（元琛科技）能源是國民經濟和社會發展的基礎，是人類社會賴以生存和發展的重要物質保障，當今世界各國都十分重視能源安全戰略。當前，我國正處于實現中華民族偉大復興的關鍵時期，迫切需要擁有一個穩定、清潔、可靠的能源供應體系。氫能具有來源豐富、能量密度高、綠色低碳等特點，已被視為21世紀最具發展潛力的能源，我國必須從國際視野出發，深入分析氫能發展情況，走出一條適合我國國情的氫能發展新路子。
一、氫能及其重要意義
氫能是指氫在物理與化學變化過程中釋放的能量。16世紀瑞士醫學界首次發現氫氣，但氫氣早期主要應用于醫藥化工領域。1839年，人類開始研究氫燃料電池；1969年，美國利用堿性燃料電池（AFC）為首次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，此后氫能開始應用于航空航天領域。1983年，加拿大巴拉德公司研發出質子交換膜燃料電池（PEMFC）；1993年，這種大功率電池開始應用于公交車。Sherifetal.（2005）指出，氫能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。氫能產業鏈包括制氫、儲氫、運氫到應用。
發展氫能具有重要的意義。一是應對氣候變化的需要。由于使用化石能源會帶來大量二氧化碳排放，形成溫室效應，對地球生態系統造成破壞，而氫能作為高密度、無污染的二次能源被認為是實現碳中和的最佳載體。二是促進產業升級的需要。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，能有效帶動傳統產業轉型升級并催生新產業鏈。當前在世界經濟低迷，缺乏強有力帶動產業的情況下，許多國家把氫能作為未來產業進行規劃和發展，以期推動本國或本地區經濟發展。三是推動科技革命的需要。能源科技革命是歷次工業革命的核心要素，氫能產業發展需要以科技的重大突破和進展為前提，這會極大地促進并帶動基礎工藝和基礎材料等領域的發展。根據2017年麥肯錫研究公布的《2050年氫發展藍圖》，氫能將創造3000萬個工作崗位，減少60億噸二氧化碳排放，創造2.5萬億美元的市場價值。全球范圍內，氫能產業正經歷前所未有的政治和商業勢頭。
氫能用途
二、世界主要發達國家的氫能發展戰略以及我國氫能發展戰略
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多個國家發布氫能路線圖，許多經濟體已將發展氫能產業上升為國家能源發展戰略。
國際氫能委員會近期發布的報告顯示，自2021年2月以來，全球范圍內啟動了131個大型氫能開發項目，包括日本、美國、澳大利亞、德國、歐盟、智利、加拿大等國家和地區。總之，越來越多的國家將氫能規劃上升到國家能源戰略高度，逐步明確氫能在國家能源體系中的戰略地位，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。
電解水制氫領域專利申請布局
《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出，在類腦智能、量子信息、基因技術、未來網絡、深海空天開發、氫能與儲能等前沿科技和產業變革領域，組織實施未來產業孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產業。氫能成為我國布局未來產業的重要方向，各省(市)出臺相關政策，制定實施方案。截至2021年8月底，我國已發布氫能發展相關政策方案的省份及直轄市共有近30個，其中，出臺專項氫能整體產業發展政策的共有5省。
我國近期密集型氫能政策發布情況
三、制氫工藝路徑與方法
制氫有3種技術路線：灰氫（化石能源制氫）、藍氫（化石能源制氫+CCUS）和綠氫（可再生能源制氫）。目前，3種制氫技術路線成比例約為1∶1.6∶2。從全球看，氫能制備的主要途徑還是依靠傳統能源的化學重整，其中天然氣重整占比約48%，真正綠色途徑的電解水制氫僅占4%。而日本在電解水制氫方面發展較快，其鹽水電解制氫的產能占總產能的63%。我國制氫則主要依賴煤氣化制氫及工業副產氫的方式，電解水制氫上我國應用得很少，僅占1%。在政策引導和可再生電力成本下滑帶動下，預計制氫將從“灰氫”逐步向“藍氫”“綠氫”過渡。
