摘要：氫能作為一種清潔、低碳、高效的綠色能源，正在成為各國競相發展的戰略重點。本文分析了氫能發展的起源以及當前世界主要國家氫能發展的動向，并從新一輪科技革命和產業變革的視角，分析了氫能產業發展的歷史性契機，在此基礎上，分析我國氫能產業發展的基礎以及存在的問題。本文認為，雖然我國氫能產業發展起步較晚，但可堅持“戰略引領、揚長補短、協同推進”的原則，依托龐大的能源體系和完整的工業體系兩大優勢，補齊科技短板，把握好發展步伐，促進上下游協同發展，在世界氫能產業和科技競爭格局中贏得主動。

關鍵詞：氫能；科技革命；碳中和

一、氫能有望在綠色低碳能源體系中發揮重要作用

（一）氫能被譽為21世紀最具發展潛力的清潔能源

氫是宇宙中最常見的元素，主要以化合物的形態存在，通常的單質形態是氫氣（H2），一般可通過一定反應從水、化石燃料等含氫物質中制取，是重要的工業原料和能源載體。16世紀，瑞士醫學界首次發現氫氣，早期主要應用于醫藥化工領域，氫氣作為能源則起源于第二次世界大戰之后的航天領域。氫能是指氫在物理與化學變化過程中釋放的能量，作為一種能源載體,相對于其他能源而言,氫能具有來源豐富、質量輕、能量密度高、綠色低碳、儲存方式與利用形式多樣等特點,其作為電能最有效的補充，可以滿足幾乎所有能源特性的需求,從而形成一個解決能源問題的永久性系統（Sherif et al.，2005）。對于目前規?；瘧玫哪茉炊?，只有石油可以同時用作熱、電和交通工具燃料（IEA，2019）。而在未來，氫氣將和石油一樣，可同時被用作供熱、發電和交通工具燃料，并且綠色低碳。因此，氫能發展越來越受到各界的重視，被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源 , 是未來人類能源發展的重要方向。

（二）氫能產業將成為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力

1.加快推動新一輪科技革命

能源科技革命是歷次工業革命的核心要素，極大地促進了人類社會的發展。以蒸汽機為代表的科技革命推動了第一次工業革命,電力的發展和應用推動了第二次工業革命,原子能、電子計算機等科技的突破標志著第三次科技革命的到來,目前以新能源技術、智能技術為標志的第四次工業革命正在演化。隨著科技的不斷發展，氫能及氫燃料電池技術在國防領域和經濟建設領域得到越來越多的應用和發展。作為氫能應用的核心技術，燃料電池的原理研究起步于1839年。20世紀60年代，堿性燃料電池（AFC）作為電源在美國的登月飛船、航天飛機中得到應用；1983 年，加拿大國防部資助巴拉德公司研發質子交換膜燃料電池（PEMFC），1993年首批PEMFC大功率電池成功應用于公交車，引起發達國家和各大公司高度重視，并投巨資發展這一技術。氫能產業是一個龐大的系統工程，能有效帶動傳統產業轉型升級并催生新產業鏈，是能源科技創新和產業變革的重要領域。

2.促進產業基礎再造

氫能技術和產業發展，涉及氫氣“制、儲、運、用”等環節。以關鍵材料質子交換膜為例，要提高氫能轉換的效率、降低成本、延長壽命，必須有強大的精細化學工業作為基礎；75兆帕高壓、超低溫液態儲氫瓶則對鋼材的性能提出了極高的要求；氫要實現密閉儲存，對設備的精密度要求可以說近乎苛刻，目前僅有德國等少數國家企業可以生產加氫槍等加注設備。氫能科技和產業每一個環節的發展，都將極大帶動基礎工藝、基礎材料等領域的發展。                

