氫能研究報告2022：人類最清潔的能源解決方案

文：任澤平團隊

能源安全、能源清潔化是重大國家戰略。氫能源是21世紀最清潔能源，元素資源豐富、儲能時間長、能量密度大。未來氫能源行業的發展，要從上游制氫、中游儲運氫、下游應用氫等各環節持續突破。其中可以重點關注氫儲能和氫燃料電池這兩大極具爆發潛力的領域。

一是氫儲能兩大關鍵技術正在加速成熟，分別是：制氫、氫儲運技術。

制氫技術正在由化石能源制氫和工業副產氫向更清潔的電解水制氫方向過渡。綠電成本正在下降，電解槽技術往更適用清潔能源的質子交換膜方向迭代。未來，綠色能源電解水制氫實現與化石能源制氫平價可期。

儲氫技術正不斷突破。氣態儲氫方面，諸如碳纖維等儲氫瓶原材料的國產化進程加速，性能高、儲量大、輕質化。液氫儲氫和其他儲氫形式也進入應用窗口期，逐漸過渡到民間商業化使用階段。

未來的氫儲能，是最適合大規模、長周期的綠電存儲方案，可以彌補其他儲能形式的短板，將大量的棄風、棄光和棄電等進行儲能，成為繼抽水蓄能、鋰電池儲能后的又一主流儲能方式。

二是氫燃料電池，重點關注電堆、膜電極，氫能商用車滲透，加氫站。

在技術拆解上，電堆、膜電極是氫燃料電池系統的核心，成本占比高、技術難度大。可以說，電堆對于氫燃料電池汽車，就類似于現在動力鋰電池于新能源車的重要性。氫燃料電池看電堆，電堆關鍵看膜電極。

在市場進程上，氫燃料電池的應用領域眾多，包括發電、建筑熱電聯供等。交通運輸，將是氫燃料電池的關鍵核心應用領域，行業將“先商用、后乘用”式的發展。“先商用”，旨在可以有效解決商用車市場電動化滲透率不足的問題，全面加速各類汽車的電動化進程。“后乘用”，氫燃料電池車輕量化攜帶、高密度快充，長期將更大程度緩解汽車智能化耗電焦慮。

在基礎設施上，我國加氫站已經走在全球前列，油氫合建站將緩解大家的加氫焦慮。

從現在到未來，氫能源產業正走在發展的快車道上。放眼長遠，氫儲能與燃料電池形成商業閉環，將成為第三次能源革命中又一具有革命性力量的技術路線。

1 能源清潔化時代，最清潔的氫能突出重圍

2 氫儲能：大規模、長周期的綠電存儲方案

2.1?關鍵技術一：制氫技術

2.2?關鍵技術二：氫儲運技術

3 氫燃料電池：氫能源應用落地的關鍵抓手

3.1 技術拆解：氫燃料電池看電堆，電堆關鍵看膜電極

3.2 市場進程：先商用、后乘用，解決汽車電動化和智能化的耗電問題

3.3 配套設施：加氫站是商業化進程的晴雨表

4 趨勢和展望：制氫低成本、儲氫高技術，更多應用場景落地形成商業閉環

氫能源被譽為21世紀最清潔能源，氫氣可作為燃料，與空氣中的氧氣結合，釋放出不包含任何污染氣體的水蒸氣，是時下最熱門的二次能源之一，屬于第三次能源革命的重點技術路線和攻關方向。

氫能源產業鏈涉及多個行業多個領域，總體上可分為氫能源上游的供給和下游需求兩個方面。具體來看，氫能源產業鏈的供給端包括上游制氫、中游儲運氫和加氫站建設等三大環節；氫能源產業鏈的需求端則為下游氫能源的綜合運用環節。

“雙碳”承諾下，能源清潔化成為大勢所趨，氫能源產業鏈以其清潔化的優勢,正處于從導入期過渡到發展期的上升階段當中，迸發出巨大的潛力，未來有望在諸多清潔能源的技術路線中脫穎而出。

我國氫能源相關政策陸續出臺，產業鏈正在形成。2017年開始，《中國燃料電池汽車發展路線圖》、《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》陸續對氫能技術和產業路線作出指引。2021年，《2030年前碳達峰行動方案》、《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》、《“十四五”節能減排綜合工作方案》，對氫能全產業商業化發展規劃作出更高要求。

