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碳中和目标是中国特色社会主义现代化强国建设目标的重要内容，对实现中国经济高质量可持续发展、应对全球气候变化、构建人类命运共同体都具有深远意义。由于中国资源禀赋特征，中国能源结构碳排放强度居高难下，这对碳中和目标的实现形成极大挑战。因此，实现碳中和目标的首要任务便是推进中国能源结构转型，构建多元化清洁能源体系。
氢能，来源丰富，质量能量密度高，使用过程环境友好，无碳排放，被标榜为21世纪的理想能源，被多个国家提升至国家战略高度。一方面，由于风、光等可再生能源的波动性导致其难以直接并网大规模利用，国家发改委明确将氢能纳入新型储能方式[1]，由可再生能源制取氢气，氢气再转化为终端能源，有利于促进可再生能源消纳[2]，加快能源结构绿色转型。另一方面，中国工业和交通业高度依赖传统化石能源，脱碳难度高。推行绿氢替代可促进绿色化工、绿色交通的发展，助力工业、交通业等碳密集行业实现碳中和[3]。
目前，中国将发展氢能与燃料电池写入政府工作报告，30个省级行政区将发展氢能纳入“十四五”规划。然而，由于氢能产业链长而复杂，且多项技术处于发展初期，成本居高难下，其未来发展存在争议。在“氢能热”的背后，资源零散、利用率低、重复建设等问题初露苗头。全国兴建氢能示范园区超过30个，对于氢能技术和产业的实际推动作用却与蓝图不符；个别地区光照年有效利用小时数不足1 000小时，却在规划中大力发展光伏制氢；部分地区对氢燃料在交通领域的渗透率乐观估计，氢燃料汽车和加氢站的规划建设数据超过实际需求。氢能技术存在多元化特征，如何把握氢能技术发展规律，在不同阶段、不同资源禀赋、不同供需条件下选择合适的技术布局，规划氢能发展路径，对保证氢能产业高水平可持续发展具有重要意义。
为促进氢能行业有序发展，本文将梳理中国氢能产业链各环节技术发展现状，分析各项技术的适用性和经济性，对中国氢能技术发展趋势进行定量化研究，为中国氢能产业的发展规划提供科学参考。
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氢能作为二次能源，必须从一次能源转换得到，再运输至用能终端，转化为电力、热能或机械动力。因此，氢能主产业链可概括为“氢气制取、氢气储运、氢气使用”三个环节。
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按照制取过程中的碳排放强度，氢气被分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢指由化石燃料重整制得的氢气，碳排放强度高，技术成熟，适合大规模制氢，成本优势显著，约占目前全球市场氢源供应的96%[4]。蓝氢包括加装碳捕集与封存（CCS）技术的化石能源制氢和工业副产氢，在灰氢的基础上碳排放量大幅降低。绿氢即可再生能源制氢及核能制氢，制氢过程中几乎不产生碳排放，是未来氢气制取的主流方向。但绿氢制取技术目前成熟度较低，技术成本高，推广应用仍需要时间。典型制氢技术的现状如表1所示。
氢气 工艺路线 技术成熟度 生产规模/
（标准立方米/小时）碳排放/
（千克CO2/千克H2）灰氢 煤制氢 成熟 1 000~20×104 19 天然气制氢 成熟 200~20×104 10 蓝氢 煤制氢+CCS 示范论证 1 000~20×104 2 天然气重整制氢+CCS 示范论证 200~20×104 1 甲醇裂解制氢 成熟 50~500 8.25 芳烃重整副产氢 成熟 — 有 焦炉煤气副产氢 成熟 — 有 氯碱副产氢 成熟 — 有 绿氢 水电解制氢 初步成熟 0.01~4×104 — 核能制氢 基础研究 — — 生物质制氢 基础研究 — — 光催化制氢 基础研究 — — 由可再生能源电解水制氢，能有效解决可再生能源消纳问题，是一条颇具前景的清洁能源技术路径。如何提升电解水制氢的效率，降低技术成本，是突破该项技术发展的关键。目前电解水制氢主要分为碱性电解水制氢、质子交换膜（PEM）电解水制氢、固态氧化物电解水制氢和阴离子交换膜（AEM）电解水制氢四种技术路线，其情况对比如表2所示。其中碱性电解水制氢技术成熟度最高，成本最低，但存在腐蚀问题，且启停响应时间较长，不适合波动性电源。质子交换膜电解水制氢目前已实现初步商业化，其响应速度快，能适应波动性电源，但成本较高，且中国在质子交换膜等核心技术上有待进一步突破。固态氧化物电解水制氢效率高，工作温度高，目前仍处于实验室阶段。阴离子交换膜电解水制氢结合了碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢的优点，成本较低，且能很好地适应波动性电源。该技术目前尚处于研发阶段，生产规模受到限制。
电解技术 碱性电解水制氢 PEM电解水制氢 固态氧化物电解水制氢 AEM电解水制氢 电解质 碱性水溶液 质子交换膜 固态氧化物 氢氧根离子交换膜 工作温度 70~90 ℃ 50~80 ℃ 700~850 ℃ 40~60 ℃ 电解效率 60%~75% 70%~90% 85%~100% 60%~75% 优点 技术成熟，成本低 安全无污染，灵活性高，能适应波动电源 安全无污染，效率高 使用非铂金属催化剂，能适应波动电源，安全无污染 缺点 存在腐蚀污染问题，维护成本高，响应时间长 质子交换膜等核心技术有待突破，成本高 工作温度过高，实验阶段，技术不够成熟 交换膜技术有待突破，生产规模有待提高 成熟度 商业化成熟 初步商业化 研发 研发 目前，中国氢气供给结构中约77.3%来自于化石能源制氢，21.2%来自于工业副产氢，仅1.5%由电解水制氢提供[12]。根据中国氢能联盟对未来中国氢气供给结构的预测，中短期来看，中国氢气来源仍以化石能源制氢为主，以工业副产氢作为补充，可再生能源制氢的占比将逐年升高。到2050年，约70%左右的氢由可再生能源制取，20%由化石能源制取，10%由生物制氢等其他技术供给[13-15]。
