曾 升，李 進，王 鑫，付永柱

(1.宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061；2.鄭州大學化學學院，河南鄭州 450001)

近年來人類面臨很多危機，例如氣候變化和化石能源短缺等。在國際形勢日趨緊張的當今，開發(fā)新型能源及燃料不僅具有極大的經(jīng)濟價值而且也是國家安全的重要保障。其中，氫能由于具有極高的燃燒熱值和相對低廉的價格(煤制氫技術(shù)的成本在0.8～1.2 元/m3，低谷電制氫的綜合成本在1.7元/m3)而被認為可行性最高。因此，它被廣泛應用于各個行業(yè)，并且成為未來多元能源供給系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)國際氫能源委員會全球氫能源發(fā)展趨勢調(diào)查，到2050 年氫能產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)將創(chuàng)造約3 000 萬個崗位，全球車輛的20%～25%將是氫能汽車，氫能將供給全球能源需求的18%。因此，氫能的開發(fā)與利用技術(shù)將是新一輪世界能源變革的重要方向，發(fā)展氫能將有利于加快推進我國能源生產(chǎn)和消費革命。

為了實現(xiàn)“2030 碳達峰，2060 碳中和”的遠景目標，一系列補貼政策不斷出臺。2019 年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》指出氫能將成為我國現(xiàn)代能源系統(tǒng)中的重要部分，氫能成為實現(xiàn)我國能源系統(tǒng)多品種大范圍互聯(lián)互補的重要途徑。同時，氫能源系統(tǒng)可彌補電能存儲性差的劣勢，促進能源可持續(xù)發(fā)展。近年來我國向著氫能商業(yè)化邁出了堅實的一步，有很多知名企業(yè)和研究所聯(lián)合開發(fā)氫能源汽車，還有多地政府對加氫站建設(shè)進行大力扶持，因此其未來具有可觀的發(fā)展前景。然而，目前氫能仍然存在許多問題，例如氫能源的制取和存儲轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)成本相對較高，加氫和儲存轉(zhuǎn)運存在缺陷等。本綜述將主要從氫能利用技術(shù)的情況入手，并結(jié)合氫能資源的現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，論述我國的氫能市場分布以及存在的相關(guān)問題，最終為其發(fā)展和解決瓶頸提供一定的參考。

1 儲氫技術(shù)概述

儲氫技術(shù)是氫能源推廣環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)。然而由于其特殊性質(zhì)，H2的儲存是阻礙氫能推廣的瓶頸。為了解決這一難題，科研人員研究開發(fā)了多種儲氫技術(shù)。目前使用比較廣泛的手段有高壓儲氫、液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、碳基材料儲氫以及化學儲氫等[1]。以下將分類加以介紹。

1.1 物理儲氫

通?？煞譃槿悾簤嚎s儲氫(室溫條件下，35～70 MPa)；液化儲氫(?253 ℃，0.1～1 MPa)；材料吸附儲氫(193 ℃，0.2～0.5 MPa)。物理儲氫不涉及H2和介質(zhì)間化學鍵相互作用。目前，高壓氣態(tài)儲氫和液化儲氫是最成熟的技術(shù)，燃料電池汽車上的氫能系統(tǒng)多使用這兩種。圖1 為幾種物理儲氫技術(shù)對比，下面將分別介紹幾種常用技術(shù)的優(yōu)缺點。

圖1 幾種物理儲氫方式和相應的條件[2]

1.1.1 高壓氣態(tài)儲氫

由于自然條件下氫的密度達不到能量載體的條件，因此必須提高壓力才能實際應用。要達到燃料電池汽車行駛500 km 的目標，車載儲氫需要約5～6 kg 的H2。由于空間限制，通常采用鋼瓶(壓力為35～70 MPa)等作為容器。幾乎所有的氫燃料電池汽車都采用了高壓儲氫系統(tǒng)，例如豐田公司的70 MPa 高壓儲氫罐被應用于商用燃料電池車型上(圖2)[3]。增大內(nèi)壓可以提高儲氫密度，但當壓強大于70 MPa 時，儲氫量與壓強不再為線性關(guān)系。繼續(xù)增大壓力，更多的壓縮功和增厚的鋼瓶壁導致儲氫效率降低，并且有泄露和發(fā)生爆破等問題。研究認為，壓力為55～60 MPa 時成本效益最大[4]。另外，可以使用全復合纖維結(jié)構(gòu)纏繞的輕質(zhì)高壓容器儲氫，發(fā)揮其質(zhì)量優(yōu)勢。最后，添加輔助儲氫物質(zhì)可以進一步改進儲氫容器的材質(zhì)。復合輕質(zhì)儲氫罐的技術(shù)憑借其能耗低、速度快和簡單易行的特點，有望成為未來最普遍的儲氫技術(shù)[5]。