3.培育新興產業

氫能產業是一個規模龐大的體系，加快發展氫能產業，將推動制氫、儲運、氫氣利用等上下游產業鏈快速發展（見圖1）。氫能產業是科技和資本密集型產業，涉及新材料、電力裝備、新能源汽車、航空航天、國防軍工等諸多高端制造領域，將帶動能源架構、產業鏈底層經濟運作模式的深刻變化，進一步帶動大規模的氫能產業投資。1972年，國際學者提出“氫能經濟”的概念。2014年12月，豐田首輛燃料電池汽車Mirai下線，目前已累計銷售超11000輛。與此同時，韓國現代的Nexo燃料電池汽車售出也超過了10000輛。氫能及燃料電池汽車已進入產業化的初級階段，競爭焦點從技術研發逐步轉向全產業鏈的各個環節。根據2017年麥肯錫研究公布的《2050年氫發展藍圖》研究，氫能將創造3千萬個工作崗位，減少60億噸二氧化碳，創造2.5萬億美元的市場價值。2019年,國際氫能委員會發布的《氫能源未來發展趨勢調研報告》顯示，到2050年，氫能源需求將是目前的10倍,預計到2030年全球燃料電池乘用車將達到1000萬~1500萬輛。

（三）碳達峰、碳中和目標的提出推動氫能產業發展進入新的階段

1.氫能的特殊優勢在于靈活高效，可有效解決可再生能源更好融入能源系統的瓶頸問題。由于可再生能源具有波動性、間歇性，每年大量的棄風、棄光、棄水，不僅造成大量資源浪費，而且制約了可再生能源行業自身可持續發展。如何讓規模龐大且持續增長的可再生能源有效融入能源系統，成為一個長期亟待解決的關鍵性問題。氫能的突出優勢在于轉換靈活和可大規模存儲。在碳達峰、碳中和背景下，氫能作為一種清潔能源，可在能源供給側和消費側助力深度脫碳，是推動電力綠色轉型的有效手段。在未來高比例可再生能源系統中，以“氫電協同”為核心，將電力和氫氣作為能源系統中的兩個重要轉化載體，根據特性需求將其他能源轉化為電力或者氫氣，并實現電力和氫氣之間的相互轉化，從而實現多種能源之間互融互通，不僅可以提升我國能源體系的彈性，解決可再生能源大規模消納問題，而且可以提升各類能源開發利用深度，進一步優化能源結構，并從根本上提升能源安全自主保障水平。

2.氫資源來源廣泛，技術進步將使大規?？稍偕茉粗茪渥兊迷絹碓浇洕?。氫氣按照制取來源可分為三種：一是從工業副產氣提取的氫氣；二是從煤或天然氣等化石燃料中制得的氫氣；三是通過可再生電力或核能來生產的氫氣。目前，化石能源制氫是氫氣的主要來源，成本相對較低，約合0.6元/立方米~1.2元/立方米；而可再生能源電解水制氫成本相對較高，約合3元/立方米~4元/立方米。低成本的工業副產氫可作為氫能產業發展的起步基礎，但從長遠來看，隨著可再生能源發電成本的下降以及電解水制氫效率的不斷提升，可再生能源制氫將變得越來越有競爭力。根據彭博新能源預測，可再生能源制氫成本將從2019年的2.5美元/公斤~6.8美元/公斤降至2030年的1.4美元/公斤~2.9美元/公斤（折合約0.87元/立方米~1.8元/立方米）。行業專家預計，在解決關鍵技術與產品的一致性、可靠性、經濟性問題之后，2025 年左右氫能產業有望進入快速發展階段。

二、發達國家普遍將氫能作為推動能源創新發展的重要方向

根據國際氫能理事會發布的《全球氫能觀察2021》，截至2021年2月，全球已有30多個國家發布了氫能路線圖（Hydrogen Concil,2021）。美國、日本、德國、韓國等發達國家將氫能規劃上升到國家能源戰略高度，逐步明確了氫能在國家能源體系中的戰略地位，并通過加強頂層發展政策指引，加大研發投入力度，加快基礎設施和應用示范建設，持續推動氫能產業發展。

（一）美國

1969年，氫動力燃料電池系統為首次實現登月的阿波羅系統提供電力和水，并依靠液態氫作為燃料推動火箭。自1969年以來，美國一直是燃料電池和氫能技術的引領者。1995年，美國總統科技政策辦公室將氫燃料電池列為對美國經濟繁榮和國家安全至關重要的27個關鍵技術領域之一。

