氢能研究报告2022：人类最清洁的能源解决方案

文：任泽平团队

能源安全、能源清洁化是重大国家战略。氢能源是21世纪最清洁能源，元素资源丰富、储能时间长、能量密度大。未来氢能源行业的发展，要从上游制氢、中游储运氢、下游应用氢等各环节持续突破。其中可以重点关注氢储能和氢燃料电池这两大极具爆发潜力的领域。

一是氢储能两大关键技术正在加速成熟，分别是：制氢、氢储运技术。

制氢技术正在由化石能源制氢和工业副产氢向更清洁的电解水制氢方向过渡。绿电成本正在下降，电解槽技术往更适用清洁能源的质子交换膜方向迭代。未来，绿色能源电解水制氢实现与化石能源制氢平价可期。

储氢技术正不断突破。气态储氢方面，诸如碳纤维等储氢瓶原材料的国产化进程加速，性能高、储量大、轻质化。液氢储氢和其他储氢形式也进入应用窗口期，逐渐过渡到民间商业化使用阶段。

未来的氢储能，是最适合大规模、长周期的绿电存储方案，可以弥补其他储能形式的短板，将大量的弃风、弃光和弃电等进行储能，成为继抽水蓄能、锂电池储能后的又一主流储能方式。

二是氢燃料电池，重点关注电堆、膜电极，氢能商用车渗透，加氢站。

在技术拆解上，电堆、膜电极是氢燃料电池系统的核心，成本占比高、技术难度大。可以说，电堆对于氢燃料电池汽车，就类似于现在动力锂电池于新能源车的重要性。氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极。

在市场进程上，氢燃料电池的应用领域众多，包括发电、建筑热电联供等。交通运输，将是氢燃料电池的关键核心应用领域，行业将“先商用、后乘用”式的发展。“先商用”，旨在可以有效解决商用车市场电动化渗透率不足的问题，全面加速各类汽车的电动化进程。“后乘用”，氢燃料电池车轻量化携带、高密度快充，长期将更大程度缓解汽车智能化耗电焦虑。

在基础设施上，我国加氢站已经走在全球前列，油氢合建站将缓解大家的加氢焦虑。

从现在到未来，氢能源产业正走在发展的快车道上。放眼长远，氢储能与燃料电池形成商业闭环，将成为第三次能源革命中又一具有革命性力量的技术路线。

1 能源清洁化时代，最清洁的氢能突出重围

2 氢储能：大规模、长周期的绿电存储方案

2.1 关键技术一：制氢技术

2.2 关键技术二：氢储运技术

3 氢燃料电池：氢能源应用落地的关键抓手

3.1 技术拆解：氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极

3.2 市场进程：先商用、后乘用，解决汽车电动化和智能化的耗电问题

3.3 配套设施：加氢站是商业化进程的晴雨表

4 趋势和展望：制氢低成本、储氢高技术，更多应用场景落地形成商业闭环

氢能源被誉为21世纪最清洁能源，氢气可作为燃料，与空气中的氧气结合，释放出不包含任何污染气体的水蒸气，是时下最热门的二次能源之一，属于第三次能源革命的重点技术路线和攻关方向。

氢能源产业链涉及多个行业多个领域，总体上可分为氢能源上游的供给和下游需求两个方面。具体来看，氢能源产业链的供给端包括上游制氢、中游储运氢和加氢站建设等三大环节；氢能源产业链的需求端则为下游氢能源的综合运用环节。

“双碳”承诺下，能源清洁化成为大势所趋，氢能源产业链以其清洁化的优势,正处于从导入期过渡到发展期的上升阶段当中，迸发出巨大的潜力，未来有望在诸多清洁能源的技术路线中脱颖而出。

我国氢能源相关政策陆续出台，产业链正在形成。2017年开始，《中国燃料电池汽车发展路线图》、《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》陆续对氢能技术和产业路线作出指引。2021年，《2030年前碳达峰行动方案》、《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》、《“十四五”节能减排综合工作方案》，对氢能全产业商业化发展规划作出更高要求。