圖2 日本豐田公司燃料電池車相關(guān)信息

1.1.2 低溫液化儲氫

低溫液化儲氫是將氫冷卻到20 K 液化后裝到“低溫儲罐”中，輸送效率高于氣態(tài)氫[2]。液態(tài)儲氫罐是一種雙層壁之間保持真空絕熱的不銹鋼容器，通過一層薄鋁箔來阻擋熱輻射。該技術(shù)具有儲氫密度高等優(yōu)點，但H2液化十分困難，因此這種方法經(jīng)濟性較低。另外，低溫液化儲氫罐的絕熱性能必須很好，需要高效的真空隔熱材料，制作工藝比較復雜[6]。另外加氫期間有冷卻損失，會有額外的液氫蒸發(fā)[7]。液氫儲存的經(jīng)濟效益與儲氫量和運輸距離密切相關(guān)，當儲量大、運輸距離遠時，其成本低于高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)。氣氫拖車運輸技術(shù)成熟，是國內(nèi)最普遍的運氫方式。當運輸100 km 時，運輸成本為8.66 元/kg。隨著距離增加，運輸成本受人工費和油費推動顯著上升。液氫槽車運輸效率高，靈活性高，適用于大規(guī)模、長距離運氫。運輸距離為100 km 時，液氫罐車的成本為13.57元/kg，距離增加至500 km 時成本為14.01 元/kg。因此在高儲量和長距離情況下，液氫存儲轉(zhuǎn)運成本將優(yōu)于高壓儲氫轉(zhuǎn)運?？傮w上來說，如果可以進一步降低能耗，壓縮液化成本，其將成為一種極具前景的儲氫技術(shù)。

1.1.3 吸附儲氫

吸附儲氫利用了氫分子與大比表面積材料之間的范德華力，通常必須施加低溫和高壓，通過吸附獲得較高的儲氫密度。迄今為止，最常用于制冷劑的是液氮[8]。與壓縮儲氫技術(shù)相比，由于吸附劑占據(jù)了較大空間，該技術(shù)提高空間有限。可用于吸附儲氫的材料有：多孔碳基材料[9]、金屬有機骨架(MOF)[10]和多孔聚合物材料[11]。碳材料和MOF材料可以實現(xiàn)8%～10%(質(zhì)量分數(shù))的吸附量[12]。但是由于吸附劑密度低且需要加入添加劑，儲氫的體積密度往往會降低，再加上該技術(shù)要解決好熱量管理等問題，因此整體效率低于80%(<6.7 kWh/kg)[13]。總的來說，該技術(shù)尚未達到生產(chǎn)規(guī)模，實際應用較少。

1.2 化學儲氫技術(shù)

該技術(shù)利用儲氫介質(zhì)與H2通過化學反應生成化合物，從而實現(xiàn)儲氫，主要有甲醇儲氫、液氨儲氫和有機液體儲氫。介質(zhì)通常為液體，在氫化和脫氫中能量損耗小，儲運簡單。有機液體儲氫是借助某些不飽和烴類，例如苯、甲苯和萘等，與H2發(fā)生加氫-脫氫的可逆反應。其具有儲氫量大、能量密度高、儲運安全等優(yōu)點，有望在未來儲氫中發(fā)揮重要作用。