2022年3月，國家發改委和能源局聯合發布《氫能產業發展中長期規劃》，提出了氫能產業發展各階段目標：到2025年，基本掌握氫能源產業鏈相關的核心技術和制造工藝，可再生能源制氫量達到10-20萬噸/年，部署建設一批加氫站，爭取燃料電池車輛保有量約達到5萬輛，實現二氧化碳減排100-200萬噸/年。到2030年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系，有力支撐碳達峰目標實現。到2035年，形成氫能多元應用生態，可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升。

目前氫能源正處于爆發前夜，各環節技術正處于不斷突破和迭代的窗口期，商業化進程加速，應用落地情況振奮人心。有望成為繼光伏、風電和鋰電池汽車產業鏈后，5至10年內清潔能源中最具希望的領域之一。

長遠來說，氫作為世界上占比達到75%左右的元素，未來氫能可廣泛用于能源企業、交通運輸、工業用戶、商業建筑等領域，是實現我國能源清潔化的關鍵一環。氫能源既可以通過燃料電池技術應用于汽車、軌道交通、船舶等領域，降低長距離高負荷交通對石油和天然氣的依賴；還可以利用燃氣輪機技術、燃料電池技術以及氫儲能技術，應用于分布式和集中式發電，為家庭住宅、商業建筑等供暖供電。

氫儲能是一種依靠化石能源、電解水制氫，將其他形式的能量轉化為氫能的儲能形式。氫儲能以其清潔性和強大儲能特性，被視為未來能源革命的顛覆性技術方向，必然能在未來的儲能市場中占據一席之地。

相對于其他儲能方式，氫儲能具備諸多優勢。

一是氫能源可通過利用直流電，直接電解地球上及其豐富的水得到氫氣，原料簡單，沒有資源焦慮問題。氫能可作為有效媒介，將無法上網或難以利用的棄光或棄風資源儲存起來，解決新能源發電間隙性、隨機性導致的廢棄問題，成為新型電力系統的有效補充。

二是極強的時間和空間維度跨越性。光伏、風電與水電等新型能源發電存在季節性波動，如夏季雨水充足、冬季雨水稀少；夏季光照充足而冬季光照較少等。除了在季節上存在波動之外，新能源發電在空間分布上也極不均勻。以光伏發電為例，我國光照資源分布呈現出“西豐東貧”的格局。而從能源消費的格局來講，以“胡煥庸線”為近似分界線，我國中東部地區能源消費量占全國比重超過70%。在此基礎上，為保證能源消費量更大的地區新能源發電成本更低、用量更充足，長距離的能源資源運輸不可避免。

氫儲能具備更長的儲能時長以及極高的儲存容量，有望成為長時間、跨區域儲能的有效解決方案。在儲能時長上，氫儲能基本沒有剛性的儲存容量限制，可根據需要滿足數天、數月乃至更長時間的儲能需求，平滑可再生能源季節性的波動。在跨區域流動上，氫能的轉移更為靈活，其運輸不受輸配電網絡限制，可實現能量跨區域、長距離、不定向移動。

2.1?關鍵技術一：制氫技術

氫儲能技術的發展需要重點關注制氫技術和氫儲運技術兩大環節。在制氫環節上，當前化石能源制氫和工業副產氫占據主流。具體來看，我國制氫來源60%以上為煤制氫，19%天然氣制氫，18%工業副產氫，僅1%為電解水制氫。

但化石能源制氫、工業副產氫存在碳排放量高、氫氣純度低等缺陷。按照碳足跡的概念，目前氫能源的清潔性仍然是個偽命題。長期來看，電解水制氫仍然是最理想的制氫方式。隨著其技術和成本的不斷突破，未來將會形成光伏、風電，尤其是棄光、棄風以及棄電等清潔能源電解水制氫儲能的新能源產業鏈閉環。化石能源制氫和工業副產氫將會成為短期內氫能源走向完全清潔化的過渡方案。

未來通過綠色能源電解水制氫氣，是將其他形式能源轉化為氫能存儲的關鍵。在此環節中，一是需要重點關注制氫的用電成本，二是要關注電解槽技術的突破。

用電方面，電解水制氫技術通過向電解質水溶液中通入直流電，將水分解成氫氣和氧氣。從制氫總成本來看，整個制氫環節成本以電費為主，占比超過60%，是未來需要重點突破的環節。

