全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與技術(shù)布局分析*

孫玉玲 胡智慧 秦阿寧 滕 飛，3 林漢辰

(1.中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)圖書情報(bào)與檔案管理系，北京100190；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京102249；4.上海亞化咨詢有限公司，上海201206)

氫能是一種綠色、高效、應(yīng)用范圍廣的二次能源。 與其它清潔型能源相比，除了清潔低碳無污染的特點(diǎn)，還具有來源廣泛、靈活高效和應(yīng)用場(chǎng)景豐富的優(yōu)勢(shì)。 不僅可由化石能源重整、生物質(zhì)熱裂解和微生物發(fā)酵制取氫；還可利用氯堿、鋼鐵、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氫；而最有推廣價(jià)值的是水電解制氫，特別是與可再生能源發(fā)電結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全生命周期綠色制氫。 氫廣泛應(yīng)用于能源、交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑部門。 與燃料電池技術(shù)結(jié)合在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，同時(shí)在大規(guī)模儲(chǔ)能、發(fā)電和綠色化工原料等方面也起到重要作用。

早在20 世紀(jì)70 年代，日本和美國(guó)就開始探索氫能和燃料電池技術(shù)。 受傳統(tǒng)化石能源價(jià)格波動(dòng)以及氣候政策不穩(wěn)定的影響，歷史上，氫能的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，經(jīng)歷了三次波動(dòng)。 近年來，燃料電池技術(shù)取得了重大突破性進(jìn)展，氫能產(chǎn)業(yè)下游的應(yīng)用潛力逐漸被開發(fā)。 同時(shí)，全球氣候壓力增大，世界正逐步失去《巴黎協(xié)定》的溫控目標(biāo)機(jī)會(huì)，各國(guó)加大了低碳和綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的步伐。 發(fā)展氫能成為世界各主要國(guó)家的共識(shí)，目前氫經(jīng)濟(jì)的全球布局已經(jīng)初步展開。 截至2019 年7 月，全球直接支持氫能的目標(biāo)、任務(wù)和政策激勵(lì)的國(guó)家約為 50 個(gè)(包括 11 個(gè) G20 國(guó)家)。 僅2019 年，歐盟、韓國(guó)、日本、美國(guó)等紛紛規(guī)劃或更新氫能發(fā)展路線圖，澳大利亞還出臺(tái)了氫能發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略。

根據(jù)2017 年世界氫能委員會(huì)的預(yù)測(cè)，到2050年，氫能的需求將是當(dāng)時(shí)的10 倍，氫能將占全球總能源消耗約20%，每年減排60 億噸CO2，氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達(dá)2.5 萬億美元[1]。 中國(guó)是世界產(chǎn)氫量第一大國(guó)，據(jù)初步評(píng)估，現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能2500 萬噸 /年。 2018 年，中國(guó)氫氣產(chǎn)量約 2100 萬噸[2]。 中國(guó)已具備一定氫能工業(yè)基礎(chǔ)，但由于起步晚，新興氫產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距。

21 世紀(jì)以來，氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略研究一直受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。 早在2006 年，張志強(qiáng)[3]等前瞻了氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)的未來，并提出中國(guó)應(yīng)確立氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國(guó)家優(yōu)先戰(zhàn)略地位、制定戰(zhàn)略規(guī)劃等對(duì)策建議；朱曉宇(2011)[4]、潘穎(2012)[5]則分別對(duì)國(guó)際氫能研究的論文和專利進(jìn)行了計(jì)量分析；凌文(2019)[6]針對(duì)中國(guó)氫能基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后的問題，針對(duì)體制保障與政策提出相關(guān)建議；邵志剛等(2019)[7]針對(duì)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)，對(duì)比了主要國(guó)家基礎(chǔ)研究、標(biāo)準(zhǔn)和商業(yè)化情況，提出中國(guó)的對(duì)策建議。 上述研究分別從經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)等方面對(duì)氫能在中國(guó)的發(fā)展提出了對(duì)策建議，為后續(xù)更深入研究中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略和技術(shù)布局奠定了基礎(chǔ)。 本文通過分析全球氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展脈絡(luò)與技術(shù)發(fā)展格局，并從氫能產(chǎn)業(yè)鏈角度重點(diǎn)剖析中國(guó)氫能基礎(chǔ)研究、技術(shù)儲(chǔ)備與產(chǎn)業(yè)化水平在全球的差距與發(fā)展機(jī)遇，提出中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對(duì)策建議，供相關(guān)決策參考。