1.2.1 甲醇和液氨儲氫

甲醇是優(yōu)異的儲氫化合物，儲氫量可達12.5%(質(zhì)量分數(shù))或99 kg/m3。甲醇高效高選擇性原位制氫反應是其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，相關(guān)的催化技術(shù)和工業(yè)條件均較為成熟，因此備受關(guān)注[14]。諾貝爾獎得主George Olah 在“甲醇經(jīng)濟”的構(gòu)想中將其視為新能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵之一[15]。甲醇釋放氫可以通過多種方式實現(xiàn)：一是甲醇在230～330 ℃的蒸汽重整中與水反應產(chǎn)生H2[16]；二是通過部分氧化反應或熱解產(chǎn)氫，常用Cu/ZnO/Al2O3催化劑。NH3也是一種很有潛力的儲氫介質(zhì)，儲氫密度非常高(可達17.7%)，在1 MPa 壓力下的液氨密度為123 kg/m3。隨著世界各國氫能應用的逐步推廣，相關(guān)的化學化工問題將逐漸成為研究和開發(fā)熱點[17]。

1.2.2 有機液體儲氫

液態(tài)有機氫載體是一種能可逆進行氫化和脫氫反應的材料，可實現(xiàn)載體循環(huán)利用，儲氫量大，經(jīng)濟成本較低[18]。雖然其效率高、安全方便，但反應過程需消耗能量，不如壓縮儲氫技術(shù)簡便[19]。

有機液體儲氫通常用不飽和烴類(如苯、甲苯等)，常溫常壓下在催化劑作用下進行加氫反應，在需要時進行脫氫反應產(chǎn)生H2。盡管甲醇和甲酸都是有機液態(tài)化合物，但它們加氫-脫氫過程并不可逆，因此不被視為液態(tài)有機儲氫材料[20]。該技術(shù)目前有兩個方向：一是用于燃料電池電動汽車行業(yè)[21]，汽車在加油站加注環(huán)烷烴，在車內(nèi)脫氫供給電池，芳烴再返回加油站加氫生產(chǎn)環(huán)烷烴，實現(xiàn)循環(huán)利用。二是實現(xiàn)氫能跨時間跨地區(qū)儲運。例如在夏季水電豐富時通過加氫過程完成儲能，在冬季缺乏時發(fā)電。液態(tài)有機氫載體與現(xiàn)存的設(shè)備兼容性良好，是一種大有前景的儲氫方案。

常用的不飽和儲氫有機物及其性能如表1 所示。

表1 常用的有機液體儲氫材料及其性能

1.2.3 金屬氫化物儲氫

金屬氫化物儲氫包括兩類儲氫合金：一類是合金氫化物；另一類是金屬配位氫化物。某些金屬或合金與H2反應后以金屬氫化物形態(tài)吸氫，加熱后放出H2。儲氫密度可達標準狀態(tài)下H2的1 000 倍，甚至超過液氫。各類金屬合金的特點[26-27]如表2 所示。

表2 常用金屬合金儲氫材料特點[26-27]

金屬氫化物放氫的方法為熱解或水解：前者是吸熱的，后者是放熱的；熱分解是可逆的，而水解是不可逆的；熱解發(fā)生在固相中，而水解通常發(fā)生在溶液中。盡管已經(jīng)開發(fā)了大量的金屬氫化物用于熱解儲氫，但用水解法儲氫效果最好的只有NaBH4。大多數(shù)金屬可以與H2形成金屬氫化物，但大多數(shù)并不適合作為儲氫材料，最有可能用于大規(guī)模氫存儲的是氫化鎂和氫化鋁。氫化鎂可實現(xiàn)7.6%的高理論儲氫密度，并且鎂金屬價格低廉[28]。然而鎂和氫之間的相互作用很強，脫氫過程需要消耗很多能量，反應動力學也很緩慢[13,29]。因此必須超過300 ℃氫化鎂才能脫氫[30]。這一技術(shù)的最大特點是高體積儲氫密度和高安全性，目前主要用于小型儲氫場合，如二次電池和小型燃料電池等。

2 制氫技術(shù)概述

目前主要有三種技術(shù)：一是化石能源催化重整制氫；二是用焦爐煤氣、丙烷脫H2等工業(yè)副產(chǎn)氣制H2；三是可再生能源如電解水制H2。該方法已占我國年制氫的3%左右。生物質(zhì)制氫和光催化水解制氫等技術(shù)還仍處于實驗室階段，尚未達到工業(yè)要求，產(chǎn)收率有望近一步提高[31]。以下詳細總結(jié)幾種制氫技術(shù)原理和發(fā)展現(xiàn)狀，如圖3 所示。