電解技術方面，電解水制氫系統由電解槽、電力轉換模塊、水循環系統、氫氣處理系統等組成，其中電解槽是電解水制氫的核心部分，由槽體、陽極和陰極組成，多數用隔膜將陽極室和陰極室隔開。

制氫系統成本包含在電解水制氫總成本的固定成本范圍內，電解槽占制氫系統總成本的40%-50%。

由于純水的電離度很小，導電能力低，屬于典型的弱電解質，所以需要加入氫氧化鈉、氫氧化鉀等更強的電解質，以加強溶液的導電能力。因此根據電解質和隔膜的不同可分為堿性電解水制氫技術（AWE）、質子交換膜電解水制氫技術（PEM）以及固體氧化物電解制氫（SOE）技術等。

目前我國主流電解槽技術有：堿性電解槽、質子交換膜電解槽技術。

由于質子交換膜和鉑電極催化劑等關鍵組件成本較高，導致質子交換膜電解槽的制造成本為相同規模堿性電解槽的3～5倍。因此我國以堿水電解制氫為主，已有數十年應用經驗，技術相對更為成熟，質子交換膜純水電解制氫在小范圍內運用。

相對來說，質子交換膜電解槽技術具有反應無污染、槽體結構緊湊、運行更加靈活、更適合可再生能源波動性等優點，目前已有越來越多的新建綠電制氫項目開始選擇使用質子交換膜電解槽技術，有加速趕超的趨勢。

隨著氫能源產業鏈商業模式逐步成熟，氫氣需求的增加將不斷提升質子交換膜電解槽的工作時長，會進一步實現質子交換膜電解槽成本的下降，疊加可再生能源電力成本的下降，最終質子交換膜電解槽制氫技術的成本會低于堿性電解槽。

因此未來電解水制氫成本的下降除了需要實現用電成本的下降外，還需要實現電解槽技術進一步突破，挖掘更低成本并能大幅商業化的電解槽技術。

一是高壓氣態儲氫。主要通過儲氫瓶或儲氫罐存儲氣氫，是我國目前最為常見的儲氫方式，技術更為成熟，從原材料到儲氫瓶的發展上都呈現出日益完善的趨勢。

具體來看，原材料方面，我國如碳纖維等高壓儲氫瓶的關鍵原材料的國產化程度在逐年提升。早期由于研發起步晚、原材料性能差等原因，碳纖維多以進口為主，但近年進口占比已從2015年的80%以上下降到2020年60%左右。隨著國家對新能源、新材料的重視，未來碳纖維生產工藝的日臻完善、規模效應逐漸顯現，碳纖維生產的單位成本逐年下降，其國產化還會進一步提速，我國氣氫儲能也將進一步發展，迸發出更加巨大的潛力。

氫儲能眾多技術并行，各有優劣，未來技術突破值得期待。具體來看，高壓氣態儲氫具有成本低、充放氣速度快和使用溫度低等優點。但儲量小、耗能大，需要耐壓容器壁，存在氫氣泄露與容器爆破等不安全因素的缺點也較為明顯。液態儲氫儲量大，安全性更高但所需溫度低，對儲存容器要求高。未來高安全性、低成本、能實現長距離運輸的儲氫方式亟待開發，引領氫儲能進入全面產業化時代。

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氫燃料電池以氫為燃料，是將氫能轉化為其他形式能源的關鍵，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優點，是氫能源下游未來最具爆發潛力的應用環節。

燃料電池從組成上分為電堆和支持系統兩大部分，前者是核心動力組件，后者由空氣壓縮機、加濕器、燃料回路、空氣回路等支持組件構成。

燃料電池工作時一般會經過如下三個過程，第一，進行反應的氫氣先在氣體擴散層內擴散；第二，氫氣被催化劑層的催化劑吸附后離解；第三，氫離子從燃料電池的陽極通過質子交換膜到達陰極與氧氣反應，電子通過外電路到達陰極產生電。只要向燃料電池的陽極和陰極持續供給氫氣和氧氣或空氣，外電路就會持續產生直流電。

3.1 技術拆解：氫燃料電池看電堆，電堆關鍵看膜電極

燃料電池汽車由燃料電池電堆、驅動電機、動力電池和高壓儲氫罐等結構組成，相較鋰電池汽車結構更加復雜。燃料電池可以應用在商用車和乘用車兩類車中，其中包括大中型客車、叉車以及重型卡車等搭載乘客或運輸貨物的大、中型車輛，以及轎車、SUV以及輕型客車等小、微型車輛。

