2022年3月，国家发改委、国家能源局联合印发了《“十四五”现代能源体系规划》和《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》（以下简称《规划》）。两份规划是我国氢能产业发展的顶层设计，自此，我国氢能产业的发展进入快车道，对我们国家的能源安全以及“30·60”双碳目标的实现，具有里程碑意义。

本文将对我国当前的氢能产业的发展现状进行梳理，供读者参考。

一、 我国能源结构现状

1. 主要能源生产及进口量

2021年，我国煤炭的生产量和进口量分别为40.7亿吨和3.2亿吨，对外依存度为7.3%；原油的生产量和进口量分别为2亿吨和5.1亿吨，对外依存度为72.1%；天然气的生产量和进口量分别为2053亿立方米和1675亿立方米，对外依存度为44.9%。

图1：近五年煤炭生产与进口量（亿吨）

图2：近五年原油生产量与进口量（亿吨）

图3：近五年天然气生产量与进口量（亿立方米）

图4：发电装机总量（万千瓦时）

2. 发电装机总量及发电量

截止2021年，我国发电装机总量为23.8万千瓦时，其中火电装机总量为13万千瓦时。2021年，实际发电量共计8.5亿千瓦时，其中火电5.8亿千瓦时，占总发电量的68%。

图5：历年发电量（亿千瓦时）

注：“其它”发电包括风电、太阳能发电等

3. 我国能源安全面临的挑战

从上述数据可以看到，我国目前的能源结构中，主要还是以燃煤发电为主，石油和天然气对外依存度较高，且天然气的依存度还在逐年上升。这给我们国家的能源安全带来了较大的风险。

近些年来，虽然我们国家加大了对风能、太阳能的开发和利用，但是，一方面风能和太阳能的利用总量较低，另外一方面太阳能和风能不利于储存。

因此，我国迫切需要寻找一种不依赖化石燃料、储量丰富的新的含能体能源。而氢正是首选。其可以充分利用太阳能和风能发出的电能来制备氢气。

鉴于此，《“十四五”现代能源体系规划》的目标是到2035年年制氢量约 3300 万吨（相当于15.8亿吨标准煤）。

二、 氢气的基本特性

1. 氢气的基本特性

氢是化学元素周期表中的第一个元素。氢气的化学式为H₂，分子量为2.01588，通常情况下被作为危险化学品管理。

1) 无色透明、无臭无味，难溶于水；

2) 对环境和人体均无毒性；

3) 氢气的密度标准状况下为0.09g/L，约为空气的1/14；

2. 氢气的热值

氢气的热值为1.4*108焦/千克，约为汽油和天然气的3倍，每公斤氢气约为标准煤的4.8倍。因氢气的密度较小，国内长管拖车每车的运输量约300公斤，因此换算成单位能量的运输费用的话，氢气较高。

3. 氢气的安全

1) 氢气的CAS No.为1333-74-0，位列《危险化学品目录》第1648项，属于危险化学品；

2) 氢气的爆炸上下限为4～74%（因纯度不同，会有稍许差别），其爆炸下限高于汽油的1.3%；

3) 氢气的扩散系数是汽油的12倍，发生泄漏后极易消散。因此，在相同状况下的非密闭空间，氢气泄漏后，与汽油相比，不易在现场形成爆炸性蒸汽云。

注：扩散系数是表示气体（或固体）扩散程度的物理量。扩散系数是指当浓度梯度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的气体量，在气体中，如果相距1厘米（或者每米）的两部分，其密度相差为1克每立方厘米（或者每米），则在1秒内通过1平方厘米（或者平方米）面积上的气体质量，规定为气体的扩散系数。单位：cm2/S或者m2/s；扩散速度越快，越不容易形成可爆炸的蒸汽云。

三、 氢能产业链

氢能产业链较长，主要既包括上游的氢气的生产、储存、运输与加注，也包括中游的氢燃料电池的核心技术与零部件，以及终端在交通、工业和建筑领域的应用。具体如下表所示：

表1：氢能产业链

目前，主要发达国家均高度重视氢能产业的发展，其氢能全产业链的关键核心技术也趋于成熟，制氢的主要原材料为天然气，燃料电池的成本持续下降，氢能基础设施建设明显提速，区域性氢能供应网络正在形成。

我国是世界上最大的制氢国，年制氢产量约 3300万吨，主要是煤制氢。可再生能源装机量（包括风电和太阳能发电等）全球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有巨大潜力。国内氢能产业呈现积极发展态势，已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术和生产工艺，在部分区域实现燃料电池汽车小规模示范应用。全产业链规模以上工业企业超过 300 家，集中分布在长三角、粤港澳大湾区、京津冀等区域。

但总体看，我国氢能产业仍处于发展初期，仍存在产业创新能力不强、技术装备水平不高，支撑产业发展的基础性制度滞后，产业发展形态和发展路径尚需进一步探索等问题和挑战。亟需进一步提升氢能产业创新能力，不断拓展市场应用新空间，引导产业健康有序发展。