2022年3月，国家发改委和能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划》，提出了氢能产业发展各阶段目标：到2025年，基本掌握氢能源产业链相关的核心技术和制造工艺，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，部署建设一批加氢站，争取燃料电池车辆保有量约达到5万辆，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑碳达峰目标实现。到2035年，形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升。

目前氢能源正处于爆发前夜，各环节技术正处于不断突破和迭代的窗口期，商业化进程加速，应用落地情况振奋人心。有望成为继光伏、风电和锂电池汽车产业链后，5至10年内清洁能源中最具希望的领域之一。

长远来说，氢作为世界上占比达到75%左右的元素，未来氢能可广泛用于能源企业、交通运输、工业用户、商业建筑等领域，是实现我国能源清洁化的关键一环。氢能源既可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域，降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖；还可以利用燃气轮机技术、燃料电池技术以及氢储能技术，应用于分布式和集中式发电，为家庭住宅、商业建筑等供暖供电。

氢储能是一种依靠化石能源、电解水制氢，将其他形式的能量转化为氢能的储能形式。氢储能以其清洁性和强大储能特性，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向，必然能在未来的储能市场中占据一席之地。

相对于其他储能方式，氢储能具备诸多优势。

一是氢能源可通过利用直流电，直接电解地球上及其丰富的水得到氢气，原料简单，没有资源焦虑问题。氢能可作为有效媒介，将无法上网或难以利用的弃光或弃风资源储存起来，解决新能源发电间隙性、随机性导致的废弃问题，成为新型电力系统的有效补充。

二是极强的时间和空间维度跨越性。光伏、风电与水电等新型能源发电存在季节性波动，如夏季雨水充足、冬季雨水稀少；夏季光照充足而冬季光照较少等。除了在季节上存在波动之外，新能源发电在空间分布上也极不均匀。以光伏发电为例，我国光照资源分布呈现出“西丰东贫”的格局。而从能源消费的格局来讲，以“胡焕庸线”为近似分界线，我国中东部地区能源消费量占全国比重超过70%。在此基础上，为保证能源消费量更大的地区新能源发电成本更低、用量更充足，长距离的能源资源运输不可避免。

氢储能具备更长的储能时长以及极高的储存容量，有望成为长时间、跨区域储能的有效解决方案。在储能时长上，氢储能基本没有刚性的储存容量限制，可根据需要满足数天、数月乃至更长时间的储能需求，平滑可再生能源季节性的波动。在跨区域流动上，氢能的转移更为灵活，其运输不受输配电网络限制，可实现能量跨区域、长距离、不定向移动。

2.1 关键技术一：制氢技术

氢储能技术的发展需要重点关注制氢技术和氢储运技术两大环节。在制氢环节上，当前化石能源制氢和工业副产氢占据主流。具体来看，我国制氢来源60%以上为煤制氢，19%天然气制氢，18%工业副产氢，仅1%为电解水制氢。

但化石能源制氢、工业副产氢存在碳排放量高、氢气纯度低等缺陷。按照碳足迹的概念，目前氢能源的清洁性仍然是个伪命题。长期来看，电解水制氢仍然是最理想的制氢方式。随着其技术和成本的不断突破，未来将会形成光伏、风电，尤其是弃光、弃风以及弃电等清洁能源电解水制氢储能的新能源产业链闭环。化石能源制氢和工业副产氢将会成为短期内氢能源走向完全清洁化的过渡方案。

未来通过绿色能源电解水制氢气，是将其他形式能源转化为氢能存储的关键。在此环节中，一是需要重点关注制氢的用电成本，二是要关注电解槽技术的突破。

用电方面，电解水制氢技术通过向电解质水溶液中通入直流电，将水分解成氢气和氧气。从制氢总成本来看，整个制氢环节成本以电费为主，占比超过60%，是未来需要重点突破的环节。

电解技术方面，电解水制氢系统由电解槽、电力转换模块、水循环系统、氢气处理系统等组成，其中电解槽是电解水制氢的核心部分，由槽体、阳极和阴极组成，多数用隔膜将阳极室和阴极室隔开。