圖3 幾類主要制氫方式

2.1 化石能源重整制氫

2.1.1 煤制氫

將煤炭在高溫、常壓或加壓條件下通過氣化技術(shù)轉(zhuǎn)化為合成氣。然后再用水煤氣變換分離的方法提高H2純度。由于煤氣化過程需要氧氣參與，因此需要配套空氣分離體系。煤制氫最大的優(yōu)點是技術(shù)路線成熟且成本低，特別適合大規(guī)模應用，煤制氫成本遠低于天然氣和甲醇制氫成本；然而該方法碳排量大和H2純度低的缺點也較為明顯。神華集團采用煤制氫技術(shù)，產(chǎn)能已經(jīng)突破450 億m3/年，可為兩億輛氫燃料電池車供氫長達千年。

目前我國發(fā)展應立足存量，盡可能滿足化工、石化等行業(yè)大規(guī)模H2需求，還應注重控制碳排量，利用捕捉、封存等技術(shù)，大程度將“利用技術(shù)(CCUS)”與煤制氫體系整合應用，未來很長一段時間里仍作為我國氫能產(chǎn)業(yè)的主要組分之一[32]。

2.1.2 天然氣制氫

該技術(shù)是將甲烷和水蒸氣轉(zhuǎn)化為CO 和H2，再在變換塔中將CO 變換成CO2和H2后通過不同的吸附塔，通過變壓吸附技術(shù)提純得到H2。目前天然氣制氫占制取總量的96%，由于天然氣成本已超總成本的70%，因此該方法依賴于天然氣價格。由于資源供應有限和成本過高，未來很長一段時間不宜大規(guī)模采用該技術(shù)，已有的生產(chǎn)線也要在允許污染程度較高的區(qū)域提供H2。盡管該過程技術(shù)成熟，但高能耗、高生產(chǎn)成本和高投資決定了開發(fā)廉價的天然氣制氫新工藝具有重大意義。

2.1.3 高溫分解甲醇制氫

甲醇作為一種“氫”含量很高的液態(tài)化工品，在高效儲氫中很重要。特別是我國近年來甲醇生產(chǎn)規(guī)模的擴大，為該技術(shù)提供了廣大前景。甲醇重整制氫技術(shù)，已在國內(nèi)外商業(yè)化多年，規(guī)模一般在2 500 m3/h 以下。與其他大規(guī)模轉(zhuǎn)化相比，該技術(shù)具有流程短、投資少、能耗低、無環(huán)境污染等優(yōu)點。由于甲醇價格波動明顯，近中期應注重甲醇重整制氫＋燃料電池一體化應用技術(shù)的研發(fā)，并且探索“氫氣生產(chǎn)-合成甲醇-甲醇運輸-重整制氫”的模式。

2.1.4 高溫分解液氨制氫

液氨可以方便安全運輸，到達后把液氨加熱到800～850 ℃，加入鎳基催化劑，NH3分解產(chǎn)生含75%H2和25%N2的氣體，其總效率可超過99%。該方法通常用作半導體或其他工業(yè)的H2保護氣體制備技術(shù)，可用于提純得到高純H2。

2.2 工業(yè)副產(chǎn)氣制氫

我國工業(yè)發(fā)展迅速，其中氯堿工業(yè)、煤化工焦爐煤氣、丙烷脫氫、合成氨產(chǎn)生的尾氣總量很大，因此通過工業(yè)副產(chǎn)氣制氫具有很大的應用前景。未來我們將探索工業(yè)副產(chǎn)物更高商業(yè)價值的利用模式，達到可以直接供給的標準，更好地發(fā)揮經(jīng)濟效益。

2.2.1 氯堿工業(yè)制氫氣

氯堿工業(yè)產(chǎn)氫純度較高(體積分數(shù)99.3%以上)，但是還有很多H2沒有被利用。由國家電投材料不完全統(tǒng)計，2018 年全國氯堿工業(yè)每年副產(chǎn)氣中剩余H2總量達33萬噸。由于下游溝通不順暢以及提純工藝有待升級等原因，副產(chǎn)物H2被直接燃燒甚至排入大氣，不僅造成了嚴重資源浪費，而且危害環(huán)境。