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几种典型制氢技术的成本，如图1所示。化石燃料制氢技术成熟度高，且已实现大规模生产，是目前成本最低的制氢方式。中国煤资源丰富，制氢成本低至6.8~12元/千克。由于中国天然气对外依存度高，因此天然气制氢成本相对较高。随着碳排放管控进一步严格，化石燃料重整制氢必须结合CCS技术使用，煤制氢成本将升至12~24元/千克。工业副产氢也是重要的氢气来源，需要纯化处理，成本略高于煤制氢。核能制氢尚处于研究阶段，成本区间较大。生物质制氢原料成本低，但氢气提纯难度较大，技术有待进一步成熟。电解水制氢由于电费成本和设备成本偏高，制氢成本高达22.5~33.6元/千克，远高于化石能源制氢和工业副产氢成本。然而，电解水制氢在消纳风、光等可再生能源方面具有巨大的潜力，被看作是未来主流制氢方式。
目前已有市场应用的电解制氢技术主要为碱性电解水和PEM电解水。其电解装置成本变化如图2a所示。碱性电解水技术相对成熟，国内技术成本低于国外水平，成本下降驱动力主要在于规模化生产以及可再生电力成本降低。PEM电解水装置需要使用稀贵金属和质子交换膜，国内技术水平与国外相比仍有差距，成本远高于碱性电解水装置。但随着技术进步，其成本下降空间较大。多家机构预测了可再生能源制氢成本变化趋势，如图2b所示。目前，可再生能源制氢成本远高于化石能源制氢；到2030年，绿氢相比灰氢可具有竞争力，尤其是在可再生资源禀赋好的地区；到2050年，绿氢方能具有成本优势。若考虑碳价或碳捕集技术成本，到2030年绿氢对比灰氢的成本优势即可凸显。
图 2电解水制氢相关成本变化预测（以2019年为不变价）
在氢气制取环节，氢气来源多样，需从资源禀赋、制氢成本、环境效应多方面综合考虑选择合适的制氢方式。得益于中国煤矿资源丰富和煤化工技术成熟，化石燃料制氢凭借成本优势成为目前的主要氢气来源。长远来看，化石燃料制氢必须加装碳捕集装置使用，方能满足碳排放要求，这将导致其成本升高，在供氢结构中比例逐步下降。可再生能源电解水制氢可实现净零排放，且随着技术进步和规模化生产，其成本有望进一步降低。到2030年可在资源禀赋好的地区与化石能源制氢形成竞争力，到2050年具备成本竞争优势，届时将成为主流制氢技术。此外，具备本地资源优势的地区，可以适当利用工业副产氢和核能制氢作为氢气来源。
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标准状况下，氢气的密度约为空气的1/14，因此其体积能量密度并不占优势[16]。按照美国能源部提出的商业化储氢密度要求，质量储氢密度需达到6.5 wt%（存储氢气质量占整个储氢系统的质量百分比），体积储氢密度达到62 千克/立方米[17]。此外，氢气分子尺寸小，易泄露，还可能引起氢脆和氢腐蚀问题[18-19]，对储存容器要求极高。此外，氢气是易燃易爆气体，其燃点为574°C，爆炸极限广至4%~75%，安全问题极为重要。因此氢气的储运具有一定难度，但也是保证氢气安全且经济化应用的关键[20]。
储氢技术分为两个方向：物理储氢和化学储氢[21-22]。物理储氢主要包括常温高压储氢、低温液化储氢、低温高压储氢和多孔材料吸附储氢；化学储氢主要包括金属氢化物储氢和有机液体储氢。几种典型储氢技术性能对比如表3所示。高压气态储氢设备便捷，已成熟商业化，然而储氢密度低，且存在泄露安全隐患，长期来看不是储氢技术优选方案[23]。低温液态储氢需将氢气液化储存，可以大幅提高储氢密度，然而液氢储存能耗和成本较高[24]。欧美和日本的液氢储运技术已成熟商业化，而国内受核心技术和高成本限制，液氢仅应用于航天领域[25]。低温高压储氢技术相较于高压气态储氢提高了储氢密度，相较于液态储氢降低了能耗[26]，不过目前尚处于研发阶段。多孔材料，如碳纳米材料[27-28]、金属有机框架物[29-30]等，比表面积大，可以通过范德华力吸附氢气，但是在常温常压下的吸附性能和储氢容量有待提高。一些特定金属、金属化合物在一定的温度和压力下能与氢气反应，生成金属氢化物，经加热重新释放氢气，如镁基合金、钛基合金、稀土系金属等[31-32]。固态金属储氢安全性高，能保持氢气高纯度，但吸放氢性能和循环使用性能有待改善。近年来，不饱和烃类有机溶液被看作是颇具前景的氢载体，通过加氢反应储存氢气，通过脱氢反应释放氢气，储氢密度高，且可以借助现有的液体燃料输运基础设施实现氢运输[33-34]。目前尚处于研发阶段，反应催化剂有待进一步优化，且脱氢后的氢气需要进一步纯化。