制氢系统成本包含在电解水制氢总成本的固定成本范围内，电解槽占制氢系统总成本的40%-50%。

由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入氢氧化钠、氢氧化钾等更强的电解质，以加强溶液的导电能力。因此根据电解质和隔膜的不同可分为碱性电解水制氢技术（AWE）、质子交换膜电解水制氢技术（PEM）以及固体氧化物电解制氢（SOE）技术等。

目前我国主流电解槽技术有：碱性电解槽、质子交换膜电解槽技术。

由于质子交换膜和铂电极催化剂等关键组件成本较高，导致质子交换膜电解槽的制造成本为相同规模碱性电解槽的3～5倍。因此我国以碱水电解制氢为主，已有数十年应用经验，技术相对更为成熟，质子交换膜纯水电解制氢在小范围内运用。

相对来说，质子交换膜电解槽技术具有反应无污染、槽体结构紧凑、运行更加灵活、更适合可再生能源波动性等优点，目前已有越来越多的新建绿电制氢项目开始选择使用质子交换膜电解槽技术，有加速赶超的趋势。

随着氢能源产业链商业模式逐步成熟，氢气需求的增加将不断提升质子交换膜电解槽的工作时长，会进一步实现质子交换膜电解槽成本的下降，叠加可再生能源电力成本的下降，最终质子交换膜电解槽制氢技术的成本会低于碱性电解槽。

因此未来电解水制氢成本的下降除了需要实现用电成本的下降外，还需要实现电解槽技术进一步突破，挖掘更低成本并能大幅商业化的电解槽技术。

一是高压气态储氢。主要通过储氢瓶或储氢罐存储气氢，是我国目前最为常见的储氢方式，技术更为成熟，从原材料到储氢瓶的发展上都呈现出日益完善的趋势。

具体来看，原材料方面，我国如碳纤维等高压储氢瓶的关键原材料的国产化程度在逐年提升。早期由于研发起步晚、原材料性能差等原因，碳纤维多以进口为主，但近年进口占比已从2015年的80%以上下降到2020年60%左右。随着国家对新能源、新材料的重视，未来碳纤维生产工艺的日臻完善、规模效应逐渐显现，碳纤维生产的单位成本逐年下降，其国产化还会进一步提速，我国气氢储能也将进一步发展，迸发出更加巨大的潜力。

氢储能众多技术并行，各有优劣，未来技术突破值得期待。具体来看，高压气态储氢具有成本低、充放气速度快和使用温度低等优点。但储量小、耗能大，需要耐压容器壁，存在氢气泄露与容器爆破等不安全因素的缺点也较为明显。液态储氢储量大，安全性更高但所需温度低，对储存容器要求高。未来高安全性、低成本、能实现长距离运输的储氢方式亟待开发，引领氢储能进入全面产业化时代。

氢燃料电池以氢为燃料，是将氢能转化为其他形式能源的关键，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，是氢能源下游未来最具爆发潜力的应用环节。

燃料电池从组成上分为电堆和支持系统两大部分，前者是核心动力组件，后者由空气压缩机、加湿器、燃料回路、空气回路等支持组件构成。

燃料电池工作时一般会经过如下三个过程，第一，进行反应的氢气先在气体扩散层内扩散；第二，氢气被催化剂层的催化剂吸附后离解；第三，氢离子从燃料电池的阳极通过质子交换膜到达阴极与氧气反应，电子通过外电路到达阴极产生电。只要向燃料电池的阳极和阴极持续供给氢气和氧气或空气，外电路就会持续产生直流电。

3.1 技术拆解：氢燃料电池看电堆，电堆关键看膜电极

燃料电池汽车由燃料电池电堆、驱动电机、动力电池和高压储氢罐等结构组成，相较锂电池汽车结构更加复杂。燃料电池可以应用在商用车和乘用车两类车中，其中包括大中型客车、叉车以及重型卡车等搭载乘客或运输货物的大、中型车辆，以及轿车、SUV以及轻型客车等小、微型车辆。