2019年11月6日，美國燃料電池和氫能協會發布了《美國氫能經濟路線圖——減排及驅動氫能在全美實現增長》，報告顯示，在過去十年里美國能源部為氫和燃料電池提供的資金從每年約1億美元到2.8億美元不等，報告預測2030年氫需求量將突破1700萬噸，在美國道路上有530萬輛氫燃料電池汽車，全美有5600個加氫站；2050年氫能有望滿足美國終端能源需求的14%。

（二）日本

在多年研發基礎上，日本近年提出構建“氫能社會”，采取多種措施在引領氫燃料電池技術國際標準和產業化進程中取得先機。日本政府先后發布《日本復興戰略》《能源戰略計劃》《氫能源基本戰略》《氫能及燃料電池戰略路線圖》，規劃實現氫能社會戰略的技術路線。2019年公布的《氫/燃料電池戰略路線圖》將未來一段時期的氫能及燃料電池發展戰略分為三個階段：第一階段，從當前到2025年，快速擴大氫能使用范圍；第二階段，從2020年中期到2030年底，全面引入氫發電，建立大規模氫能供應系統；第三階段，從2040年開始，建立零碳的供氫系統。日本氫能和燃料電池技術擁有專利數全球領先，已實現燃料電池車和家用熱電聯供系統的大規模商業化推廣。

（三）歐洲

歐盟將氫能作為能源安全和能源轉型的重要保障。在能源戰略層面提出《2005歐洲氫能研發與示范戰略》《2020氣候和能源一攬子計劃》《2030氣候和能源政策框架》《2050低碳經濟戰略》等文件，在能源轉型層面發布了《可再生能源指令》《新電力市場設計指令和規范》等文件。歐盟燃料電池與氫聯合行動計劃項目（FCH JU）對歐洲氫能及燃料電池的研發和推廣提供了大量的資金支持，2014— 2020 年預算總額為6.65億歐元（王賡等，2021）。在歐洲國家中，德國是較具代表性的國家，德國政府專門成立了國家氫能與燃料電池技術組織推進相關領域工作，并在 2006 年啟動了氫能和燃料電池技術國家創新計劃（NIP），2007— 2016年共投資14億歐元，資助了超過240家企業、50家科研和教育機構以及公共部門；2017— 2019年開展第二階段的工作，計劃投資2.5億歐元。憑借FCU JU和NIP項目支持，德國確立了氫能及燃料電池領域的領先地位，可再生能源制氫規模全球第一，燃料電池的供應和制造規模全球第三。德國長期致力于推廣可再生能源發電制氫技術（Power to Gas），通過氫氣連接電網和天然氣管網，并利用現有成熟的天然氣基礎設施作為巨大的儲能設備（中國氫能聯盟，2020）。2021年5月，德國聯邦經濟部和聯邦交通部宣布，將啟動62個由國家資助的大型氫能項目，作為實施國家氫戰略的一項重要措施，同時也是歐洲聯合氫能項目的一部分。

（四）韓國

韓國氫燃料電池汽車研發有數十年積累，目前已將“氫經濟”列為三大創新增長戰略之一。2008年以來，韓國政府持續加大對氫能技術研發和產業化推廣的扶持力度，先后投入3500億韓元實施“低碳綠色增長戰略”“綠色氫城市示范”等項目，持續推進氫能及燃料電池技術研發。2018年，韓國政府將氫能產業定為三大戰略投資領域之一，并在2019年初正式發布《氫能經濟發展路線圖》，提出要在2030年進入氫能社會，2040年累計生產620萬輛氫燃料電池汽車，建成1200座加氫站；普及發電用、家庭用和建筑用氫燃料電池裝置。把氫能經濟打造成拉動創新增長的重要動力，引領全球氫能及燃料電池產業發展。2018年，韓國現代汽車正式發布第二代燃料電池車Nexo，電堆最大輸出功率達到95千瓦，續航里程達800千米。韓國完備的天然氣基礎設施支持了燃料電池項目的迅速普及，包括世界上能量最密集、最大的燃料電池公園，并計劃2040年將燃料電池產量擴大至15吉瓦。