1 主要國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局與趨勢(shì)

2000 年以來，世界多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家/地區(qū)把氫能作為其能源體系中的重要組成部分，相繼發(fā)布了氫能相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和路線圖，美國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家更是將氫能規(guī)劃上升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度(圖1)。

圖1 2000 年以來世界主要國(guó)家/地區(qū)氫能戰(zhàn)略與計(jì)劃Fig.1 Hydrogen Energy Strategies and Planning of Major Countries/Regions Since 2000

1.1 美國(guó)重視氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的建立和前瞻技術(shù)的掌控

美國(guó)是最早將氫能納入能源戰(zhàn)略的國(guó)家。早在1970 年就提出了“氫經(jīng)濟(jì)”概念。 2002 年，美國(guó)發(fā)布《國(guó)家氫能發(fā)展戰(zhàn)略》，標(biāo)志著美國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)從構(gòu)想轉(zhuǎn)入行動(dòng)階段，此后美國(guó)陸續(xù)出臺(tái)《氫能技術(shù)研究與開發(fā)行動(dòng)計(jì)劃》《氫立場(chǎng)計(jì)劃》《氫與燃料項(xiàng)目計(jì)劃》等[8]。 2003 年，以美國(guó)為首成立了氫能與燃料電池國(guó)際伙伴關(guān)系[9]，并建立全球“氫安全委員會(huì)”，設(shè)立氫安全知識(shí)工具平臺(tái)[10]，旨在多方位引領(lǐng)全球氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 自2004年以來，美國(guó)能源部平均每年投資氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目超過1.2 億美元，通過一系列項(xiàng)目布局和持續(xù)投資，奠定了氫能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的全球優(yōu)勢(shì)地位。

2019 年，美國(guó)氫能與燃料電池協(xié)會(huì)發(fā)布《氫經(jīng)濟(jì)路線圖》[11]，重申美國(guó)將繼續(xù)保持氫能領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢(shì)地位；擬在交通、分布式電源、家用熱電聯(lián)產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)大氫能在美國(guó)的規(guī)模化應(yīng)用；提出2030 年達(dá)到530 萬輛燃料電池車和5600 個(gè)加氫站的宏偉目標(biāo)。

1.2 日本致力于構(gòu)建氫社會(huì)，大力推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)下游規(guī)?；投嘣?/h3>

日本是目前全球氫能應(yīng)用開發(fā)最全面和最堅(jiān)定的國(guó)家。 早在20 世紀(jì)70 年代就開始?xì)淙剂想姵丶夹g(shù)探索。 2014 年在《能源基本計(jì)劃》中將氫能定位為與電力和熱能并列的核心二次能源，并提出建設(shè)“氫能社會(huì)”的愿景。 先后發(fā)布《日本再?gòu)?fù)興戰(zhàn)略》《能源基本計(jì)劃》《氫能基本戰(zhàn)略》等相關(guān)文件，規(guī)劃了實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)戰(zhàn)略的技術(shù)路線，建立了全球領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)技術(shù)和能力儲(chǔ)備，氫能應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，涉及交通、家庭供電以及工業(yè)原料。 2019 年日本第三次修改《氫能及燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》[12]，提出了到2025 年全面普及氫能交通，實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)電商業(yè)化，大幅降低氫能各個(gè)環(huán)節(jié)利用成本的目標(biāo)和技術(shù)創(chuàng)新方向。

基于國(guó)內(nèi)成熟的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，日本正致力于開拓國(guó)際市場(chǎng)和爭(zhēng)取國(guó)際話語權(quán)，例如公開專利技術(shù)、主導(dǎo)制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、開展國(guó)際氫貿(mào)易以及組建國(guó)際氫能和燃料電池技術(shù)合作聯(lián)盟等。 日本于 2018 年 10 月發(fā)布《東京宣言》[13]，提出要開展技術(shù)合作并協(xié)調(diào)法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一；促進(jìn)氫能安全和基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)鏈等方面的信息共享；研究和評(píng)估氫能在各領(lǐng)域的潛力；開展關(guān)于氫能的培訓(xùn)和推廣。