对比锂电池汽车，燃料电池汽车具备无污染、加氢快、续航里程长、电池使用寿命长等诸多优势。未来随着储氢和燃料电池技术的成熟，燃料电池汽车逐渐商业化，有望成为汽车电动化趋势的有效补充，成为第三次能源革命中的关键一环。

3.2 市场进程：先商用、后乘用，解决汽车电动化和智能化的耗电问题

未来汽车将迎来电动化、网联化、智能化和共享化的“新四化”浪潮，燃料电池汽车实行“先商后乘”的市场战略将成为汽车新四化的有利推手。

从汽车电动化的进程来看，商用车实现电动化一直是该领域存在的一大难题，商用车碳排放占比高、电动化水平低，2021年商用车新能源渗透率不足4%，远低于乘用车。究其原因，商用车自重大、有远途运输需求，对电池容量、续航、充电速度有较高标准；而动力电池早期能量密度小、充电速度慢、续航里程短，只能先在乘用车市场领域爆发，待成本下降、技术水平提升后才能慢慢拓展到商用车市场。因此动力电池渗透入商用车市场从而实现电动化还有待时日。

而燃料电池汽车则与锂电池汽车不一样，氢能重卡等商用车领域，被认为是国内燃料电池最先实现商业化的重点市场。在长途重载领域用氢能重卡逐渐替代传统的燃油重卡，已经逐渐成为行业共识。

目前燃料电池汽车的发展正处于产业的导入阶段，在更大型、渗透率更低的商用车市场进行发力将是燃料电池汽车产业短期内迅速发展、打开消费市场的关键。

一是政策上，提出实行先商后乘，降低成本，增加需求，从而拉动技术创新。具体来看，2022年3月，国家发改委联合能源局联合发布的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中明确指出：要重点推进氢燃料电池在中重型车辆方面的应用，有序拓展氢燃料电池在新能源客、货汽车市场应用空间，逐步建立燃料电池电动汽车与锂电池纯电动汽车的互补发展模式。

二是应用端，燃料电池应用于商用车可充分发挥自身优势。

第一，一方面商用车的体型更大，行驶相同的里程所消耗的更大能量所导致的尾气排放就越多，亟需进行动力系统的清洁化替代。另一方面，商用车增加了电池存放面积，适合解决早期燃料电池结构复杂、占位更大的问题。

由于燃料电池的峰值输出能力很差，只有额定规律而没有峰值功率。因此在启动或爬坡时，燃料电池就无法通过进行电机功率的调节来满足汽车的制动要求。在此基础上，燃料电池汽车除开储氢瓶和燃料电池电堆系统外，还需要再配备一套动力电池系统来满足汽车驱动对峰值功率的要求。燃料电池汽车的结构相较锂电池汽车更加复杂，增加的电池储存空间需求在较大型的商用车中得到释放，从理论上更具备替代的可行性。

第二，商用车行驶里程一般较长，氢燃料电池汽车行驶更长里程的经济性要优于锂电池汽车。一是氢能源电池车续航里程更长，可通过迅速加氢来实现燃料的补充，节约时间成本。二是燃料电池汽车可减少携带动力电池数量，只需少量电池和储氢瓶即可足够汽车长途行驶，节约动力系统材料成本。三是燃料电池的重量更轻，商用车便于装载更多货物以实现更低的运货成本。

第三，商用车的行驶路线通常都会提前规划，相对固定，加氢站在商用车频繁行驶的路段进行建设，解决加氢站覆盖焦虑问题。

从发展情况来看，根据中国汽车工业协会数据，2022年前8月燃料电池商用车销量达到1766辆，同比增长1.51倍。2021年氢能客车和氢能重卡的交强险上牌销量占比分别达到55％和41％。尤其是氢能重卡销量在2021年达到了779辆，同比增长42倍，占新能源重卡市场的份额从2020年的0.7%上升到7.46%。当前氢能源商用车正加快从示范运营到商业化落地，从产品导入期到行业成长期的转变。随着氢能源商用车的批量投用，产业链公司有望迎来新机遇。