四、 我国的氢能产业发展目标

第一步。到2025年，形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境，产业创新能力显著提高，基本掌握核心技术和制造工艺，初步建立较为完整的供应链和产业体系。氢能示范应用取得明显成效，清洁能源制氢及氢能储运技术取得较大进展，市场竞争力大幅提升，初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。燃料电池车辆保有量约 5 万辆，部署建设一批加氢站。可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。

第二步。到2030 年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，产业布局合理有序，可再生能源制氢广泛应用，有力支撑碳达峰目标实现。

第三步。到 2035 年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。

五、 国家政策

1. 国家层面

l 2020年11月2日，《国务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）的通知》（氢燃料供给体系建设稳步推进）；

l 2021年2月22日，《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》（因地制宜发展氢能、加强新能源汽车充换电和加氢等配套基础设施建设） ；

l 2021年10月24日：《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》（统筹推进氢能的制储输用全链条发展、推动加氢站建设） ；

l 2021年10月26日：《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》（氢冶金、运输工具装备低碳转型、加氢站、建立健全氢制、储、输、用标准）；

l 2021年11月7日：《中共中央国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》（推动氢燃料电池汽车示范应用）；

l 2022年3月23日，国家发改委、国家能源局联合印发《“十四五”现代能源体系规划》（强化氢能等前沿科技攻关，力争氢能全产业链关键技术取得突破）

l 2022年3月23日，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》（制定明确的氢能发展目标，包括氢能工业体系的建设、产业布局和产业生态）

2. 地方层面

目前，我国各省市大量氢能相关政策主要以新能源汽车政策与环保政策的形式发布，北京、天津、山东、四川等地正在或已经制定氢能产业专项政策和规划。

截至 2021 年底，全国已有16个省市制定了氢能发展规划：北京、山东、河北、天津、四川、浙江和宁夏等省市发布了氢能相关专项政策或规划，明确了氢能产业的发展目标；其余省市则通过氢燃料汽车等相关政策规划发布氢能 产业建设目标。

六、 氢能相关标准建设情况

截至2022年3月，国家标准化管理委员会已批准发布氢能领域国家标准101项，涵盖术语、氢安全、制氢、氢储存和输运、加氢站、燃料电池及其应用等方面。其中，31项归口在全国氢能标准化技术委员会（SAC/TC309），39项归口在全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会（SAC/TC342），14项归口在全国汽车标准化技术委员会（SAC/TC114）。

七、 氢气的制取与供应

1. 氢气的分类及制取工艺

目前，氢气制造的主流技术路线有下列三种。

(1) 灰氢 (Gray hydrogen)：

以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源重整制氢制取氢气。目前，该工艺和设备简单，投资小，制取的氢气成本低，但会释放大量的CO2。

因其其原料仍旧以化石燃料为主，一方面不能改变我国能源的安全现状，同时其也不利于我国“3060双碳”目标的实现，所以未来发展空间非常有限。

(2) 蓝氢 (Blue hydrogen)

使用化石燃料（以天然气为主）制取氢气，同时对释放的二氧化碳进行捕集和封存。该工艺释放的CO2较煤炭和石油制取的氢气少。该工艺一方面仍旧会产生CO2，同时增加了碳补集和封存，因此，氢气生产成本较煤和石油制氢的成本低，但因天然气有限，所以未来的发展也会收到限制。

(3) 绿氢 (Green hydrogen)

以太阳能、风能等使用可再生能源发出的电，利用所发的电电解水制取的氢气。该工艺几乎不产生CO2。但是受技术影响，目前绿氢的能源转化率低、成本高，随着太阳能和风能发电成本的下降，氯气是未来的主流技术。

当前，绿氢大多为电解水制氢，该技术比较成熟。其他制氢技术也在探索中，包括热化学制氢、光催化制氢、光电化学制氢、太阳能直接制氢技术等。

2. 电解水制氢现状

目前，电解水大多采用AWE技术，目前存在四种主要的电解槽技术，其效率在60%到90%之间：碱性水电解槽(AWE/ALK)、质子交换膜水电解槽(PEM) 、阴离子 交换膜水电解槽(AEM)和固体氧化物水电解槽(SOEC)。其中，AEM和SOEC技术仍处于起步、实验室研发阶段。 ALK水电解制氢是我国目前最成熟的电解水制氢技术，生产成本较低，但存在碱液流失、腐蚀、能耗高等问题，适应波动性较差，与风光结合时需要配备储能。PEM水电解制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高，适应可再生能源发 电的波动性特征，易于与可再生能源消纳相结合，在绿氢制备领域发展潜力较大。

表2：各类电解水技术

3. 氢气的储存

目前，氢气的储存主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢三种方式，其中高压气态储氢应用广泛，低温液态储氢主要应用于航天等领域，有机液态储氢和固态储氢尚处于示范阶段。