三、我國氫能發展有較好基礎但要加強謀劃才能形成整體優勢

（一）我國氫能發展現狀與基礎

1.政策體系日益完善

自“九五”時期以來，我國一直將燃料電池作為國家支持的重點領域之一。近年來，氫能正逐漸被納入國家能源發展規劃。

《能源發展戰略行動計劃（2014— 2020年）》（國辦發〔2014〕31號）明確將“氫能與燃料電池”作為能源科技創新戰略方向。財政部、科技部、工業和信息化部、國家發展改革委聯合發布的《關于2016— 2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》（財建〔2015〕134號），對于燃料電池汽車的財政補貼提高至20萬元／輛，并提出2017— 2020年除燃料電池汽車外，其他車型補助標準適當退坡。《能源技術革命創新行動計劃2016— 2030年》《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》和《“十三五”國家科技創新規劃》等國家級規劃，都將氫能發展與燃料電池技術創新提升到國家戰略高度，列為重點發展方向。地方政府和企業積極探索氫能產業發展，出臺了不少支持政策，初步形成制備、儲運、應用等環節的完整產業鏈（見表1）。氫能產業布局由珠三角、長三角、京津冀等先發區逐步向環渤海、大中原、華北、西北及東北區域擴展。

2.氫氣資源潛力巨大

一方面，在我國氫能產業發展的初期階段，充足且價格較低的工業副產氫可成為支撐氫能產業的基礎。2019年，我國副產氫的商用剩余量約為80萬噸/年，按每輛車年行駛2萬公里計算，可為400萬輛氫燃料電池車提供1年燃料使用量。另有198萬噸/年的潛在專業制氫產能可做后續氫源供應。另一方面，我國可再生能源規模領先全球，風電和光伏裝機分別達到2億千瓦，合計約占全球的40%。但由于可再生能源具有波動性、間歇性，每年棄風、棄光、棄水規模數百億度電，如果將這些可再生能源用來電解制氫，則可以制備上百萬噸氫氣，將不能儲存的電制成氫儲存起來應用，對電站穩態生產、提高經濟效益、延長發電設備壽命、充分利用可再生資源有重大意義。

3.相關技術發展迅速

第一，燃料電池技術方面，國內燃料電池技術發展迅速，燃料電池發動機核心部件國產化率不斷提高。在質子交換膜領域，國內企業逐步具備量產能力，有望降低對進口產品的依賴；在催化劑領域，國產催化劑尚不能替代進口產品，但是近幾年我國在科研領域取得重大進展；在膜電極領域，國內企業已經建成投產工業化的膜電極生產線；在空壓機技術領域，我國目前有十多家企業開發了空壓機產品。第二，電解水制氫方面，電解水制氫技術主要有堿性水電解槽（AE）、質子交換膜水電解槽（PEM）和固體氧化物水電解槽（SOE）。其中，堿性水電解槽技術最為成熟，生產成本較低，國內單臺最大產氣量為1000立方米/小時；質子交換膜水電解槽流程簡單，能效較高，國內單臺最大產氣量為50立方米/小時，但因使用貴金屬電催化劑等材料，成本偏高；固體氧化物水電解槽采用水蒸氣電解，高溫環境下工作，能效最高，但尚處于實驗室研發階段（中國氫能聯盟，2020）。第三，儲氫技術方面，氫的儲存主要有氣態儲氫、液態儲氫和固體儲氫三種方式。高壓氣態儲氫已得到廣泛應用，低溫液態儲氫在航天等領域得到應用，有機液態儲氫和固態儲氫尚處于示范階段。

4.產業規劃不斷擴大

我國燃料電池汽車已進入商業化初期，截至2020年底，我國燃料電池汽車保有量7352輛。加氫基礎設施是氫能利用和發展的中樞環節，是為燃料電池車充裝燃料的專門場所。不同來源的氫氣經氫氣壓縮機增壓后，儲存在高壓儲罐內，再通過氫氣加注機為氫燃料電池車加注氫氣。在商業運行模式下，乘用車氫氣加注時間一般控制在3~5分鐘。截至2020年底，全球加氫站約為544座，我國建成加氫站128座。同時，中石油、中石化、國家能源集團等二十余家大型央企紛紛布局發展氫能產業。