1．化石燃料制氫
我國煤制氫的主要企業有中國石化、國家能源集團、江蘇恒力集團以及山東利津石化。其中產量最大的為國家能源集團，目前年產超過400萬噸氫氣，居世界首位，而中國石化產量為300萬噸/年。天然氣制氫企業主要有常州蘭博凈化、亞聯高科技、上海華西化工等。煤制氫技術較為成熟，成本約0.55～0.83元/Nm³，而我國天然氣較依賴進口，因此天然氣制氫成本較高，約0.8～1.75元/ Nm³。
2．工業副產制氫
氯堿行業的鴻興達業和濱化股份在氫能方面已有布局，兩者燒堿產能超過100萬噸，副產氫可達2.5萬噸/年。嘉化能源可實現氯堿副產氫1萬噸，同時其產業鏈可實現制、儲、運、加氫全覆蓋。目前，我國焦爐煤氣制氫龍頭是擁有660萬噸焦炭產能的美錦能源，副產氫氣可達到5.9萬噸/年。丙烷脫氫（PDH）方面，國內PDH項目計劃至2023年產氫37.04萬噸/年。衛星石化未來有250萬噸乙烷裂解項目投產，產氫16萬噸。東華能源現有副產氫5萬噸，寧波二期PDH建成后達到7.5萬噸。目前采用PSA技術的焦爐煤氣制氫、氯堿尾氣制氫等裝置已經得到推廣。當前氯堿工業副產氫生產成本約1.1～1.4元/標準立方米，計入PSA成本后綜合成本約1.2～1.8元/ Nm³，而焦爐煤氣提純制氫綜合成本約0.83～1.33元/ Nm³。
3．電解水制氫
電解水制氫有3種技術路線：堿性水電解槽（ALK）、質子交換膜水電解槽（PEM）、固體氧化物水電解槽（SOEC）。堿性水電解槽（ALK）技術較為成熟，單臺最大產氣量為1000 Nm³/h。質子交換膜水電解槽（PEM ）需要采用貴金屬催化劑，成本較高，目前國內單臺最大產氣量為蘇州國能圣源的設備，產量為500 Nm³/h。我國PEM總體規模與國外仍有差距。固體氧化物水電解槽（SOEC）技術的研發國內外都在進行，主要研發機構包括日本三菱重工、東芝、京瓷；美國Idaho國家實驗室、Bloom Energy公司、丹麥托普索燃料電池公司、韓國能源研究所、中國科學院、清華大學、中國科技大學等。電解水制氫不僅受制于技術，還受制于電價，據產業發展報告預測，在2030年光伏發電和風力發電成本分別降至0.2元/kW·h和0.25元/kW·h，電解水制氫的經濟性也會隨之提升。
總體而言，隨著電解水制氫成本降低，傳統化石能源制氫方式產量逐漸降低，并被可再生能源發電結合電解水制氫方式取代。電解水制氫方式中，PEM電解制氫處在快速發展階段，SOEC電解技術國內外都在加快研發進度。
堿水（ALK）制氫原理圖
PEM電解水制氫原理圖
四、企業未來氫能戰略
（一）乘勢而上助力“雙碳”達成
實現2030年碳達峰與2060年碳中和的目標，必然與氫能產業的發展、氫能生態的建立密切相關。氫能產業發展有利于實現我國能源轉型，有利于形成我國新經濟增長點，有利于實現我國綠色發展目標，為此，企業要加快發展、科學發展。截止到2020年，全國共有超過30個地方政府發布了氫能發展相關規劃；企業要結合國家氫能發展的整體頂層設計，以及戰略規劃、專項規劃和政策體系，制定出本公司氫能產業發展時間表、路線圖、施工圖 。要加快明確在“雙碳”背景下的氫能產業發展思路，確定氫能產業在能源體系中的角色定位、階段性可量化指標、產業鏈各環節的發展重點，構建促進氫能產業良性發展的體制機制。
（二）加大氫能技術攻關
目前，我國電解水關鍵材料包括催化劑、質子交換膜及電解槽，抗腐蝕電極材料等材料主要依賴進口，關鍵組件制備工藝急需提升。與此同時，膜電極、雙極板、壓縮機、氫循環泵等與國外相比存在較大差距。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。企業要扎實做好基礎研究，設立氫能源重大專項，建立持續性研發支持保障機制。要以重大需求為導向，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關鍵材料實驗室，力求在品種、規格或技術參數等有重大突破、具有自主知識產權與取得市場業績的首臺（套）或首批次的裝備、系統和核心部件。同時，給予研發激勵等相關措施，相關研發人員具有良好的梯隊建設與核心帶頭人。（元琛科技）
堿水制氫系統
PEM制氫工藝圖
PEM制氫微觀反應