1.3 歐洲將氫能作為能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重要保障

歐洲在氫能產(chǎn)業(yè)化推廣過程中，強(qiáng)調(diào)氫能在工業(yè)和交通中的脫碳作用，作為低碳發(fā)展的保障。 德國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略重點(diǎn)在氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和燃料電池組件技術(shù)。 2006 年啟動(dòng)氫和燃料電池技術(shù)國(guó)家創(chuàng)新計(jì)劃(National Innovation Programme Hydrogen and Fuel Cell Technology，NIP)[14](2006—2016 年)，該計(jì)劃的實(shí)施讓德國(guó)成為繼日本和美國(guó)之后第三個(gè)氫氣供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施制造大國(guó)，在加氫站領(lǐng)域奠定了世界領(lǐng)先地位。 二期(2016—2026 年)[15]持續(xù)獲得15.6 億美元公共基金資助。 法國(guó)旨在利用氫能實(shí)現(xiàn)環(huán)保轉(zhuǎn)型，并使法國(guó)在氫能利用方面成為世界領(lǐng)先國(guó)家。 法國(guó)于2018 年發(fā)布《氫能利用計(jì)劃》[16]，主要圍繞實(shí)現(xiàn)工業(yè)用氫的去碳化、提高利用氫能儲(chǔ)存可再生能源的能力、研究利用氫能實(shí)現(xiàn)交通零排放的方案三項(xiàng)目標(biāo)進(jìn)行布局。 自2019 年起，法國(guó)環(huán)境與能源管理署開始負(fù)責(zé)該計(jì)劃的落實(shí)，初期投資為1 億歐元(約1.11 億美元)。

2019 年2 月，歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織(Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking，F(xiàn)CH-JU)出臺(tái)了面向2030、2050 年的氫能發(fā)展路線圖《歐洲氫能路線圖:歐洲能源轉(zhuǎn)型的可持續(xù)發(fā)展路徑》[17]，指出氫能是歐洲實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)必不可少的因素，氫能將在建筑、交通和工業(yè)大規(guī)模脫碳中發(fā)揮作用，預(yù)測(cè)到2050 年，氫能將占?xì)W洲能源總需求的25%。

1.4 韓國(guó)將氫能視為綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略的重要組成部分

2008 年以來，韓國(guó)政府先后實(shí)施“低碳綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略”“綠色氫城市示范”等項(xiàng)目，以綠色低碳城市發(fā)展戰(zhàn)略推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 韓國(guó)擁有世界領(lǐng)先的氫燃料汽車和燃料電池相關(guān)技術(shù)，其發(fā)展戰(zhàn)略是以氫能產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用推動(dòng)上游和中游研發(fā)。2019 年政府發(fā)布《氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》[18]，進(jìn)一步將氫能產(chǎn)業(yè)新增為三大戰(zhàn)略性投資領(lǐng)域之一，氫燃料電池汽車和燃料電池仍作為戰(zhàn)略重點(diǎn)，提出到2040 年，普及發(fā)電用、家庭用和建筑用氫燃料電池裝置。 未來五年擬投入600 億韓元(約合5100 萬美元)支持開發(fā)環(huán)保、高效制氫和穩(wěn)定儲(chǔ)氫的原創(chuàng)技術(shù)，另擬投資23.3 億美元用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和燃料電池系統(tǒng)開發(fā)。 通過全產(chǎn)業(yè)鏈戰(zhàn)略布局，旨在成為發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)先國(guó)家。

1.5 中國(guó)重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，多地布局氫能利用項(xiàng)目

2000 年以來，中國(guó)高度重視氫能的發(fā)展，在國(guó)家層面的多個(gè)規(guī)劃和戰(zhàn)略中提及發(fā)展“氫能與燃料電池技術(shù)”。 “十五”期間，國(guó)家863 計(jì)劃“電動(dòng)汽車”重大科技專項(xiàng)確定了以混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車為“三縱”的研發(fā)布局，為中國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[19]。 國(guó)務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020 年)》把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向，氫能與燃料電池是能源科技創(chuàng)新戰(zhàn)略重點(diǎn)之一[20]。 2019 年3月，氫能首次被寫入中國(guó)《政府工作報(bào)告》[21]，明確將“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。 截至2019 年底，全國(guó)已有30 多個(gè)省、市、甚至區(qū)級(jí)政府出臺(tái)氫能產(chǎn)業(yè)或氫燃料電池車發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)給予加氫站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼、燃料電池車運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼，吸引了大量資本投入與企業(yè)布局。 多地爭(zhēng)相規(guī)劃與建設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)園、氫能小鎮(zhèn)、氫谷等。