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要实现氢气跨空间使用，必须进一步优化氢气运输途径。当前三种主流的氢气运输方式为气管拖车、液氢槽车/船、氢气管网，其成本与运输距离的变化如图3所示。氢气长管拖车运输高压气体，灵活性高，但载氢量小，储氢密度低，存在高压危险。当运输距离较小时，气氢长管拖车较液氢运输具有成本优势。但随着运输距离增加，其运输成本快速上升，因此仅适用于短距离、小体量输氢。液氢槽车运输低温液体，其单次载氢量超过气管拖车的11倍，储氢密度能达到美国能源部提出的商业化要求，运输成本随运输距离变化基本维持稳定，适合远距离、中大体量运输。但是如何降低氢气液化功耗、减少运输过程中氢气损耗，有待进一步优化。氢气管网初始投资成本高，其输氢成本随运能的提升而降低，当运输体量达到一定规模方能凸显其经济性，且随着运输距离的增加输氢成本显著升高。因此，管网输氢适用于固定性的批量供氢线路。此外，借助成熟的天然气管网掺氢运输也是可选的输氢方案，可节省管网初期造价成本，在国内外均已有示范项目。鉴于氢腐蚀带来的安全问题，按目前技术水平，建议掺氢比例不高于20%[38]。固态储氢和有机溶液储氢运输方便，且储氢密度高，待技术突破，将大大降低氢气输运成本。
图 3不同输氢方式的成本与运输距离的关系①
在氢气储运环节，需要因地制宜，根据输氢体量和输氢距离选择输氢方式。短距离小体量运输宜选用氢气拖车，长距离运输宜选用液氢槽车或船舶，固定线路上大体量输氢宜选用管网运输。固态储氢和有机溶液储氢若能实现技术突破，将大大提高储氢密度，实现更安全、更便利和更低成本的氢气运输。
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氢气可以通过氢燃料电池或燃气轮机可转化为电能和热能，是高能量密度的能源载体；同时氢气也是重要的化工原料和还原气体，被广泛应用于各个领域。
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在交通行业，以氢燃料为动力，可以实现车辆使用端的零碳排放[39-41]。相比电动力，氢动力可以实现更长续航，在低温环境下有很好的适应力，同时氢气加注速度远高于充电速度。因此，氢动力在货用卡车、长途汽车应用中有着无可比拟的优势，氢动力叉车凭借其灵活性和快充性能已实现推广使用。氢动力飞机、氢动力船舶以氢代替传统燃油，在保证续航和载重能力的同时更加清洁环保，相关研究正在如火如荼进行中，目前全球已有少量示范案例。此外，氢动力在使用过程中仅产生水，且避免了噪音和高温的产生，是军事交通的优选动力来源。作为低温推进剂，液氢在航天领域已有多年应用历史。
关于氢能在交通领域的发展规划，目前主要聚焦于陆上车辆。本文将比较氢动力与燃油动力和电动力车辆的使用成本。车辆的全生命周期成本主要由车辆购置成本、动力燃料成本和车辆维护成本构成。
在氢燃料电池车辆购置成本中，氢燃料电池系统和储氢系统的占比超过50%，其余部分成本与动力燃料车辆和电动车辆相近。从2017—2020年，中国燃料电池汽车保有量增长了约2.9倍，氢燃料电池系统成本由13 000元/千瓦降低至5 000元/千瓦以下。目前，中国应用的储氢瓶中以35 兆帕 III型瓶为主，车用储氢系统价格约为5 000元/千克。目前中国氢能在交通领域已实现应用化的主要场景为客车。以10.5米客车为例，燃油客车购置成本为40万元，电动客车购置成本为74万元（价格信息来自中国政府采购网），而氢燃料电池客车购置成本为195万元[42]，远高于燃油客车与电动客车，现阶段仍需依靠政府补贴。但随着技术进步、生产经验累积与规模扩大，燃料电池系统和储氢系统成本将逐步下降，氢燃料电池车辆购置成本也将进一步下降。
氢燃料电池车辆的燃料成本即加氢价格，除氢气制取和储运环节外，氢气加注环节将增加用氢成本约14元/千克[8]。表4以30吨级重卡、客车、乘用车为例，对比了燃油车、电动车、氢燃料电池车在当前技术水平下的百公里耗能情况。按照当前加氢价格，氢动力的使用成本远高于燃油动力和电动力。图4展示了在不同交通工具应用中，燃油动力和电动力车辆的动力成本区间，以及在不同氢气价格下氢动力车辆的动力成本。当加氢价格小于45元/千克，氢动力技术在重卡领域与电动技术形成竞争力，在乘用车领域与燃油技术相比具有竞争优势；当加氢价格小于40元/千克，氢动力技术在重卡领域与燃油技术形成竞争力，在客车领域与燃油和电动技术形成竞争力；当加氢价格低于35元/千克，氢动力技术方能在乘用车领域与电动技术形成竞争力；当加氢价格低于20元，氢动力技术在三种车型领域应用相比起燃油技术和电动技术均具有竞争优势。②③
表 4不同动力燃料交通工具百公里耗能量
动力燃料 燃料单价① 百公里耗能量② 单位 30吨级重卡 客车 乘用车 燃油 6.76元/升（柴油）
7.08元/升（汽油）升 35~48 25~30 6.5~7.5 电 1~1.8元/千瓦时 千瓦时 200 120 20 氢气 50~80元/千克 千克 7~8 3.5~5 1 
图 4不同动力交通工具百公里动力成本
美国阿贡实验室[43]以轻型车为研究对象，对比了三种动力车辆的维护成本。其中燃油车辆的维护成本最高，电动车辆与氢燃料车辆维护成本相当，减少了机械运动部件和机油的使用，维护成本比燃油车辆低近40%。
综上所述，氢燃料电池车辆购置成本远高于燃油车和电动车，中短期内需依赖国家补贴。从燃料使用成本方面来看，氢燃料在重卡和客车领域更易具有竞争力，在乘用车领域需以低于35元/千克的氢气价格方能与电动车竞争。车辆维护成本在车辆生命周期成本中占比较低，尚不能凸显氢燃料车辆的优势。