對比鋰電池汽車，燃料電池汽車具備無污染、加氫快、續航里程長、電池使用壽命長等諸多優勢。未來隨著儲氫和燃料電池技術的成熟，燃料電池汽車逐漸商業化，有望成為汽車電動化趨勢的有效補充，成為第三次能源革命中的關鍵一環。

3.2 市場進程：先商用、后乘用，解決汽車電動化和智能化的耗電問題

未來汽車將迎來電動化、網聯化、智能化和共享化的“新四化”浪潮，燃料電池汽車實行“先商后乘”的市場戰略將成為汽車新四化的有利推手。

從汽車電動化的進程來看，商用車實現電動化一直是該領域存在的一大難題，商用車碳排放占比高、電動化水平低，2021年商用車新能源滲透率不足4%，遠低于乘用車。究其原因，商用車自重大、有遠途運輸需求，對電池容量、續航、充電速度有較高標準；而動力電池早期能量密度小、充電速度慢、續航里程短，只能先在乘用車市場領域爆發，待成本下降、技術水平提升后才能慢慢拓展到商用車市場。因此動力電池滲透入商用車市場從而實現電動化還有待時日。

而燃料電池汽車則與鋰電池汽車不一樣，氫能重卡等商用車領域，被認為是國內燃料電池最先實現商業化的重點市場。在長途重載領域用氫能重卡逐漸替代傳統的燃油重卡，已經逐漸成為行業共識。

目前燃料電池汽車的發展正處于產業的導入階段，在更大型、滲透率更低的商用車市場進行發力將是燃料電池汽車產業短期內迅速發展、打開消費市場的關鍵。

一是政策上，提出實行先商后乘，降低成本，增加需求，從而拉動技術創新。具體來看，2022年3月，國家發改委聯合能源局聯合發布的《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》中明確指出：要重點推進氫燃料電池在中重型車輛方面的應用，有序拓展氫燃料電池在新能源客、貨汽車市場應用空間，逐步建立燃料電池電動汽車與鋰電池純電動汽車的互補發展模式。

二是應用端，燃料電池應用于商用車可充分發揮自身優勢。

第一，一方面商用車的體型更大，行駛相同的里程所消耗的更大能量所導致的尾氣排放就越多，亟需進行動力系統的清潔化替代。另一方面，商用車增加了電池存放面積，適合解決早期燃料電池結構復雜、占位更大的問題。

由于燃料電池的峰值輸出能力很差，只有額定規律而沒有峰值功率。因此在啟動或爬坡時，燃料電池就無法通過進行電機功率的調節來滿足汽車的制動要求。在此基礎上，燃料電池汽車除開儲氫瓶和燃料電池電堆系統外，還需要再配備一套動力電池系統來滿足汽車驅動對峰值功率的要求。燃料電池汽車的結構相較鋰電池汽車更加復雜，增加的電池儲存空間需求在較大型的商用車中得到釋放，從理論上更具備替代的可行性。

第二，商用車行駛里程一般較長，氫燃料電池汽車行駛更長里程的經濟性要優于鋰電池汽車。一是氫能源電池車續航里程更長，可通過迅速加氫來實現燃料的補充，節約時間成本。二是燃料電池汽車可減少攜帶動力電池數量，只需少量電池和儲氫瓶即可足夠汽車長途行駛，節約動力系統材料成本。三是燃料電池的重量更輕，商用車便于裝載更多貨物以實現更低的運貨成本。

第三，商用車的行駛路線通常都會提前規劃，相對固定，加氫站在商用車頻繁行駛的路段進行建設，解決加氫站覆蓋焦慮問題。

從發展情況來看，根據中國汽車工業協會數據，2022年前8月燃料電池商用車銷量達到1766輛，同比增長1.51倍。2021年氫能客車和氫能重卡的交強險上牌銷量占比分別達到55％和41％。尤其是氫能重卡銷量在2021年達到了779輛，同比增長42倍，占新能源重卡市場的份額從2020年的0.7%上升到7.46%。當前氫能源商用車正加快從示范運營到商業化落地，從產品導入期到行業成長期的轉變。隨著氫能源商用車的批量投用，產業鏈公司有望迎來新機遇。