（二）氫能產業發展面臨的問題

1.氫能在我國能源戰略中的定位有待明確

雖然我國從戰略層面肯定氫能及燃料電池產業發展，但還缺乏整體頂層設計與戰略規劃，專項規劃以及政策體系缺位，產業發展時間表、路線圖、施工圖尚待明確。氫氣仍被納入危化品進行管理，加氫站審批難度較大，對氫能產業發展形成制約（景春梅，2019）。

2.氫能產業尚未形成較為成熟可行的產業模式

氫作為燃料的價格仍遠高于化石燃料,用氫成本包括從制、儲、運到加注的全過程成本。與傳統燃油車相比，目前氫燃料電池車百公里消耗的燃料費用要高于燃油車。此外,氫燃料電池車成本較高限制了商業化銷售規模,氫燃料電池車尚未規?；a，市場銷量有限。氫燃料電池發動機企業億華通與宇通客車、福田汽車、中通客車等車企合作，建設了國內首條自動化氫燃料電池發動機生產線，年產能約1萬臺(于廣欣等，2021)。

3.關鍵材料和核心技術存在瓶頸

與國外先進水平相比，我國氫燃料電池核心關鍵組件和制備工藝方面還有待繼續提升，如膜電極、雙極板、空壓機、氫循環泵等方面與國際存在較大差距；燃料電池用催化劑、質子交換膜、炭紙等關鍵材料的開發多處于實驗室和樣品階段。近些年，我國燃料電池發動機核心部件國產化率不斷提高，但是質子交換膜、催化劑、膜電極、大排量壓縮機、加氫槍等主要依賴進口。

4.氫能產業鏈供應鏈條還不夠完善

按照國家相關法規，氫氣等危險化學品要進化工園區。上海、廣州、佛山等投放燃料電池汽車數量較多的城市或地區，經濟比較發達，制氫廠多搬遷至距離城市中心較遠的地區。氫氣運輸效率低，單位質量氫氣運輸成本高。氫能供應鏈盈利能力不足，企業參與度低。加氫站數量仍然較少，不能有效支撐投放市場的氫燃料電池汽車用氫需求。

5.氫能產業標準體系較為滯后

氫能與燃料電池汽車標準體系已初步建立，但氫能領域相關標準還有待進一步完善，還存在一些不協調、不配套的問題，與國際接軌的程度也有待提高。如氫氣供給涉及的儲、運氫系統安全要求和試驗方法，加氫站建設及運營規范，車用氫氣品質要求、燃料電池汽車整車安全要求及試驗方法，燃料電池發動機性能試驗方法等方面還有待完善。

（三）“揚長避短”制定我國氫能產業發展總體戰略

我國在氫能開發利用領域起步相對較晚，要在這場科技和產業競爭中贏得主動，必須做好謀篇布局。從長遠來看，氫能具有成為新的主體能源的潛力。初步預測，2035年我國氫氣消費量將達到3500萬噸，其中用于終端能源消費達到600萬噸。氫能產業體系涉及三大關鍵環節：一是核心技術的突破，即電解水制氫、燃料電池等相關技術；二是構建完整的基礎設施網絡；三是充足且價格合理的氫氣供應。從目前的競爭格局來看，在核心技術方面，日本、歐美等發達國家處于領先地位，我國處于加快發展和趕超階段。在基礎設施方面，雖然日本、歐美等發達國家的加氫站數量上稍微領先，但總體都處于起步階段，這也是我們可以集中力量辦大事、迅速取得進展的基礎領域。2015年我國僅有加氫站8座，2020年底達到128座。在氫資源方面，我國能源體系規模大、結構多元，為開發氫資源提供了廣闊的空間?？偟膩砜矗跉淠茉窗l展國際競爭合作當中，我們在三大關鍵環節具有兩個優勢、一個短板。應通過整體謀劃，發揮好氫氣資源和基礎設施兩大優勢，補齊技術和材料短板，憑借我國廣闊的市場空間，實現三大環節協同發展，率先實現突破，帶動全產業鏈發展。

