（元琛科技）能源是国民经济和社会发展的基础，是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障，当今世界各国都十分重视能源安全战略。当前，我国正处于实现中华民族伟大复兴的关键时期，迫切需要拥有一个稳定、清洁、可靠的能源供应体系。氢能具有来源丰富、能量密度高、绿色低碳等特点，已被视为21世纪最具发展潜力的能源，我国必须从国际视野出发，深入分析氢能发展情况，走出一条适合我国国情的氢能发展新路子。
一、氢能及其重要意义
氢能是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量。16世纪瑞士医学界首次发现氢气，但氢气早期主要应用于医药化工领域。1839年，人类开始研究氢燃料电池；1969年，美国利用碱性燃料电池（AFC）为首次登月的阿波罗系统提供电力和水，并依靠液态氢作为燃料推动火箭，此后氢能开始应用于航空航天领域。1983年，加拿大巴拉德公司研发出质子交换膜燃料电池（PEMFC）；1993年，这种大功率电池开始应用于公交车。Sherifetal.（2005）指出，氢能可以满足几乎所有能源特性的需求，从而形成一个解决能源问题的永久性系统。氢能产业链包括制氢、储氢、运氢到应用。
发展氢能具有重要的意义。一是应对气候变化的需要。由于使用化石能源会带来大量二氧化碳排放，形成温室效应，对地球生态系统造成破坏，而氢能作为高密度、无污染的二次能源被认为是实现碳中和的最佳载体。二是促进产业升级的需要。氢能产业是科技和资本密集型产业，涉及新材料、电力装备、新能源汽车、航空航天、国防军工等诸多高端制造领域，能有效带动传统产业转型升级并催生新产业链。当前在世界经济低迷，缺乏强有力带动产业的情况下，许多国家把氢能作为未来产业进行规划和发展，以期推动本国或本地区经济发展。三是推动科技革命的需要。能源科技革命是历次工业革命的核心要素，氢能产业发展需要以科技的重大突破和进展为前提，这会极大地促进并带动基础工艺和基础材料等领域的发展。根据2017年麦肯锡研究公布的《2050年氢发展蓝图》，氢能将创造3000万个工作岗位，减少60亿吨二氧化碳排放，创造2.5万亿美元的市场价值。全球范围内，氢能产业正经历前所未有的政治和商业势头。
氢能用途
二、世界主要发达国家的氢能发展战略以及我国氢能发展战略
根据国际氢能理事会发布的《全球氢能观察2021》，截至2021年2月，全球已有30多个国家发布氢能路线图，许多经济体已将发展氢能产业上升为国家能源发展战略。
国际氢能委员会近期发布的报告显示，自2021年2月以来，全球范围内启动了131个大型氢能开发项目，包括日本、美国、澳大利亚、德国、欧盟、智利、加拿大等国家和地区。总之，越来越多的国家将氢能规划上升到国家能源战略高度，逐步明确氢能在国家能源体系中的战略地位，通过加强顶层发展政策指引，加大研发投入力度，加快基础设施和应用示范建设，持续推动氢能产业发展。
电解水制氢领域专利申请布局
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，在类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。氢能成为我国布局未来产业的重要方向，各省(市)出台相关政策，制定实施方案。截至2021年8月底，我国已发布氢能发展相关政策方案的省份及直辖市共有近30个，其中，出台专项氢能整体产业发展政策的共有5省。
我国近期密集型氢能政策发布情况
三、制氢工艺路径与方法
制氢有3种技术路线：灰氢（化石能源制氢）、蓝氢（化石能源制氢+CCUS）和绿氢（可再生能源制氢）。目前，3种制氢技术路线成比例约为1∶1.6∶2。从全球看，氢能制备的主要途径还是依靠传统能源的化学重整，其中天然气重整占比约48%，真正绿色途径的电解水制氢仅占4%。而日本在电解水制氢方面发展较快，其盐水电解制氢的产能占总产能的63%。我国制氢则主要依赖煤气化制氢及工业副产氢的方式，电解水制氢上我国应用得很少，仅占1%。在政策引导和可再生电力成本下滑带动下，预计制氢将从“灰氢”逐步向“蓝氢”“绿氢”过渡。