2.2.2 煤化工焦爐煤氣

焦爐尾氣中H2占50%～80%，但是很多尾氣無法綜合利用，只能燃燒處理。目前焦爐煤氣制氫和氯堿尾氣制氫等工藝已經(jīng)得到推廣，大規(guī)模的H2提純成本約3～5 元/kg，總成本為8～14 元/kg，因此該方法具有較高的經(jīng)濟優(yōu)勢。我國每年燃燒放空的焦爐氣有300～500 億m3。所以我國應充分利用工業(yè)含氫廢氣，統(tǒng)籌規(guī)劃推動產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，為節(jié)能減排做出貢獻。

2.3 可再生能源制氫

2.3.1 電解水制氫

該方法根據(jù)電解質(zhì)種類不同，分為堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解制氫和固體氧化物電解制氫等技術(shù)。堿性電解水制氫成本低、技術(shù)成熟，已廣泛應用于電力和電子等工業(yè)領(lǐng)域。質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)需要高性能的貴金屬催化劑，且分離膜成本很高，但對電解槽尺寸和質(zhì)量的要求大大降低。固體氧化物電解制氫在900 ℃的高溫下進行，使其效率比前兩者高，但是尚處于實驗室階段。

此方法單位耗能約在4～5 kWh/m3，制取成本中70%以上是電價。若采用火電生產(chǎn)，不僅碳排放問題嚴峻，而且成本將達到30～40 元/kg。而利用谷電制氫可以降低成本并接近傳統(tǒng)能源制氫方法。近年來，多地利用剩余水電、風能、光能和城市電網(wǎng)谷電發(fā)展電解水制氫示范工程。這種體系所得到的綠色氫能大大減少了碳排放。然而制約其發(fā)展的因素是成本較高，因此增大氫能儲運基建支持力度，提高H2資源的空間調(diào)配能力非常必要。

2.3.2 生物質(zhì)氣化制氫

在世界范圍內(nèi)，該技術(shù)的研究已取得了很多成果，技術(shù)轉(zhuǎn)化度較高。其主要通過生物質(zhì)在高溫氣化爐內(nèi)進行氣化或裂解制得含H2的混合燃料，再通過分離富集的方式提高純度。我國的生物質(zhì)資源豐富，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

2.3.3 微生物制氫

該技術(shù)是在常溫常壓條件下用微生物發(fā)酵制氫的一類綠色途徑。可進行生物質(zhì)制氫的主要包括化能營養(yǎng)微生物和光合微生物，前者是通過原始基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫的兼性厭氧菌或嚴格厭氧菌，后者是光合微生物可以利用光合作用進行產(chǎn)氫，如微型藻類和光合作用細菌等。

2.3.4 光催化制氫

1972 年，Nature 報道了藤島昭和本田健一的重要研究成果：TiO2在紫外光下能夠分解水產(chǎn)生H2和O2，量子效率為0.1%[33]。經(jīng)過幾十年發(fā)展，光解水效率達到了將近70%。目前催化劑主要分四類：半導體類、均相光催化劑、敏化材料和仿生類。其中半導體類是發(fā)展最好，最有應用前景的光催化劑[34-35]。半導體光催化的機理如圖4(a)，在光照下電子從價帶躍遷至導帶，同時留下空穴，激發(fā)出的電子和空穴躍遷至表面，分別和電子受體與電子給體發(fā)生反應，完成光催化循環(huán)。此外，半導體需具有優(yōu)異的電荷分離和轉(zhuǎn)移效率以提高活性[36]。到現(xiàn)在，TiO2一直是此類催化劑的研究熱點[37]。近年來多項研究發(fā)現(xiàn)，一些過渡金屬氮化物也具有非常出色的光催化特性，例如Ta3N5以其優(yōu)異的光吸收性能成為理論量子產(chǎn)率高達15.9%的研究體系[如圖4(b)所示]。有研究證明負載氧化鎂納米層可以改變Ta3N5界面親水性從而增大了與助催化劑的接觸面積，降低了表界面的缺陷密度，加速電荷的傳輸，表觀量子效率(500～600 nm)可達11.3%[38]。