从汽车智能化的进程来讲，燃料电池汽车实施先商后乘策略，从耗能更大的商用车降维到乘用车，将解决智能化时代更大的动力需求问题。

未来汽车进入智能化时代对电池能量密度和充放电能力的要求进一步提升，动力电池除了为汽车提供前进的动力外，还需要为智能化的感知系统(环境感知与定位)、决策系统(智能规划与决策)以及执行系统(控制执行)等三大核心模块提供运行的能量支撑。

因此除了期待动力电池能量密度、充电技术的进一步突破外，氢燃料电池技术也是解决汽车智能化时代电池问题的一大方案。一方面，储氢技术不断突破，未来或将出现更高压力、更轻质化的储氢瓶和新型车载储氢方式，为车辆提供更多系统动力支撑。另一方面，燃料电池汽车可通过三到五分钟快速充氢兜底，进一步解决汽车智能化时代的电池能量焦虑问题。

3.3 配套设施：加氢站是商业化进程的晴雨表

加氢站是燃料电池汽车补充燃料的场所，其建设进度与行业的发展程度息息相关。适度超前的加氢站建设在一定程度上将减少燃料电池汽车或相关产业由导入期进入到成长期的时间。

从全球加氢站的建设情况来看，我国加氢站建设走在全球前列，全球占比逐年提升。根据中国氢能联盟数据，全球在营加氢站2021年底达到659座，我国为183座，占比接近30%，位居世界第一。

4 趋势和展望：制氢低成本、储氢高技术，更多应用场景落地形成商业闭环

虽然氢能的商业化仍面临着多重阻碍，产业链各环节存在诸如用氢贵、储运成本高、相关核心部件依赖进口、加氢难等问题。但就目前来看，各项难题都取得了较大进展。

一是一方面煤制氢和天然气制氢叠加CCUS技术解决化石能源制氢高碳排放问题，工业副产氢等更低成本制氢方式兜底。另一方面，新能源发电成本已在不断下降，光伏发电实现与煤电平价，未来电解水制氢成本进一步下降将从原料端解决用氢贵问题。根据世界氢能理事会的预测，2030年全球范围内可再生能源电解水制氢的平均成本将降至2.3美元/千克，与2020年5.4美元/千克的水平相比下降超50%。而在一些风力、太阳能资源较好的地区，可再生能源电解水制氢的成本将低至1.4美元/千克，达到与化石能源制氢成本相当的水平。

二是储氢技术正不断突破，气氢上，储氢瓶原材料国产化进程加速，自身性能正在往高储量、轻质化的方向发展。叠加输氢管道里程扩张，解决氢储运成本高的问题。液氢上则逐渐过渡到民间使用，其他储氢形式也在开发应用窗口期。

三是我国加氢站建设走在全球前列。随着储氢技术进一步发展，油氢合建降低运营成本，加氢基础设施的扩张，加氢难的问题也会逐渐退出历史舞台。

未来重点技术路线迭代，氢储能和燃料电池重点应用场景将加速落地。

在氢储能方面，一是未来需开发更轻质化、更高储氢密度的新型储罐。二是进一步开发液态储氢和基于材料的储氢等储氢技术。两种或多种储氢技术在不同的领域和场景中互为补充，进一步提高储氢效率。三是继续寻找高储氢密度、高放氢效率、高氢气浓度的储氢方法。

在燃料电池方面，一是随着燃料电池电堆对重金属催化剂铂的用量减少，膜电极的国产化程度加深，氢能源汽车产业链将逐渐完善。行业发展从导入期过渡到发展期，量产下燃料电池成本将会大幅下降，燃料电池商业化应用可期。二是丰富拓展更多新能源商用车如氢能源叉车、挖掘机等场景。三是基于其优势，未来将不局限于在氢燃料电池商用车等交通运输领域，可拓展各大动力和发电端领域的应用。氢能源需求上升将进一步推动技术进步。

未来氢储能与燃料电池形成商业化闭环，多种应用场景和应用领域将持续拓展。例如，大规模的弃电或无法在当地消纳的电量可通过绿电制氢的方式存储，随后通过下游的燃料电池发电，调剂各地的发电和用电成本。可实现有效利用资源，保证各地绿色能源的经济性和充足性。