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在工业领域，氢气是重要的化工原料，合成氨、合成甲醇、原油提炼等，均离不开氢气[44-45]。在电子工业中[46]，芯片生产需要用高纯氢气作为保护气，多晶硅的生产需要氢气作为生长气。目前国内多晶硅生产工艺中，氢气消耗量约为500~1 500 标准立方米/吨 Si[47]。随着信息技术和光伏产业的发展，电子工业对氢气的需求量持续增长。在钢铁行业，用氢气直接还原法代替碳还原法，是降低炼钢行业碳排放量的有效手段[48-49]，在国内外已有少量示范项目。然而，氢能炼钢需要大量氢气供给，这需要成熟且低成本的氢能供应链作为支撑，也需要相关技术和材料的突破。
电子工业使用高纯氢气，一般采用现场电解水制氢。化工行业用氢一般以煤或天然气为原料制取，部分使用工业副产氢，总体使用成本较低。据国际能源署统计[7]，中国以煤制氢为主要氢气来源，合成氨的平准化成本为274~575美元/吨，碳排放强度为3.85吨CO2/吨；合成甲醇的平准化成本为153~346美元/吨，碳排放强度为3.29 吨CO2/吨。为推动工业领域脱碳，用绿氢和蓝氢代替灰氢是大势所趋。若使用电解水制氢，则合成氨的平准化成本为232~1 834美元/吨，合成甲醇的平准化成本为225~1 289美元/吨。传统炼钢工艺采用焦炭为还原剂，炼钢成本为350~390美元/吨，碳排放强度高达1.6 吨CO2/吨[8]，使用纯氢气或氢气混合天然气替代焦炭有利于推进炼钢行业的节能减排。目前的试点和示范项目中，使用100%氢气直接还原炼钢，炼钢成本超过1 000美元/吨（资源最佳地区炼钢成本可低至462美元/吨）；使用50%氢气还原炼钢，则炼钢成本降低至490~860美元/吨[7]。因此，降低氢气的使用成本是推动绿氢在工业领域广泛应用的重要因素。
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除了交通行业和工业，氢气在其他行业也有巨大的应用潜力。在电力行业，氢能发电，可以用作备用电源、分布式电源、为电网调峰。在建筑行业，一方面，天然气掺氢用作家用燃料，可以降低燃气使用碳排放强度；另一方面，氢驱动的燃料电池热电联供系统，为建筑物供电供热，综合能源利用效率超过80%。在医疗领域，氢气也被证实有去除氧化基、治疗氧化损伤等疗效[50-51]。在食品工业，也常常用氢气实现油脂氢化，以提高油脂的使用价值[52-53]。
在建筑领域，氢气可代替或掺入天然气燃烧供热，也可通过氢燃料电池实现热电联供。以北京为例，目前终端居民天然气价格约为2.63元/标准立方米[54]，提供1 标准立方米天然气等值热量需要2.82 标准立方米氢气。因此当氢气价格低于10元/千克时，燃氢供热方能与天然气形成竞争力。小型氢燃料电池热电联供系统目前已在欧美、日本实现商业化应用，而中国小型氢燃料电池热电联供系统仍处于试点阶段，千瓦级系统的度电成本超过2元/千瓦时，在经济性方面具有很大的进步空间。
由此可见，氢气在多个行业具有广泛的应用前景。在交通行业，燃料电池系统和储氢系统的成本下降是氢燃料车辆推广的必要条件，氢气加注的价格和便利程度是影响氢动力技术扩散路径的重要因素。若加氢价格低于40元/千克，则氢动力技术有望在重卡和客车领域形成竞争力；当加氢价格低于35元/千克，氢动力技术方能在乘用车领域形成竞争力。在工业领域，氢气作为化工原料，在炼油、合成氨、合成甲醇等领域已有成熟广泛的应用，用绿氢逐步替代灰氢是下一步工业领域脱碳的关键途径。为实现钢铁行业脱碳，氢能炼钢替代焦炭炼钢正成为行业探索的热点。氢能炼钢技术可在资源好的地区先行示范利用，待技术成熟及绿氢成本降低之后再逐步推广。在不考虑碳排放成本的前提下，氢气在建筑行业难以替代天然气等常规的家庭燃料，但仍是良好的备用电源选择。
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氢能技术仍处于发展初期，长产业链及多元化技术增加了其发展不确定性，预估其技术成熟时间和发展路径对氢能产业布局意义重大。本文采用文献计量方法探究氢能技术研究现状，并通过技术生长曲线学习历史经验来预测未来发展趋势。在Web of Science Core Collection的SCI-E数据库内，分别以氢气制取、氢气储运和氢燃料电池为关键词，对氢能技术研究相关文献进行检索，具体检索条件如表5所示。
表 5文献检索条件
关键词 检索条件 文献总量 检索时间 氢气制取 Title=((hydrogen generation) or (hydrogen production) or (hydrogen evolution)
Web of Science categories=(chemistry physical or energy fuels or electrochemistry or materials science multidisciplinary or chemistry multidisciplinary or engineering chemical or physics applied or nanoscience nanotechnology or engineering environmental or physics condensed matter or green sustainable science technology or materials science coatings films or chemistry applied or thermodynamics or nuclear science technology)