各储存方式优缺点及我国的技术发展现状如下表所示：

表3：氢气的储存方式

4. 氢气的运输

目前国际上主要氢气储运技术包括气态储运（长管拖车、管道）、液氢储运、氢载体储运和固态储运。气态储运氢环节涉及的核心技术装备主要有长管拖车用高压管束储氢瓶与管道。低温液态储运氢涉及的核心技术装备主要有氢液化装置与液氢储罐。有机液体储运氢涉及的核心技术装备主要有供热脱氢装置。在实际应用中，可根据运输距离和运输规模，选择最经济的储运氢技术。

表4：各种氢气运输的优缺点

5. 加氢

截至2021年上半年，中国累计建成 141 座加氢站(不含 3 座已拆除加氢站)。在加氢站技术方面，中国的35MPa加氢站技术已经趋于成熟，在加氢站的设计、建设以及三大关键设备：45MPa大容积储氢罐、35MPa加氢机和45MPa 隔膜式压缩机全部实现国产化。目前，中国已经开始主攻70MPa加氢站技术，2016年中国首座利用风光互补发电制氢的 70MPa 加氢站(同济-新源加氢站) 在大连建成，集成了可再生能源现场制氢技术、90MPa 超高压氢气压缩和存储技术、70MPa 加注技术以及 70MPa 加氢站集成技术。

八、 中游：燃料电池及核心零部件

燃料电池（Fuel Cell）又称电化学发电器，是用燃料和氧气作为原料，通过电化学反应将燃料化学能部分转换成电能。根据电解质类型的不同，当前燃料电池主要分为以下6种：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高效、低温快速启动、零污染、低噪音的优点，成为当前市面上的主流燃料电池产品，出货量占据显著优势。

氢燃料电池由电堆和相关辅助系统组成，辅助系统包括：循环系统、空气供给系统、水热管理系统、电控系统和数据采集系统。

图6：氢燃料电池发电原理图

电堆是氢燃料电池的核心部件，占燃料电池系统成本的60%左右，是氢气与氧气发生化学反应产生电能的场所，其核心部件是膜电极和双极板，膜电极的构成包括催化剂、质子交换膜和碳布/碳纸，其中催化剂和质子交换膜分别占电堆成本约36%和16%。当前，全球范围内氢燃料电池电堆技术领先的企业是日本的丰田和本田两家公司，包括催化剂等。

我国在部分核心技术已经取得了突破，例如：山东东岳集团已经量产PEM膜以及所用的全氟磺酸离子交换树脂。

九、 下游：燃料电池的应用

氢能产业的下游应用主要包括炼铁和燃料电池的应用.

1. 冶金

传统的高炉炼铁通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳气体。据统计，钢铁行业每年排放的二氧化碳占我国碳排放总额约15%，即约15亿吨。因此，钢铁行业碳减排的压力较大，急需寻找新的还原剂来代替焦炭。理论上，氢能替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水，没有二氧化碳排放，炼铁过程绿色无污染，是实现钢铁生产过程节能减排的最佳方案之一。

据公开报道，2019年11月11日，蒂森克虏伯钢厂杜伊斯堡9号高炉正式启动纯氢气注入试验，这是全球首次高炉注入氢气试验。

2022年3月23日澎湃新闻报道，上海大学与兴国精密机件有限公司于联合完成了我国首次以纯氢为喷吹气源的高炉富氢冶炼技术开发试验，喷吹量达到每小时1800立方米，本次试验也突破了大规模氢气供应和氢气安全使用难题。

目前，氢作为还原剂进行冶炼，除上述相关技术外，还有一大难题是需要大规模的氢源，随着氢气成本的下降，该问题将会逐步得到解决。未来，氢气作为还原剂参与冶炼，将是大的趋势，也是碳减排的最佳选择。

2. 交通领域的应用

燃料电池车辆具有二氧化碳零排放、低噪音等众多有点。因此，《规划》要求结合道路运输行业发展特点，重点推进氢燃料电池中重型车辆应用，有序拓展氢燃料电池等新能源客、货汽车市场应用空间，不断提升交通领域氢能应用市场规模。

目前，2016年~2021年，中国氢燃料电池车辆的产量分别为629辆、1247辆、1619辆、3018辆、1199辆和1777量，其中（2020年和2021年主要受疫情影响）。车辆类型主要为商用车和载货车，其中客车占比超过90%。

从上述数据可以看到，氢燃料电池在交通领域的应用我国才刚刚开始，还没有在大范围内应用。主要的原因有如下三点：

l 电堆体积较大，不适合小型乘用车；

l 电堆耐久性差，且维护成本高，

l 加氢站较少，不方便随时加注；

l 氢气的价格较高，车辆运营成本没有明显优势。

随着交通领域碳减排力度的加大，我国技术的提升，氢气量产后综合成本的下降

十、 总结

总之，在“3060双碳”目标下，氢能行业将迎来大发展是必然趋势。战略上，《规划》已经出台，随着逐步的落实，我国的氢能技术将会逐渐的取得突破，氢能产业链也会逐步趋于成熟和完善。