2 全球氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)格局

氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括制氫、儲(chǔ)運(yùn)及氫能應(yīng)用三大環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都有很高的技術(shù)壁壘。 具體來看，產(chǎn)業(yè)鏈上游是氫氣制備，主要技術(shù)方式包括化石能源重整制氫法、工業(yè)尾氣制氫法、電解水制氫法以及新型制氫技術(shù)等。 氫氣儲(chǔ)運(yùn)作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的中游，是氫能應(yīng)用的核心保障，高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、固體儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)運(yùn)以及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)等是目前主要儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。 產(chǎn)業(yè)鏈下游是氫能的應(yīng)用，可應(yīng)用于合成氨、煉廠石油和煤炭的深加工等石化工業(yè)以及加氫站與燃料電池等能源的多個(gè)方面，其中最具商業(yè)價(jià)值也是全球競(jìng)爭(zhēng)最激烈的是氫燃料電池的應(yīng)用。

2.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈上的技術(shù)布局對(duì)于搶占發(fā)展制高點(diǎn)具有重要意義。 本文以德溫特創(chuàng)新索引(Derwent Innovations Index)數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，利用關(guān)鍵詞和德溫特手工代碼(MC)組合構(gòu)建氫燃料電池檢索式(檢索時(shí)間為2019 年 5 月 13 日，檢索年限為1963—2019 年)，共計(jì)檢出相關(guān)專利 78675 項(xiàng)。 從氫能產(chǎn)業(yè)主要國(guó)家的專利數(shù)量變化趨勢(shì)看(圖2)，主要國(guó)家日本、美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)和韓國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)上、中、下游專利布局差異較大。 在產(chǎn)業(yè)鏈上游制氫環(huán)節(jié)，日本和美國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)較接近，2000 年后專利數(shù)量開始上升，2005 年日本專利數(shù)量達(dá)到最高點(diǎn)，之后緩慢下降，近五年下降明顯，美國(guó)在2010年專利數(shù)量開始下降；中國(guó)制氫技術(shù)專利申請(qǐng)較晚，2005 年以后才逐漸有所增長(zhǎng)，2010 年后突飛猛進(jìn)，2016 年后專利數(shù)量超過其他四個(gè)國(guó)家之和；相比之下，德國(guó)和韓國(guó)制氫專利數(shù)量變化一直比較平穩(wěn)，且數(shù)量偏少。 在儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)方面，五個(gè)國(guó)家1980 年以來的趨勢(shì)與制氫大致相同，日本在儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)上投入研發(fā)較早。 在下游的主要應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池方面，日本自20 世紀(jì)70年代開始申請(qǐng)專利，2000 年后迅速增長(zhǎng)，2004 年達(dá)到最高點(diǎn)1480 項(xiàng)，此后開始緩慢下降，其它4個(gè)國(guó)家在質(zhì)子交換膜技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量變化不大，中國(guó)近五年雖有所增長(zhǎng)，但年度最大申請(qǐng)數(shù)量未超過500 項(xiàng)。 綜上，從總體上看，氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)上、中、下游在2010 年后呈現(xiàn)專利申請(qǐng)下降的趨勢(shì)，從市場(chǎng)來看，制氫的幾條路線相對(duì)比較成熟，儲(chǔ)運(yùn)氫以氣態(tài)和液態(tài)為主，市場(chǎng)化也比較成熟，但由于儲(chǔ)運(yùn)氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，氫燃料電池車尚處于市場(chǎng)培育階段，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)應(yīng)用有限等因素導(dǎo)致技術(shù)研發(fā)不夠積極，近年來專利數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 但在制氫和儲(chǔ)運(yùn)氫領(lǐng)域中國(guó)呈現(xiàn)出與其他四國(guó)相反的趨勢(shì)，這表明，中國(guó)在上述領(lǐng)域投入研發(fā)較晚，但在積極布局和追趕。