Document type=(Article or Proceeding paper or review or letter)28 287 1900年1月1日—2021年5月13日 氢气储运 Title=(hydrogen and (storage or reservation or tank or container or pipeline or transport or transportation or liquefy or liquefaction or liquefied or compression or tube trailer or carrier)) 12 095 氢燃料电池 Title=((hydrogen and fuel cell) or PEMFC or SOFC or AFC or MCFC or PAFC) 7 411 根据文献累积发表数目，本文采用技术生长曲线法预测氢能技术发展阶段。如图5所示，技术生命曲线分为四个阶段：新兴期、成长期、成熟期和饱和期。新兴期，发文量较少，技术概念刚刚兴起；成长期，研究产出逐步增长，技术受到更多关注；成熟期，发文量快速增长，经过前期积累，技术已经日臻成熟，进入应用阶段；饱和期，学术研究热度降低，技术已经市场化应用。
图 5技术S曲线框架
选取全球、中国及美国2021年以前的文章发表数据进行Logistic函数拟合，拟合方法选择如下“S形”生长曲线模型[55]
$$ N(t) = \frac{{{N_{\rm{s}}}}}{{1 + \exp \left[ - \dfrac{{\ln (81)}}{{\Delta t}}(t - {t_{\rm{m}}})\right]}} $$ (1) 其中，NS为发文量的渐近极限值；Δt为发文量由NS的10%增长至90%所用时间；tm为发文量达到0.5NS时的时间点。
由“S形”成长曲线模型得到氢气制取、氢气储运和氢燃料电池相关主题累计发文量随时间变化关系如图6所示，并根据拟合结果得到各项技术的生命周期阶段节点，如表6所示。整体来看，中国各项技术兴起晚于全球水平，但后来居上，较全球更早达到饱和期。就氢气制取技术而言，中国于2023年进入成熟期，比全球早5年；于2031年进入饱和期，比全球早8年。美国在氢能制取技术领域市场化成熟较晚。在氢气储运技术领域，中国虽然起步较晚，但成熟期和饱和期的到来远早于美国和全球平均水平，预计2027年进入饱和期，届时市场应用成熟，比全球平均水平早25年。在氢燃料电池领域，美国技术领先，2019年就进入了饱和期，而中国2027年进入饱和期，比全球平均水平晚一年。为避免发达国家技术壁垒，中国需在氢燃料电池领域投入更多研究，赶超国际先进水平。此外，中国氢气制取技术领域的饱和期略晚于氢气储运和氢燃料电池技术领域，可投入更多力量以实现全产业链均衡协调发展。
图 6全球和中国氢能技术相关主题发文数量随时间变化关系及趋势预测
表 6氢能各环节技术生命阶段时间点
技术环节 区域范围 新兴期/年份 成长期/年份 成熟期/年份 饱和期/年份 饱和值/篇 N(t)≥1 N(t)≥0.1Ns N(t)≥0.5Ns N(t)≥0.9Ns N(t)=Ns 氢气制取 全球 1908 2013 2028 2043 106 484 中国 1985 2016 2023 2031 43 097 美国 1912 2010 2030 2050 12 471 氢气储运 全球 1901 2007 2030 2052 45 003 中国 1984 2004 2015 2027 5 032 美国 1919 1999 2025 2051 4 779 氢燃料电池 全球 1953 2001 2014 2026 9 373 中国 1996 2005 2016 2027 1 669 美国 1976 2001 2010 2019 1 142 -
除了氢能技术本身发展以外，氢能技术与其他低碳技术的互补和竞争作用也是影响其发展规划的重要因素。考虑到在不同应用领域氢能技术面临的低碳竞争技术不同，根据其成本变化和技术成熟度，在不同应用场合中的扩散途径将有所不同。国际氢能委员会分析了不同领域氢气与竞争技术相比具备竞争力的时间点，并按照氢气资源获取条件分为最佳和一般地区两种情况，如图7所示。
图 7氢能在不同应用领域具有竞争力的时间[56]
在交通领域，氢能的主要竞争技术为电动技术和生物燃料技术。电动技术可与电网联动发挥储能调峰功能，且充电站等基础设施更为便利，但电动技术存在续航短、充电时间长、低温适应性差等缺点，电池存在安全隐患。生物燃料可直接替代传统燃油，减少技术改造成本，适用性强，但运输仓储成本高，无法避免终端污染。对于运输量大、运输距离长的交通需求，如卡车、长途客车等，氢能技术更容易形成竞争优势。对于小型城市汽车（即乘用车），电动汽车技术成本更低，基础设施更为完善，因此优势更为显著。对于出租车车队和叉车，若使用电动技术，充电时间将大大压缩其营运时间，因此氢能技术相对更具竞争力。大渡船和航空工具行程时间长，燃料消耗体量大，燃料加注不便。生物燃料具有更高的体积能量密度，因此更适合用作大渡船和航空工具的动力燃料。