圖4 半導體催化機理和改性Ta3N5g光催化示意圖

此外，很多在可見光波長范圍內(nèi)響應的光催化劑極大地促進了產(chǎn)氫過程[36]。最近有研究運用單一催化劑組分或Z 型光催化劑一步形成激發(fā)系統(tǒng)，在理想情況下催化過程中的電荷分離和轉(zhuǎn)運不受復合和捕獲的影響，且其界面催化過程不產(chǎn)生副反應。因此在Z 型光催化劑全解水過程中極大地提高了產(chǎn)氫效率。另外，固定微粒化系統(tǒng)相比分散系統(tǒng)具有更高的光催化性能，這為大規(guī)模利用太陽光進行產(chǎn)氫反應提供了可能[39]。最后光催化劑的研究還運用了很多表面工程策略，諸如共催化劑負載、表面形貌控制和表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，并開發(fā)出了很多一步分解水制氫的高效催化劑。

2.3.5 核能制氫

利用核能進行大規(guī)模分解水制氫是無碳制氫技術(shù)中最為高效的策略。近幾十年來，研究人員大力研究了兩種新型方式：一是通過熱化學循環(huán)制氫；二是通過高溫電解方式。這兩種方法都需要利用高溫反應堆的熱能來實現(xiàn)，其能量效率達到50%～60%，高于傳統(tǒng)電解法(30%)。21 世紀初，加拿大原子能有限公司開發(fā)了新一代概念堆型，如超臨界水冷核反應堆用于實現(xiàn)大規(guī)模制氫。該技術(shù)一方面作為全周期零碳排放技術(shù)，隨著可再生能源發(fā)電平價上網(wǎng)，其成本持續(xù)下降；另一方面當波動性可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中占到較高比例時，單純依靠小時級儲能無法滿足實際需要。我國在可再生能源制氫方面出臺很多支持政策，例如四川、廣東多地出臺支持政策，電解水制氫最高電價一般被限定在0.3和0.26元/kWh[40]。

3 中國氫能資源的發(fā)展現(xiàn)狀

氫能產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展，是中國有效應對全球氣候變化，提高國家能源供應安全和落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必要選擇。中國具有優(yōu)良的氫能供給平臺和產(chǎn)業(yè)積累，已成為世界上最大的產(chǎn)氫國。初步評估現(xiàn)存的工業(yè)制氫產(chǎn)能總量可達2 500萬噸/年，為氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)化初期階段發(fā)展供給低成本的氫源。同時，如果中國每年將可再生資源用于電解水產(chǎn)氫，可制造200 多萬噸的H2，這將成為中國氫能領(lǐng)域的主要來源[41]。

3.1 氫能資源應用途徑分析

(1) 目前，90%的氫用作工業(yè)原料，但這部分氫大多來源于化石燃料，未來工業(yè)上的深度脫碳途徑可以利用可再生制氫來替代這部分H2。制氫成本與碳排放成本是影響該用途進展的關(guān)鍵因素。H2綜合成本為1.2～2.3$/kg 時，可再生能源制氫的競爭力將大大提升，預計到2030 年，氫能需求量為10 萬～15 萬噸/年。

(2) 氫能已經(jīng)逐步用于交通運輸領(lǐng)域的城市用車和短程公共車，但大范圍推廣仍受限于氫燃料電池及車載氫罐的成本，以及氫供應鏈基礎(chǔ)設(shè)施完善程度。隨著氫燃料和車輛成本的降低，鼓勵政策的實施及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的完善，預計到2030 年，交通運輸行業(yè)氫能需求量為7 萬～15 萬噸/年。

(3)氫能主要作為清潔燃料提供熱量和電力，但目前仍受限于制氫成本。整體考慮系統(tǒng)年利用率及資本支出，氫能用于熱電原料的比例將會進一步提升。此外，氫能以儲能方式為電網(wǎng)提供平衡和靈活性的方法更有競爭力，大容量儲氫成本未來低至0.3 $/kg。預計到2030 年，能源企業(yè)的氫能總需求量為10 萬～18 萬噸/年。