圖2 1980 年以來主要國(guó)家氫能相關(guān)專利數(shù)量年度變化Fig.2 Annual Number of Patents in the Field of Hydrogen Energy in Major Counties Since 1980

2.2 基礎(chǔ)研究與技術(shù)儲(chǔ)備

以Web of Science 平臺(tái)的科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(SCI)為數(shù)據(jù)源檢索氫能產(chǎn)業(yè)論文相關(guān)數(shù)據(jù)，共計(jì)檢出1900—2019 年論文76244 篇(檢索時(shí)間為2019 年 5 月 20 日)。 論文與專利數(shù)據(jù)結(jié)合對(duì)比分析五個(gè)主要國(guó)家技術(shù)儲(chǔ)備與基礎(chǔ)研究實(shí)力(圖3，表1)。 在氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)布局方面，日本是產(chǎn)業(yè)技術(shù)的掌控者。 從專利數(shù)量看，氫能產(chǎn)業(yè)上游、中游和下游(質(zhì)子交換膜燃料電池)Top10 專利權(quán)人中前三位均為日本企業(yè)。 三菱、松下、豐田等大型跨國(guó)企業(yè)在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行布局，形成綜合競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 在制氫領(lǐng)域，中國(guó)石化和中國(guó)科學(xué)院兩家機(jī)構(gòu)進(jìn)入Top10 行列，而在技術(shù)密集的中下游環(huán)節(jié)，Top10 機(jī)構(gòu)中僅中國(guó)科學(xué)院一家。這表明中國(guó)氫能應(yīng)用技術(shù)開發(fā)不足，缺少具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)主體，產(chǎn)業(yè)鏈掌控能力十分薄弱。

從氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)研究看，中國(guó)是氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)研究的領(lǐng)跑者，其次是美國(guó)。 中國(guó)的SCI 論文數(shù)量在五個(gè)國(guó)家中位列第一，占全球總發(fā)文量的33%。 發(fā)文前十位機(jī)構(gòu)中的前三位均來自中國(guó)，分別為中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)和清華大學(xué)。

2.3 主要國(guó)家/地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平比較

通過戰(zhàn)略引領(lǐng)、路線規(guī)劃以及持續(xù)投資，主要發(fā)達(dá)國(guó)家在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展上取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

圖3 全球主要國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)SCI 論文數(shù)量與專利數(shù)量對(duì)比Fig.3 Comparison of the Number of SCI Papers and Patents of Hydrogen Energy Industry in Major Countries

表1 氫能產(chǎn)業(yè)上、中、下游Top10 專利權(quán)人Tab.1 Top 10 Patentees of Upstream，Midstream and Downstream of Hydrogen Energy Industry

圖4 主要國(guó)家加氫站、燃料電池車現(xiàn)有數(shù)量及規(guī)劃Fig.4 Current Number and Planning of Hydrogen Refueling Stations and Fuel Cell Vehicles in the Major Countries

在制氫領(lǐng)域，已有多條成熟的技術(shù)路線，中國(guó)以煤為主，國(guó)外主要是天然氣重整制氫，主要發(fā)達(dá)國(guó)家致力于探索“綠色”制氫(零排放)的低成本技術(shù)和模式。

在儲(chǔ)運(yùn)氫領(lǐng)域，日本、美國(guó)、歐洲國(guó)家氫儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)化水平較高，氣氫儲(chǔ)運(yùn)達(dá)70MPa，并且可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離液氫儲(chǔ)運(yùn)；中國(guó)氣氫儲(chǔ)運(yùn)大部分停留在35MPa 水平，由于缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，液氫還不能上路。 美國(guó)、歐洲已分別建成2600km、1500km的輸氫管道，其他國(guó)家/地區(qū)不足400km(中國(guó)僅100km)。 儲(chǔ)運(yùn)氫成為中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)“卡脖子”環(huán)節(jié)。

在氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面(圖4)，主要發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展目標(biāo)明確，均規(guī)劃了面向2025 年甚至2030 年的數(shù)量。 截至2018 年底，日本擁有全球最多的96 座加氫站，其次是德國(guó)和美國(guó)，2019 年底，國(guó)內(nèi)建成運(yùn)營(yíng)加氫站58 座，規(guī)劃和在建的84座。 氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在提速，但國(guó)家層面的數(shù)量規(guī)劃尚未明確。

