氫能技術(shù)概況

1、氫能源的界定及分類

(1)氫能源的界定

氫能是氫在物理與化學(xué)變化過程中釋放的能量。氫能是氫的化學(xué)能，氫在是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，儲(chǔ)量豐富。氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，隨著世界范圍內(nèi)對(duì)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展重視程度的提升，氫能源的需求和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。

(2)氫能源的分類

按照氫氣的來源，通常將氫能源分為三類，即灰氫、藍(lán)氫和綠氫。

2、技術(shù)全景圖：四大環(huán)節(jié)構(gòu)成

氫能產(chǎn)業(yè)主要由制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫和用氫四大環(huán)節(jié)構(gòu)成。為發(fā)揮氫能重要能源載體作用，需大力推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展。其中電解水制氫、液態(tài)/固態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫、氫燃料電池等先進(jìn)技術(shù)研究對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用具有重要意義。

氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展歷程：始于上世紀(jì)50年代

中國的氫能與燃料電池技術(shù)研究始于上世紀(jì)50年代。20世紀(jì)80年代以來，相繼啟動(dòng)了863計(jì)劃和973計(jì)劃，加速以研究為基礎(chǔ)的技術(shù)商業(yè)化項(xiàng)目，氫能和燃料電池均被納入其中。“十三五”期間，氫能與燃料電池開始步入快車道。2016年以來相繼發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》、《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》、《中國制造2025》等頂層規(guī)劃。2019年兩會(huì)期間，氫能首次寫入政府工作報(bào)告。2020年4月，氫能被寫入《中華人民共和國能源法》(征求意見稿)。2021年，“十四五”規(guī)劃指出要在氫能與儲(chǔ)能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計(jì)劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)。2022年發(fā)布第一個(gè)氫能源專項(xiàng)規(guī)劃——《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035 年)》，為中國氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為指引。

氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)政策背景：政策加持技術(shù)水平提升

近些年來，我國提出了一系列氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展相關(guān)政策，包括氫氣制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用和燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)，使得氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平穩(wěn)步提升。

氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)科研投入現(xiàn)狀

(1)國家重點(diǎn)專項(xiàng)

為推進(jìn)氫能技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)實(shí)施“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)。2018-2022年，“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)數(shù)量逐年增加。2018年僅9項(xiàng)技術(shù)專項(xiàng)，到2022年，“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)圍繞氫能綠色制取與規(guī)模轉(zhuǎn)存體系、氫能安全存儲(chǔ)與快速輸配體系、氫能便捷改質(zhì)與高效動(dòng)力系統(tǒng)及“氫能萬家”綜合示范4個(gè)技術(shù)方向，擬啟動(dòng)24項(xiàng)重點(diǎn)專項(xiàng)。

(2)A股上市企業(yè)研發(fā)費(fèi)用

目前，中國氫能市場(chǎng)正處于發(fā)展初期，行業(yè)整體研發(fā)投入水平不算太高。從A股市場(chǎng)來看，2017-2021年，我國氫能源板塊上市公司研發(fā)總費(fèi)用逐年增長(zhǎng)，2022年第一季度，氫能源板塊上市公司研發(fā)總費(fèi)用約158.69億元。

2、氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)科研創(chuàng)新成果

(1)論文發(fā)表數(shù)量

從氫能相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量來看，2010年至今我國氫能相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，可見氫能科研熱度持續(xù)走高。截至2022年8月，我國已有80825篇?dú)淠芟嚓P(guān)論文發(fā)表。

注：統(tǒng)計(jì)時(shí)間截至2022年8月。

(2)技術(shù)創(chuàng)新熱點(diǎn)

通過創(chuàng)新詞云可以了解氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最熱門的技術(shù)主題詞，分析該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最新重點(diǎn)研發(fā)的主題。通過智慧芽提取該技術(shù)領(lǐng)域中最近5000條專利中最常見的關(guān)鍵詞，其中，催化劑、燃料電池、制氫系統(tǒng)、電解水、電解槽等關(guān)鍵詞涉及的專利數(shù)量較多，說明氫能領(lǐng)域近期的研發(fā)和創(chuàng)新重點(diǎn)集中于燃料電池和制氫等領(lǐng)域。

(3)專利聚焦領(lǐng)域

從氫能專利聚焦的領(lǐng)域看，目前氫能產(chǎn)業(yè)專利聚焦領(lǐng)域較明顯，其主要聚焦于催化劑、燃料電池、制氫系統(tǒng)、電解水、電解槽等。

注：圖中格子數(shù)量表示每家公司的專利覆蓋率，每個(gè)格子代表相同數(shù)量的專利。

主要?dú)淠墚a(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)技術(shù)分析

1、前端制氫環(huán)節(jié)：可再生能源電解制氫是氫源終極方案

制氫環(huán)節(jié)技術(shù)主要包括化石能源制氫和可再生能源制氫。其中，利用化石能源制氫并未擺脫能源對(duì)石油、煤炭和天然氣的依賴，仍會(huì)產(chǎn)生大量碳排放;即使是加上CCUS捕集制備的藍(lán)氫，一旦甲烷在制備過程中發(fā)生泄漏，對(duì)氣候的影響比碳排放更大。而利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫，生產(chǎn)過程基本不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。

2、中端儲(chǔ)運(yùn)氫環(huán)節(jié)：固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)安全性更好

儲(chǔ)運(yùn)氫氣的方式主要分為氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)和固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。相比于氣氫儲(chǔ)運(yùn)和液氫儲(chǔ)運(yùn)，固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)在安全性方面優(yōu)勢(shì)明顯。

