預(yù)見2023：《2023年中國氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)全景圖譜》

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變化過程中釋放的能量。氫能是氫的化學能，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%，儲量豐富。氫能被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，隨著世界范圍內(nèi)對綠色經(jīng)濟發(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、儲氫、運氫、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，需大力推動氫能產(chǎn)業(yè)每個環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展。其中電解水制氫、液態(tài)/固態(tài)儲氫、液態(tài)有機儲氫、氫燃料電池等先進技術(shù)研究對氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?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50年代

中國的氫能與燃料電池技術(shù)研究始于上世紀50年代。20世紀80年代以來，相繼啟動了863計劃和973計劃，加速以研究為基礎(chǔ)的技術(shù)商業(yè)化項目，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)新行動計劃(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年兩會期間，氫能首次寫入政府工作報告。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能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)。2022年發(fā)布第一個氫能源專項規(guī)劃——《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(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、儲運、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)國家重點專項

為推進氫能技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化，國家重點研發(fā)計劃啟動實施“氫能技術(shù)”重點專項。2018-2022年，“氫能技術(shù)”重點專項數(shù)量逐年增加。2018年僅9項技術(shù)專項，到2022年，“氫能技術(shù)”重點專項圍繞氫能綠色制取與規(guī)模轉(zhuǎn)存體系、氫能安全存儲與快速輸配體系、氫能便捷改質(zhì)與高效動力系統(tǒng)及“氫能萬家”綜合示范4個技術(shù)方向，擬啟動24項重點專項。

(2)A股上市企業(yè)研發(fā)費用

目前，中國氫能市場正處于發(fā)展初期，行業(yè)整體研發(fā)投入水平不算太高。從A股市場來看，2017-2021年，我國氫能源板塊上市公司研發(fā)總費用逐年增長，2022年第一季度，氫能源板塊上市公司研發(fā)總費用約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，可見氫能科研熱度持續(xù)走高。截至2022年8月，我國已有80825篇氫能相關(guān)論文發(fā)表。

注：統(tǒng)計時間截至2022年8月。

(2)技術(shù)創(chuàng)新熱點

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，每個格子代表相同數(shù)量的專利。

主要氫能產(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石油、煤炭和天然氣的依賴，仍會產(chǎn)生大量碳排放;即使是加上CCUS捕集制備的藍氫，一旦甲烷在制備過程中發(fā)生泄漏，對氣候的影響比碳排放更大。而利用可再生能源進行電解水制氫，生產(chǎn)過程基本不會產(chǎn)生溫室氣體。

2、中端儲運氫環(huán)節(jié)：固態(tài)儲運安全性更好

儲運氫氣的方式主要分為氣態(tài)儲運、液態(tài)儲運和固態(tài)儲運。相比于氣氫儲運和液氫儲運，固態(tài)儲運在安全性方面優(yōu)勢明顯。

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)展痛點及突破

1、氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展痛點

(1)高成本是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵

當前，經(jīng)濟性為氫能產(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、儲運氫、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)負載，因而難以與波動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行的電解槽設(shè)計、控制技術(shù)以及電源系統(tǒng)設(shè)計等尚不成熟的局面。

2、氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展突破

(1)先進電解技術(shù)：PEM電解槽設(shè)計改進突破

PEM電解槽設(shè)計改進策略方向包括更輕更穩(wěn)定的端板和雙極板、經(jīng)濟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)氫能儲運：固態(tài)儲氫和潛液式液氫泵突破儲運氫技術(shù)瓶頸

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

液氫泵為液氫儲運的重要部件，用于對液體氫氣進行傳輸分配。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;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，不用高壓儲罐，去除級聯(lián)儲存;最終的結(jié)果是減少初始投資和運行成本，使氫氣的售價與汽油、柴油比肩。

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

氫能供應(yīng)體系發(fā)展路徑以實現(xiàn)綠色經(jīng)濟高效便捷的氫能供應(yīng)體系為目標，中國將在氫的制儲運加各環(huán)節(jié)上逐漸突破。從長遠看，隨著用氫需求的擴大，結(jié)合可再生能源的分布式制氫加氫一體站、經(jīng)濟高效的集中式制氫、液氫等多種儲運路徑并行的方案將會是主要的發(fā)展方向。

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