(4)對于分布式供暖，氫能是少數(shù)可以與天然氣競爭的低碳替代品。隨著制氫成本和氫鍋爐、燃料電池成本的下降，根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》預計，到2030 年中氫鍋爐與氫燃料電池的成本為900～2 000 $/(戶·年)，建筑熱電聯(lián)供的氫能需求量為3 萬～9 萬噸/年。

3.2 氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀

氫能產(chǎn)業(yè)在我國還處于起步階段，在加氫基站和產(chǎn)業(yè)區(qū)建設(shè)方面無一致標準，有部分區(qū)域建設(shè)參差不齊；評價標準和檢測體系有待進一步完善；氫能產(chǎn)業(yè)和燃料電池的核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化成都還較低；氫能商業(yè)化還需要歷經(jīng)市場的檢驗[42]。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計，截止2020 年國內(nèi)建成運營加氫站、建設(shè)中和規(guī)劃建設(shè)的加氫站總計約為144 座，其中在運營53座，建成2 座，規(guī)劃建設(shè)89 座。近22 個氫能產(chǎn)業(yè)區(qū)成立，多地市廣泛開展氫能源汽車的示范運行。

氫能在傳統(tǒng)工業(yè)體系和新能源應用中都占有一席之地。從國家氫能產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展看，應著力統(tǒng)一規(guī)劃發(fā)展標準和加強氫電安全、切實注重氫能的規(guī)?；瘧谩Ｄ壳拔覈兌?9%以上的H2消費量約600 萬噸，其中90%用于化工生產(chǎn)，還有2%～4%用于工業(yè)消費，用于汽車燃料消耗的不足1%。為了大力支持新能源發(fā)展，2001 年我國出臺了相關(guān)扶持政策支持氫燃料電池的發(fā)展?！吨袊圃?025》中明確闡述了燃料電池汽車發(fā)展戰(zhàn)略，首次將開發(fā)利用氫燃料電池規(guī)劃提高到了戰(zhàn)略層面；《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書(2016)》中首次提出我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線藍圖，規(guī)劃了我國在氫能源領(lǐng)域的目標；2019 年的《政府工作報告》中指出要加強氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?？傮w上我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈在核心技術(shù)突破和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面都小有規(guī)模，但和國外比較還存在一定差距。我國現(xiàn)階段氫能發(fā)展的兩個瓶頸主要是核心技術(shù)和部件等還未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模和燃料電池整體性能有待提高。例如，我國在氫能燃料電池的關(guān)鍵材料和核心部件的水平仍停留在實驗室階段，還未達到規(guī)?；a(chǎn)。

3.3 中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景

在2020 年政府工作報告中，李克強總理指出，要繼續(xù)推廣新能源汽車普及，增進新消費需求，助力產(chǎn)業(yè)消費升級。在國家宏觀調(diào)控下，氫能發(fā)展必定進一步提升，這是有利于提升人民幸福的必然舉措，發(fā)展前景十分光明。近年來我國出臺了一系列國家層面的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和配套相關(guān)政策(表3)，這些政策為我國以后氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了方向。

表3 近年來中國氫能產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策[43]

綜合考慮能源革命戰(zhàn)略以及國家相關(guān)規(guī)劃，許多學者認為中國氫能產(chǎn)業(yè)將按以下路徑分三個階段推進：

第一階段(當前至2030 年)：以煤制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為基礎(chǔ)，推動氫能產(chǎn)業(yè)起步。到2030 年，通過碳交易制度推動碳捕集與封裝配套的普及應用。在科技創(chuàng)新方面，加大氫能和燃料電池自主研發(fā)投入力度，提高關(guān)鍵核心技術(shù)裝備的國產(chǎn)化能力。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計，到2030 年，氫能產(chǎn)值將達到1 萬億元，這期間全國商品化H2專用管線長度接近1 500 km；全國氫燃料電池汽車保有量將達百萬輛級，加氫站數(shù)量達到5 000 座；全國加氫站平均綠氫供氫比例目標為10%，北上廣等一線城市加氫站綠氫比例達20%。