從汽車智能化的進程來講，燃料電池汽車實施先商后乘策略，從耗能更大的商用車降維到乘用車，將解決智能化時代更大的動力需求問題。

未來汽車進入智能化時代對電池能量密度和充放電能力的要求進一步提升，動力電池除了為汽車提供前進的動力外，還需要為智能化的感知系統(環境感知與定位)、決策系統(智能規劃與決策)以及執行系統(控制執行)等三大核心模塊提供運行的能量支撐。

因此除了期待動力電池能量密度、充電技術的進一步突破外，氫燃料電池技術也是解決汽車智能化時代電池問題的一大方案。一方面，儲氫技術不斷突破，未來或將出現更高壓力、更輕質化的儲氫瓶和新型車載儲氫方式，為車輛提供更多系統動力支撐。另一方面，燃料電池汽車可通過三到五分鐘快速充氫兜底，進一步解決汽車智能化時代的電池能量焦慮問題。

3.3 配套設施：加氫站是商業化進程的晴雨表

加氫站是燃料電池汽車補充燃料的場所，其建設進度與行業的發展程度息息相關。適度超前的加氫站建設在一定程度上將減少燃料電池汽車或相關產業由導入期進入到成長期的時間。

從全球加氫站的建設情況來看，我國加氫站建設走在全球前列，全球占比逐年提升。根據中國氫能聯盟數據，全球在營加氫站2021年底達到659座，我國為183座，占比接近30%，位居世界第一。

4?趨勢和展望：制氫低成本、儲氫高技術，更多應用場景落地形成商業閉環

雖然氫能的商業化仍面臨著多重阻礙，產業鏈各環節存在諸如用氫貴、儲運成本高、相關核心部件依賴進口、加氫難等問題。但就目前來看，各項難題都取得了較大進展。

一是一方面煤制氫和天然氣制氫疊加CCUS技術解決化石能源制氫高碳排放問題，工業副產氫等更低成本制氫方式兜底。另一方面，新能源發電成本已在不斷下降，光伏發電實現與煤電平價，未來電解水制氫成本進一步下降將從原料端解決用氫貴問題。根據世界氫能理事會的預測，2030年全球范圍內可再生能源電解水制氫的平均成本將降至2.3美元/千克，與2020年5.4美元/千克的水平相比下降超50%。而在一些風力、太陽能資源較好的地區，可再生能源電解水制氫的成本將低至1.4美元/千克，達到與化石能源制氫成本相當的水平。

二是儲氫技術正不斷突破，氣氫上，儲氫瓶原材料國產化進程加速，自身性能正在往高儲量、輕質化的方向發展。疊加輸氫管道里程擴張，解決氫儲運成本高的問題。液氫上則逐漸過渡到民間使用，其他儲氫形式也在開發應用窗口期。

三是我國加氫站建設走在全球前列。隨著儲氫技術進一步發展，油氫合建降低運營成本，加氫基礎設施的擴張，加氫難的問題也會逐漸退出歷史舞臺。

未來重點技術路線迭代，氫儲能和燃料電池重點應用場景將加速落地。

在氫儲能方面，一是未來需開發更輕質化、更高儲氫密度的新型儲罐。二是進一步開發液態儲氫和基于材料的儲氫等儲氫技術。兩種或多種儲氫技術在不同的領域和場景中互為補充，進一步提高儲氫效率。三是繼續尋找高儲氫密度、高放氫效率、高氫氣濃度的儲氫方法。

在燃料電池方面，一是隨著燃料電池電堆對重金屬催化劑鉑的用量減少，膜電極的國產化程度加深，氫能源汽車產業鏈將逐漸完善。行業發展從導入期過渡到發展期，量產下燃料電池成本將會大幅下降，燃料電池商業化應用可期。二是豐富拓展更多新能源商用車如氫能源叉車、挖掘機等場景。三是基于其優勢，未來將不局限于在氫燃料電池商用車等交通運輸領域，可拓展各大動力和發電端領域的應用。氫能源需求上升將進一步推動技術進步。

未來氫儲能與燃料電池形成商業化閉環，多種應用場景和應用領域將持續拓展。例如，大規模的棄電或無法在當地消納的電量可通過綠電制氫的方式存儲，隨后通過下游的燃料電池發電，調劑各地的發電和用電成本。可實現有效利用資源，保證各地綠色能源的經濟性和充足性。

原文始發于微信公眾號（澤平宏觀）：氫能研究報告2022：人類最清潔的能源解決方案