3、后端加氫及氫燃料電池

(1)加氫：站內(nèi)制氫成本優(yōu)勢(shì)大

加氫基礎(chǔ)設(shè)施是氫能利用和發(fā)展的中樞環(huán)節(jié)，是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心配套設(shè)施。根據(jù)氫氣來源不同，加氫站可分為外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站。相較于外供氫而言，站內(nèi)制氫能夠大幅減小氫氣的運(yùn)輸成本。

(2)氫燃料電池：質(zhì)子交換膜燃料電池是主流發(fā)展方向

按電解質(zhì)的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、硝酸型燃料電池、碳酸型燃料電池、固體氧化物燃料電池等。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池是當(dāng)前燃料電池的主流技術(shù)發(fā)展方向。

氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展痛點(diǎn)及突破

1、氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展痛點(diǎn)

(1)高成本是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)性為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的挑戰(zhàn)因素，即使是成本相對(duì)較低的氫氣($0.5/kg)，除了轉(zhuǎn)化成氨用作肥料以外，絕大多數(shù)氫能應(yīng)用場(chǎng)景都比現(xiàn)有化石能源技術(shù)昂貴。解決氫能產(chǎn)業(yè)在綠氫制備、儲(chǔ)運(yùn)氫、加氫站建設(shè)、燃料電池電堆等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性問題，是未來氫能大規(guī)模發(fā)展必須要攻克的一道難題。

(2)制氫技術(shù)：先進(jìn)電解技術(shù)發(fā)展不成熟

目前國內(nèi)電解水制氫的成熟技術(shù)為堿性電解水制氫技術(shù)，堿性水電解槽難以響應(yīng)瞬態(tài)負(fù)載，因而難以與波動(dòng)大的可再生電力配合。另外，PEM電解水制氫技術(shù)也面臨著匹配可再生能源電力而進(jìn)行的電解槽設(shè)計(jì)、控制技術(shù)以及電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等尚不成熟的局面。

2、氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展突破

(1)先進(jìn)電解技術(shù)：PEM電解槽設(shè)計(jì)改進(jìn)突破

PEM電解槽設(shè)計(jì)改進(jìn)策略方向包括更輕更穩(wěn)定的端板和雙極板、經(jīng)濟(jì)且耐腐蝕的集電器等。據(jù)Yagya N Regmi博士的研究小組研究發(fā)現(xiàn)，PEM電解中發(fā)生不含鉑族金屬催化的析氧反應(yīng)在短期內(nèi)是無法實(shí)現(xiàn)的，因此，盡可能使銥的質(zhì)量活性最大化才是目前的可行策略。

(2)氫能儲(chǔ)運(yùn)：固態(tài)儲(chǔ)氫和潛液式液氫泵突破儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)瓶頸

氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)突破在于提高儲(chǔ)氫密度和安全性，以及降低運(yùn)輸成本。固態(tài)儲(chǔ)氫是利用物理或化學(xué)吸附將氫氣儲(chǔ)存在固體材料之中。固態(tài)儲(chǔ)氫具有體積儲(chǔ)氫密度高、安全性更好的優(yōu)勢(shì)，因此是一種有前景的儲(chǔ)氫方式。因此，固態(tài)儲(chǔ)氫得到了越來越多的研究和關(guān)注，主要工作集中在儲(chǔ)氫材料的研發(fā)與改性等方面。以氫楓能源的鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫為例，鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫具有資源、性能及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

液氫泵為液氫儲(chǔ)運(yùn)的重要部件，用于對(duì)液體氫氣進(jìn)行傳輸分配。從氫能全產(chǎn)業(yè)鏈來看，氫氣輸配成本和初始資本支出為降本的最主要環(huán)節(jié)。潛液式液氫泵取代了外置泵，減少了氫蒸發(fā)，去掉了氣氫壓縮機(jī);且用液氫的冷源省去制冷系統(tǒng)。此外，潛液式液氫泵大流量液氫泵直接加注，不用高壓儲(chǔ)罐，去除級(jí)聯(lián)儲(chǔ)存;最終的結(jié)果是減少初始投資和運(yùn)行成本，使氫氣的售價(jià)與汽油、柴油比肩。

氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向及趨勢(shì)：氫能各環(huán)節(jié)技術(shù)加快突破

氫能供應(yīng)體系發(fā)展路徑以實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)高效便捷的氫能供應(yīng)體系為目標(biāo)，中國將在氫的制儲(chǔ)運(yùn)加各環(huán)節(jié)上逐漸突破。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著用氫需求的擴(kuò)大，結(jié)合可再生能源的分布式制氫加氫一體站、經(jīng)濟(jì)高效的集中式制氫、液氫等多種儲(chǔ)運(yùn)路徑并行的方案將會(huì)是主要的發(fā)展方向。

「前瞻碳中和戰(zhàn)略研究院」聚焦碳中和領(lǐng)域的政策、技術(shù)、產(chǎn)品等開展研究，瞄準(zhǔn)國際科技前沿，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求，圍繞“碳中和”開展有組織、有規(guī)劃科研攻關(guān)，促進(jìn)碳中和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和推廣應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)新找到技術(shù)突破口，為各級(jí)政府提供碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略路徑管理咨詢和技術(shù)咨詢。院長(zhǎng)徐文強(qiáng)博士畢業(yè)于美國加州大學(xué)伯克利分校，二十余年來一直深耕于低碳清潔能源和綠色材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，擁有55項(xiàng)專利、33篇論文，并已將30多種產(chǎn)品推向市場(chǎng)，創(chuàng)造商業(yè)價(jià)值50+億元，專注于氫能、太陽能、儲(chǔ)能等清潔能源研究。