四、政策建議

（一）加強氫能產業發展頂層設計

堅持“戰略引領、揚長補短、協同發展”的總體思路，明確我國氫能產業發展的路線圖和時間表，明確產業發展方向和突破口。突出氫能在能源結構中的地位，在《能源法》的研究制定中，將氫能確立為我國未來能源發展的重要方向。堅持發揮比較優勢，控制好發展步伐，爭取氫能產業發展的主動權。堅持協同推進，形成牽頭部門負責、相關部門配合的權責一致、規范有序、運行高效的協同聯動機制。

（二）統籌推進科技攻關和基礎研究

堅持科技決定能源未來、科技創造未來能源的理念，大力支持氫能科技自主創新研發，系統分析我國氫能產業鏈發展面臨的技術短板，實現電堆、系統集成與控制、關鍵零部件等核心技術跟蹤國際水平，關鍵指標與國際接軌。扎實做好基礎研究，設立氫能源與燃料電池重大專項，建立持續性研發支持保障機制。以重大需求為導向，協同開展基礎性研究和科技攻關，依托骨干企業、高校、科研院所組建氫能與燃料電池國家實驗室。完善氫能發展首臺（套）政策，對于企業在品種、規格或技術參數等有重大突破、具有自主知識產權但尚未取得市場業績的首臺（套）或首批次的裝備、系統和核心部件，給予研發激勵等相關措施。推動高校設立氫能相關專業，培養氫能研究型人才和產業工人隊伍。支持民營企業承擔氫能科技攻關和基礎研究。

（三）加快推動關鍵材料國產化發展

我國燃料電池的關鍵材料包括催化劑、質子交換膜及炭紙等材料，主要依賴進口；關鍵組件制備工藝急需提升，膜電極、雙極板、壓縮機、氫循環泵等和國外存在較大差距。耐高溫連接板材料以及集成系統等亟須加大研發力度。這些產業發展的“痛點”，也是機遇。要支持行業企業協調做好關鍵材料研發和規?；瘧?，推進關鍵材料國產化進程。

（四）積極探索氫能產業發展模式

制氫方面，以工業副產氫、棄電制氫等低成本制氫為先導，逐步發展可再生能源電解水，最終形成在可再生能源驅動下的水-氫-水循環的綠色制氫模式。應用方面，以氫燃料電池汽車等為基礎，逐步拓展固定式發電方面應用領域。技術方面，以填補氫能產業鏈短板為重點任務，同時兼顧智能化氫-電融合協調發展。加快形成氫能“制-儲-運-用”全產業鏈系統布局。穩步推進氫能示范應用，立足各地資源稟賦、制造水平和經濟實力，按照“創新引領、高點定位、特色鮮明”的基本要求，選擇若干地區創建國家級氫能及燃料電池產業發展示范區，并加強統籌協調和政策支持。支持相關地區積極開展氫能制備、儲運、加注和利用等自主技術示范。

（五）完善氫能產業發展政策體系

一是加強制度創新供給，在項目基礎設施建設用地、規劃選址、安全、環保等方面完善政策措施，優化基礎設施規劃審批流程，加快各類基礎設施市場化建設和運營。二是建設公共服務平臺，促進技術與產業交流，為企業與機構提供政策、行業信息、技術分析等服務。三是加快建立氫能產業標準體系，建立氫能產品檢驗監測和認證體系；研究修訂城鎮燃氣管理條例，將氫氣視同燃氣管理，制訂長輸天然氣管道摻氫標準；堅持安全發展理念，明確監管主體，完善氫能發展監管體系。四是加強金融服務保障。完善政銀企溝通交流機制，加大金融業對氫能產業發展的支持力度。進一步拓展股權投資、供應鏈金融、融資租賃等綜合性金融服務。引導和鼓勵有條件的各類資本設立燃料電池汽車產業基金，提升市場主體活力和發展潛力，支持和引導向氫能產業關鍵領域、關鍵環節集聚。五是推動國際技術合作。堅持自主研發和國際合作并舉，融入國際氫能社區，并充分調動市場力量參與，借鑒國際氫能經濟發展最佳實踐，推動我國氫能產業加快實現高質量發展。

中國國際工程咨詢有限公司氫能戰略研究課題組謝明華 陳梅濤 張繼龍 趙永輝 王凡 丁丹