在电力和热力部门，氢能典型竞争技术为煤炭、天然气、沼气、热泵以及多种储能技术等。目前储能技术主要分为物理储能、电化学储能、热学储能、电磁储能。在物理储能方法中，抽水蓄能和压缩空气储能受地理环境限制，飞轮储能只适合短时储能；电化学储能成本偏高，资源规模和储能体量受限；热学储能需要使用高温热工质，应用场合和储能效率受限；电磁储能成本高，储能密度也有待提高。氢气可发挥规模化长期储能作用，突破储能技术瓶颈，且氢燃料电池可实现快速启停，用氢能发电作为备用发电机可以在近期内具备竞争力。在资源条件好的偏远地区，用氢能发电也独具优势。与技术成熟的煤发电和煤供热相比，直接用氢气进行规模化供热供电成本颇高，预计到2045年以后方能在一般条件地区具备经济型。在建筑物供电供热技术中，天然气掺氢技术可以大大节省氢气输运成本和设备使用成本，有望于2025年左右在一般条件地区具备竞争力。若新建输气网络，将大大增加氢气在建筑行业的使用成本，使之到2030年以后方能在一般条件地区具备竞争力。在建筑物供热领域中，热泵技术能源利用率高、成本低且环保安全，中短期内比氢能更具竞争力。
在工业领域，氢气是重要的化工原料和保护气，使用绿色氢能是工业领域重要的脱碳技术。对于合成氨和甲醇、炼油、生产玻璃和多晶硅，氢气使用都已成为成熟的且具有竞争力的技术方案。在炼钢行业中，用氢气直接还原代替焦炭还原将大大增加生产成本，预计于2033年左右在一般条件地区具备竞争力。
就氢能技术本身而言，在发展规划中应注重产业链各环节均衡发展。在氢气制取和氢气储运环节，中国技术发展均属于后来居上；在氢燃料电池领域，中国技术发展滞后于国际水平。氢气储运技术和氢燃料电池技术研究于2027年左右进入饱和期，而氢气制取技术于2031年左右方进入饱和期。需要说明的是，灰氢制取技术早已成熟应用，为获得价格可与灰氢相竞争的绿氢，需投入更多研究资源。就氢能综合应用而言，应考虑在行业中相对替代技术形成竞争优势，且依据当地资源优势因地制宜谋发展，可在资源禀赋好的地区先示范应用，再逐步推广。
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综上所述，氢能是一个综合性产业链体系。在氢气制取环节，目前仍以具有成本优势的煤制氢为主要方法，以此为基础促进氢能产业链其他环节的发展。同时需要通过产研结合，降低电解水制氢的技术成本，未来可再生能源制氢将成为主流制氢方式。在氢气输运环节，需根据输氢距离、输氢体量等实际情况选择合适的输氢方式。同时加强固态储氢和有机溶液储氢技术的研发，以获得更便利、成本更低的输氢方式。氢气在多行业有广泛的应用前景，但氢能在各行业渗透率基本都依赖氢气使用成本。在交通行业，可优先在重卡和客车应用中推广使用氢动力，待用氢成本降低至35元/千克以下，再在乘用车应用中推广使用氢动力。在工业领域，氢能作为化工原料应用成熟，下一步需实行绿氢替代灰氢，并在有条件的地区优先进行氢能炼钢示范应用。在建筑行业，氢能不具备经济性，但仍是备用电源的良好选择。本文通过文献计量分析法进行了氢能技术预见研究，可以看出中国氢能研发起步较晚，但增长迅速。氢能储运技术和氢燃料电池技术相关研究在2027年左右进入饱和期，氢能制取技术相关研究在2031年左右进入饱和期。为保障产业链均衡发展，需加快突破氢能制取技术，以期早日实现平价绿氢制取。同时，中国氢燃料电池技术发展滞后于全球平均水平，需加快技术攻关，以避免被发达国家制造技术壁垒。此外，本文分析了氢能在不同领域与替代技术的竞争关系，及其可能形成竞争力的时间。
总体来看，中国氢能发展趋势向好，地方政府和企业积极性较高，且技术国产化水平逐步提高，具有较大的资源和市场潜力，是构建现代化能源系统的重要环节。但在发展过程中，资源分散，重复建设现象初露苗头，为促进中国氢能产业高水平有序发展，提出以下两点建议：
第一，建立与健全相关顶层设计和标准体系。建立国家层面的氢能发展路线图，吸引良性资本市场支持，合理分配资源，加强技术短板环节投入，鼓励因地制宜和“先示范后推广”的发展理念，引导氢能行业有序发展，避免重复建设和盲目竞争。建立并健全氢气作为能源品的生产、储运、管理标准规范体系，完善涉氢系统的本征安全、主动安全和被动安全措施，确保氢能安全体系成熟完整。
第二，加强核心技术攻关，完善基础设施建设。推动产学研结合，增加良性国际合作，强化bob真人app下载，以问题为导向，加强核心技术攻关，以实现相关技术国产化。基础设施的普及程度与用氢终端的推广是相互依存的关系，但基础设施的不健全与用氢终端的发展相互掣肘。在具有用氢潜力的地区，需提前部署输氢管网、加氢站等基础设施。实现核心技术国产化和平价化、健全氢能基础设施，对于降低氢气使用成本、推广氢能应用具有重要作用。
Current Development and Prospect of Hydrogen Energy Technology in China