在氫能產(chǎn)業(yè)連下游終端應(yīng)用上，氫燃料電池及其在交通領(lǐng)域的應(yīng)用最具發(fā)展?jié)摿Α?日本、美國(guó)、韓國(guó)均已研發(fā)出氫燃料電池車輛并投放市場(chǎng)，美國(guó)擁有世界上一半以上的燃料電池汽車，25000 輛燃料電池物流車[11]。 中國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)整體處于規(guī)劃和起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)水平有一定差距，初步掌握燃料電池電堆與關(guān)鍵材料、動(dòng)力系統(tǒng)、整車集成等核心技術(shù)，但產(chǎn)業(yè)技術(shù)與產(chǎn)品水平相對(duì)落后，一些關(guān)鍵零部件和材料仍依賴進(jìn)口。

此外，發(fā)達(dá)國(guó)家仍在探索氫能在工業(yè)和能源中的多元化應(yīng)用。 例如日本在家庭供電、德國(guó)在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用方面發(fā)展勢(shì)頭良好。 日本、德國(guó)、瑞典等還在探索“氫能煉鋼”項(xiàng)目示范，有望大幅降低鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放。

2.4 小結(jié)

綜上，主要發(fā)達(dá)國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，尤其是日本和美國(guó)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平領(lǐng)先，并且擁有較強(qiáng)的技術(shù)儲(chǔ)備能力，占領(lǐng)了國(guó)際氫能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的制高點(diǎn)。 氫能先行國(guó)家進(jìn)一步致力于通過技術(shù)創(chuàng)新降低產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的成本，構(gòu)建零排放綠色氫產(chǎn)業(yè)鏈、推進(jìn)氫能大規(guī)模高效利用和多元化利用。 同時(shí)，建立氫能國(guó)際貿(mào)易，推動(dòng)氫能國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的完善。 從技術(shù)布局看，中國(guó)的氫能基礎(chǔ)研究和技術(shù)儲(chǔ)備具有一定實(shí)力，但產(chǎn)業(yè)化水平較低，尚未建立完整產(chǎn)業(yè)鏈，關(guān)鍵設(shè)備與產(chǎn)品性能指標(biāo)與發(fā)達(dá)國(guó)家差距明顯，下游應(yīng)用多數(shù)處于起步階段，未形成規(guī)模化，儲(chǔ)運(yùn)氫成為下游大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

3 對(duì)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示和建議

隨著全球氣候壓力增大和能源優(yōu)化調(diào)整進(jìn)程的加速，新能源的開發(fā)利用成為全球能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇。 而氫能利用是最重要的能源改革技術(shù)路線之一，不僅對(duì)于提高國(guó)家能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有深遠(yuǎn)意義，同時(shí)有助于促進(jìn)深層次工業(yè)減排和刺激經(jīng)濟(jì)綠色增長(zhǎng)。

與美國(guó)、日本持續(xù)性、科學(xué)規(guī)劃的產(chǎn)業(yè)政策相比，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)仍顯不足，氫能尚未被納入能源體系管理，涉及氫能的發(fā)展規(guī)劃分散在能源、交通、綠色產(chǎn)業(yè)等文本中，缺少統(tǒng)籌考慮氫能整個(gè)產(chǎn)業(yè)的全局性、持續(xù)性戰(zhàn)略或計(jì)劃。此外，中國(guó)氫能新興產(chǎn)業(yè)處于起步階段，存在產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平較低、技術(shù)掌控能力弱、產(chǎn)業(yè)主體技術(shù)單一且競(jìng)爭(zhēng)力不足、標(biāo)準(zhǔn)體系不完善等問題，嚴(yán)重制約氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。 根據(jù)中國(guó)目前的問題提出如下發(fā)展建議:

1)強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，研究制定針對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展全局性的戰(zhàn)略規(guī)劃

