目标和计划，并配套车辆购置补贴、加氢站建设补贴等不同程度的扶持政策。今年上半年，国内各省纷纷出台了“十四五”规划纲要，除西藏以外，全国其他省份均把发展氢能相关的目标列入“十四五”规划纲要中。

4.2 我国氢能产业发展趋势

4.2.1 我国氢能产业现状

近些年来，我国氢能发展的热度不断上升，在规划、财政等政策利好的不断刺激下，氢能产业发展迅速。

（1）氢能的应用更加多元化

交通运输领域从汽车发展到轮船、有轨电车等领域；化工领域，我国煤制烯烃行业引入绿氢项目；冶金领域，河钢采用绿氢还原技术；能源领域，铧德氢能获得中国首张燃料电池热电联产系统认证，并于2020年10月27号将自主制造的5 kW燃料电池热电联产系统出口到欧洲。

（2）氢能核心产品技术进步明显

我国电解槽成本已经降至7 000元/kW，是发达国家的一半；液氢项目不断增多，中石化巴陵石油化工有限公司和湖南核电有限公司共同投资11亿元建设国内首座液氢工厂，鸿达兴业生产的液氢从乌海运抵广州首次实现民用液氢超长距离运输等；我国四型瓶已经初步具备量产水平；多家燃料电池企业推出了100 kW以上电堆及系统，与2015年相比，电堆功率密度提升了50%，使用寿命增加了300%[7]。

（3）央企布局氢能产业

习近平总书记提出中国在“2030碳达峰”和“2060碳中和”的宏伟目标后，大型央企加速布局氢能产业。目前，已有至少26家央企布局氢能业务，涉及能源企业、装备制造业、钢铁冶金企业、汽车企业等。这些央企从技术开发、示范应用、区域合作、基础设施建设等方面引领和巩固氢能产业的发展。

4.2.2 我国氢能产业发展趋势

德国、日本、韩国、美国等20多个发达国家将氢能上升到国家战略。今年3月份，美国最大油气生产商埃克森美孚发布的战略内容与过去两年最大的变化在于，大幅下调了未来公司油气产量指引，该公司也重点表达了对碳捕获与封存和氢能技术前景的乐观态度。埃克森美孚预测，自2020年起，全球氢能市场规模每年扩大约30%，到2040年可达到1万亿美元。据国际氢能委员会预计，到2050年，氢能将承担全球18%的能源终端需求，创造超过2.5万亿美元的市场价值，燃料电池汽车将占据全球车辆的20%~25%，届时将成为与汽油、柴油并列的终端能源体系消费主体。

在制氢方面，从“灰氢”逐步向“蓝氢”、“绿氢”发展。在氢气储运方面，液氢和氢气管道运输将会逐步承担长距离氢气运输的任务。加氢站建设将优先考虑油氢合建站，液氢加氢站发展潜力巨大。乘用车将代替商用车成为主流。氢储能将会成为消纳新能源的主要储能方式。同时，在氢能在钢铁、化工领域应用场景也非常广泛。

2020年10月，中国电动汽车百人会发布《中国氢能产业发展报告2020》，预测2050年氢能在我国能源体系中的占比约10%，氢气需求量6 000万t，年经济产值12万亿元，全国加氢站数量达1.2万座。氢经济基本发展成熟，交通运输、工业领域实现氢能普及应用。

5 结语

党的十九届五中全会提出“推进能源革命”、“推动能源清洁低碳安全高效利用”，在“碳达峰”、“碳中和”的重大决策下，能源领域要牢牢坚持绿色发展，深入推进能源革命，为高质量发展提供动力支撑。氢能作为最清洁的可再生能源，是构建以清洁能源为主的多元化能源供给体系的重要组成部分。我国作为能源消费大国同时也是能源短缺国家，发展氢能对我国能源结构调整、加快新时代能源转型有重大意义，以氢能为代表的能源革命方兴未艾，氢能的发展必将成为我国能源高质量发展的新引擎。