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摘要:氢能，作为清洁能源载体，将在应对气候变化中发挥重要作用。但由于氢能产业链长、技术多元化，“氢能热”的背后存在重复建设、无序规划等隐患，不利于氢能产业高质量可持续发展。通过梳理氢气制取、氢气储运和氢气使用三个环节的技术发展及成本特征，对比不同技术的优缺点，为氢能技术选择提供参考。通过文献计量法，对比全球、中国和美国在氢能制取、氢能储运和氢燃料电池技术领域的发展水平，为行业发展布局提供参考，并分析氢能在不同领域形成技术竞争力的时间。研究发现：氢气制取中短期内仍以化石能源制氢为主，到2030年之后，制氢文献研究渐近饱和期，可再生能源制氢可望与化石能源制氢在成本上形成竞争力。氢气储运方式多元化，需根据运输距离和输氢体量选择合适的输氢方式。在研究方面，需加强氢液化、固态储氢和有机溶液储氢技术的突破，相关文献研究将于2027年左右进入饱和期。氢气在工业、交通业、电热供应行业均有应用前景和减排潜力，但其渗透率取决于技术成本和与其他低碳技术的竞争力。最后，结合中国氢能发展现状与未来趋势，为推动中国氢能行业均衡、高水平发展提出政策建议。Abstract:Hydrogen energy, as a carrier of clean energy, which will play an important role in addressing climate change, has attracted wide attention in recent years. However, due to the long industry chain and technology diversification of hydrogen energy, there are potential risks of redundant constructions and disorderly planning behind “the trend of hydrogen energy”, which is unfavorable for the high-quality and sustainable development of hydrogen energy industry. In this paper, technological and economic features of various technologies in hydrogen production, hydrogen storage and transportation and hydrogen utilization were presented, and the advantages and disadvantages of different technologies were compared, providing a reference for the selection of hydrogen energy technologies. The development progress of hydrogen production, hydrogen storage and transportation and hydrogen fuel cell technologies in all countries, China and the United States was compared to provide reference for industry development via bibliometric method, and the schedules of when hydrogen energy technologies will become competitive in different fields were analyzed. The result shows that hydrogen production from fossil fuels would be the main hydrogen source in a short to medium term. Literature research on hydrogen production would get into the saturation period after 2030. At that time, hydrogen production from renewable energy is expected to compete economically with hydrogen production from fossil fuels. Hydrogen storage and transportation methods are diversified, so an appropriate hydrogen transportation mode should be determined by transportation distance and hydrogen volume. As for scientific research, it is necessary to make breakthroughs in the field of hydrogen liquefaction, solid hydrogen carrier and liquid organic hydrogen carrier, and relevant literature research would enter the saturation period at around 2027. Hydrogen has application prospect