1．化石燃料制氢
我国煤制氢的主要企业有中国石化、国家能源集团、江苏恒力集团以及山东利津石化。其中产量最大的为国家能源集团，目前年产超过400万吨氢气，居世界首位，而中国石化产量为300万吨/年。天然气制氢企业主要有常州兰博净化、亚联高科技、上海华西化工等。煤制氢技术较为成熟，成本约0.55～0.83元/Nm³，而我国天然气较依赖进口，因此天然气制氢成本较高，约0.8～1.75元/ Nm³。
2．工业副产制氢
氯碱行业的鸿兴达业和滨化股份在氢能方面已有布局，两者烧碱产能超过100万吨，副产氢可达2.5万吨/年。嘉化能源可实现氯碱副产氢1万吨，同时其产业链可实现制、储、运、加氢全覆盖。目前，我国焦炉煤气制氢龙头是拥有660万吨焦炭产能的美锦能源，副产氢气可达到5.9万吨/年。丙烷脱氢（PDH）方面，国内PDH项目计划至2023年产氢37.04万吨/年。卫星石化未来有250万吨乙烷裂解项目投产，产氢16万吨。东华能源现有副产氢5万吨，宁波二期PDH建成后达到7.5万吨。目前采用PSA技术的焦炉煤气制氢、氯碱尾气制氢等装置已经得到推广。当前氯碱工业副产氢生产成本约1.1～1.4元/标准立方米，计入PSA成本后综合成本约1.2～1.8元/ Nm³，而焦炉煤气提纯制氢综合成本约0.83～1.33元/ Nm³。
3．电解水制氢
电解水制氢有3种技术路线：碱性水电解槽（ALK）、质子交换膜水电解槽（PEM）、固体氧化物水电解槽（SOEC）。碱性水电解槽（ALK）技术较为成熟，单台最大产气量为1000 Nm³/h。质子交换膜水电解槽（PEM ）需要采用贵金属催化剂，成本较高，目前国内单台最大产气量为苏州国能圣源的设备，产量为500 Nm³/h。我国PEM总体规模与国外仍有差距。固体氧化物水电解槽（SOEC）技术的研发国内外都在进行，主要研发机构包括日本三菱重工、东芝、京瓷；美国Idaho国家实验室、Bloom Energy公司、丹麦托普索燃料电池公司、韩国能源研究所、中国科学院、清华大学、中国科技大学等。电解水制氢不仅受制于技术，还受制于电价，据产业发展报告预测，在2030年光伏发电和风力发电成本分别降至0.2元/kW·h和0.25元/kW·h，电解水制氢的经济性也会随之提升。
总体而言，随着电解水制氢成本降低，传统化石能源制氢方式产量逐渐降低，并被可再生能源发电结合电解水制氢方式取代。电解水制氢方式中，PEM电解制氢处在快速发展阶段，SOEC电解技术国内外都在加快研发进度。
碱水（ALK）制氢原理图
PEM电解水制氢原理图
四、企业未来氢能战略
（一）乘势而上助力“双碳”达成
实现2030年碳达峰与2060年碳中和的目标，必然与氢能产业的发展、氢能生态的建立密切相关。氢能产业发展有利于实现我国能源转型，有利于形成我国新经济增长点，有利于实现我国绿色发展目标，为此，企业要加快发展、科学发展。截止到2020年，全国共有超过30个地方政府发布了氢能发展相关规划；企业要结合国家氢能发展的整体顶层设计，以及战略规划、专项规划和政策体系，制定出本公司氢能产业发展时间表、路线图、施工图 。要加快明确在“双碳”背景下的氢能产业发展思路，确定氢能产业在能源体系中的角色定位、阶段性可量化指标、产业链各环节的发展重点，构建促进氢能产业良性发展的体制机制。
（二）加大氢能技术攻关
目前，我国电解水关键材料包括催化剂、质子交换膜及电解槽，抗腐蚀电极材料等材料主要依赖进口，关键组件制备工艺急需提升。与此同时，膜电极、双极板、压缩机、氢循环泵等与国外相比存在较大差距。耐高温连接板材料以及集成系统等亟须加大研发力度。这些产业发展的“痛点”，也是机遇。企业要扎实做好基础研究，设立氢能源重大专项，建立持续性研发支持保障机制。要以重大需求为导向，协同开展基础性研究和科技攻关，依托骨干企业、高校、科研院所组建氢能与燃料电池关键材料实验室，力求在品种、规格或技术参数等有重大突破、具有自主知识产权与取得市场业绩的首台（套）或首批次的装备、系统和核心部件。同时，给予研发激励等相关措施，相关研发人员具有良好的梯队建设与核心带头人。（元琛科技）
碱水制氢系统
PEM制氢工艺图
PEM制氢微观反应