在全球氫經(jīng)濟(jì)加速布局的大背景下，中國(guó)需要在新的國(guó)際形勢(shì)下梳理和分析氫能產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題。 當(dāng)前，中國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)與國(guó)際先進(jìn)水平仍然存在不小差距，靠市場(chǎng)機(jī)制無法完成產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，需要政府、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等多方共同努力。 宜借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的歷史經(jīng)驗(yàn)和布局思路，制定符合中國(guó)國(guó)情的氫能戰(zhàn)略或規(guī)劃，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和區(qū)域協(xié)同，研究制定促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應(yīng)用的工作方案，建立科學(xué)長(zhǎng)效的產(chǎn)業(yè)激勵(lì)機(jī)制，進(jìn)一步明確國(guó)家戰(zhàn)略導(dǎo)向。

2)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同突破產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)瓶頸，加快關(guān)鍵部件和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

當(dāng)前，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)核心部件與設(shè)備大多依賴進(jìn)口，這為產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展帶來風(fēng)險(xiǎn)。 2019年，中國(guó)已布局“可再生能源與氫能技術(shù)”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，從技術(shù)布局對(duì)比看，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)具備一定的技術(shù)儲(chǔ)備能力，且基礎(chǔ)研究實(shí)力強(qiáng)大，當(dāng)前迫切需要提高技術(shù)與產(chǎn)業(yè)配套的試驗(yàn)?zāi)芰?，宜發(fā)揮中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)研究?jī)?yōu)勢(shì)，集中產(chǎn)業(yè)上、中、下游優(yōu)勢(shì)科技和產(chǎn)業(yè)主體力量，在氫儲(chǔ)運(yùn)裝備、燃料電池關(guān)鍵部件上盡快提高國(guó)產(chǎn)化水平。 長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，技術(shù)的創(chuàng)新突破是推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心動(dòng)力，中國(guó)仍需持續(xù)投資關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、應(yīng)用示范到產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新能力提升，保障中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)全面和自主。

3)發(fā)揮可再生能源基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展“綠色氫經(jīng)濟(jì)”

2019 年，國(guó)際能源署、國(guó)際可再生能源署分別提到，到2030 年可再生電力生產(chǎn)氫氣的成本將大幅下降(可能下降30%)，氫能將在全球?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模利用[22，23]，可再生能源制氫的“綠氫”將成為最主要的氫源。 發(fā)展“綠色”氫經(jīng)濟(jì)符合中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的要求。 中國(guó)已成為世界上可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家，但與此同時(shí)，約有15%左右的可再生能源因不能并網(wǎng)而被浪費(fèi)。消納相對(duì)過剩的可再生能源制氫，不僅降低成本也更環(huán)保。 氫能市場(chǎng)發(fā)展遠(yuǎn)期(2050 年左右)，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)將從傳統(tǒng)化石能源為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為主的多元格局，氫能未來發(fā)展空間廣闊，除了供應(yīng)國(guó)內(nèi)，有望實(shí)現(xiàn)出口。

4)重視氫能產(chǎn)業(yè)下游多元化應(yīng)用

在未來的低碳經(jīng)濟(jì)中，氫可以與電力一起發(fā)揮重要作用，具有提供交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、供熱和工業(yè)服務(wù)的多功能性。 世界能源理事會(huì)展望了氫未來應(yīng)用的四種場(chǎng)景，即長(zhǎng)期儲(chǔ)能、從藍(lán)氫到綠氫、大規(guī)模應(yīng)用、燃料電池交通工具[24]。 當(dāng)前，中國(guó)各區(qū)域規(guī)劃中，絕大多數(shù)目標(biāo)局限在加氫站設(shè)施和氫燃料電池車，較少在其他應(yīng)用領(lǐng)域提出規(guī)劃目標(biāo)。 從全球氫能戰(zhàn)略布局看，氫燃料電池及其在交通中的應(yīng)用是全球關(guān)注的重點(diǎn)。與此同時(shí)，各主要國(guó)家也在拓寬氫能發(fā)電、儲(chǔ)能和工業(yè)脫碳中的應(yīng)用規(guī)模。 中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)整體處于起步階段，應(yīng)根據(jù)區(qū)域資源稟賦和經(jīng)濟(jì)情況發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，加強(qiáng)區(qū)域協(xié)同發(fā)展和推動(dòng)氫能多元化利用，避免同質(zhì)化和低水平重復(fù)。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)與物理研究所邵志剛研究員、俞紅梅研究員、秦曉平高級(jí)工程師，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所吳鑄研究員以及中科富海雷靈龍博士在氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)專利和論文檢索中的幫助和支持！