第二階段(2030－2050 年)：該階段氫能戰(zhàn)略將成為國家低碳能源戰(zhàn)略的重要組成部分，非化石能源制氫效率取得重大突破，綠氫生產(chǎn)成本大幅降低。到2050 年，氫能產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將突破4 萬億元，全國商品化H2專用管線長度超過5 000 km，加氫站平均綠氫供氫比例達30%，北上廣等一線城市加氫站綠氫比例達50%。全國氫燃料電池汽車年銷量超百萬輛，在新車市場滲透率超過1%，到2040 年左右實現(xiàn)不依賴補貼的自主發(fā)展。

第三階段(2050 年以后)：國家有望實現(xiàn)“能源獨立”，氫能產(chǎn)業(yè)從區(qū)域發(fā)展拓展到各主要市場。2050 年后，可再生綠氫等新興制氫技術(shù)將占據(jù)主導地位，全國加氫站基本實現(xiàn)由藍氫和綠氫為主供氫，北上廣等一線城市加氫站的綠氫比例將率先達到100%。我國氫燃料電池客車的市場滲透率，至2025、2035、2050 年將分別達到5%、25%、40%。根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》預計，到2050 年中國氫能占終端能源消費比例達10%，氫燃料電池汽車保有量3 000 萬輛，H2需求量6 000 萬噸，我國進入氫能社會。

4 總結(jié)與展望

隨著能源需求的增長和環(huán)境問題的嚴峻，發(fā)展高效清潔的能源成為人類面臨的首要問題。實現(xiàn)氫能源的快速發(fā)展和大規(guī)模應用，研發(fā)安全高效、低成本的經(jīng)濟型儲氫技術(shù)是關(guān)鍵。綜合各種方式的優(yōu)缺點，物理高壓罐儲氫仍是今后很長一段時間的主要技術(shù)，未來將繼續(xù)研發(fā)更輕質(zhì)耐壓安全高效的儲氫罐。此外，光催化析氫技術(shù)將是未來氫能發(fā)展的研究熱點，具有深遠的戰(zhàn)略意義。盡管半導體光催化領(lǐng)域發(fā)展取得了長足的進展，但仍存在很大的挑戰(zhàn)，需要未來進一步研究。針對不同層面的我國氫能發(fā)展，做出以下展望：

(1)政策扶持和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃?，F(xiàn)階段氫能的各個環(huán)節(jié)中，目前國家對于氫能的支持還限于政策，尚未制定專門的發(fā)展規(guī)劃和路線圖，致使上下游產(chǎn)業(yè)不協(xié)調(diào)問題較為突出。因此，未來可從國家層面研究制定氫能燃料電池總體規(guī)劃，從而引導技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

(2)提升相關(guān)技術(shù)和裝備。氫能燃料電池關(guān)鍵零部件較多、系統(tǒng)復雜、工藝繁瑣，但我國相關(guān)核心技術(shù)和設(shè)備自主化程度不足。例如，催化劑、隔膜、碳紙、空壓機、氫氣循環(huán)泵等仍主要依靠進口，嚴重制約我國自主可控發(fā)展。近年來我國在高活性催化劑、高質(zhì)子電導率復合膜、低鉑電極和高功率密度雙極板等方面的水平已經(jīng)超過國外相關(guān)產(chǎn)品，但還沒有大批量生產(chǎn)。因此，亟待加強上述核心部件的技術(shù)轉(zhuǎn)化，全面實現(xiàn)國產(chǎn)化與批量生產(chǎn)。

(3)基礎(chǔ)配套設(shè)施。加氫站的建設(shè)布局很大程度上制約了氫能汽車的發(fā)展。因此，可以通過加大補貼力度、支持加油(氣)站與加氫站合建等措施加速發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，通過一線城市示范，帶動全產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和完善，從而促進我國氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

(4)降低發(fā)展成本。現(xiàn)階段氫能成本受控于催化劑材料和隔板等技術(shù)原因，也受制于應用規(guī)模有限。當前，可再生能源制氫成本高達3～7.5 $/kg，但到2030 年利用可再生能源制氫的成本可以下降30%。目前車用氫燃料電池的成本為230 $/kW，預計近期可以降到180 $/kW，遠期下降到50～75$/kW，屆時氫燃料電池汽車的經(jīng)濟性將超過電動汽車。