and emission reduction potential in industry, transportation, and electric heating supply, but its permeability depends on its technology costs and competitiveness with other low-carbon technologies. At last, based on the current and future development trend of hydrogen energy technologies in China, some policy proposals were put forward to promote the well-balanced and high-quality development of hydrogen energy industry in China.注释:1) 在输氢成本核算中，用电价格按0.6元/千瓦时计，车用油价按6.76元/升计。2) 燃料单价参考北京2021年7月12日车用燃料价格。3) 车辆百公里耗能量取市场上车辆的典型运行数据。
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氢气 工艺路线 技术成熟度 生产规模/
（标准立方米/小时）碳排放/
（千克CO2/千克H2）灰氢 煤制氢 成熟 1 000~20×104 19 天然气制氢 成熟 200~20×104 10 蓝氢 煤制氢+CCS 示范论证 1 000~20×104 2 天然气重整制氢+CCS 示范论证 200~20×104 1 甲醇裂解制氢 成熟 50~500 8.25 芳烃重整副产氢 成熟 — 有 焦炉煤气副产氢 成熟 — 有 氯碱副产氢 成熟 — 有 绿氢 水电解制氢 初步成熟 0.01~4×104 — 核能制氢 基础研究 — — 生物质制氢 基础研究 — — 光催化制氢 基础研究 — — 
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电解技术 碱性电解水制氢 PEM电解水制氢 固态氧化物电解水制氢 AEM电解水制氢 电解质 碱性水溶液 质子交换膜 固态氧化物 氢氧根离子交换膜 工作温度 70~90 ℃ 50~80 ℃ 700~850 ℃ 40~60 ℃ 电解效率 60%~75% 70%~90% 85%~100% 60%~75% 优点 技术成熟，成本低 安全无污染，灵活性高，能适应波动电源 安全无污染，效率高 使用非铂金属催化剂，能适应波动电源，安全无污染 缺点 存在腐蚀污染问题，维护成本高，响应时间长 质子交换膜等核心技术有待突破，成本高 工作温度过高，实验阶段，技术不够成熟 交换膜技术有待突破，生产规模有待提高 成熟度 商业化成熟 初步商业化 研发 研发 下载:
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储氢技术 高压气态储氢 低温液态储氢 固态金属储氢 有机溶液储氢 储氢密度/wt% 1.0~5.7 5.1~10.0 1.0~10.5 5.0~10.0 优点 技术成熟，成本低，充放氢快，工作条件较宽 储氢密度高，氢纯度高 不需要压力容器，氢纯度高 储氢密度高，成本较低，安全性较高，运输便利 缺点 储氢密度低，存在泄漏安全隐患 液化过程能耗高，易挥发，成本高 放氢率低，吸放氢有温度要求，储氢材料循环性差 副反应产生杂质气体，脱氢反应需高温，催化剂易结焦失活 应用情况 成熟商业化 国外商业化，国内仅航
空领域研发阶段 研发阶段 下载:
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表 4不同动力燃料交通工具百公里耗能量
动力燃料 燃料单价① 百公里耗能量② 单位 30吨级重卡 客车 乘用车 燃油 6.76元/升（柴油）
7.08元/升（汽油）升 35~48 25~30 6.5~7.5 电 1~1.8元/千瓦时 千瓦时 200 120 20 氢气 50~80元/千克 千克 7~8 3.5~5 1 下载:
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表 5文献检索条件
关键词 检索条件 文献总量 检索时间 氢气制取 Title=((hydrogen generation) or (hydrogen production) or (hydrogen evolution)
Web of Science categories=(chemistry physical or energy fuels or electrochemistry or materials science multidisciplinary or chemistry multidisciplinary or engineering chemical or physics applied or nanoscience nanotechnology or engineering environmental or physics condensed matter or green sustainable science technology or materials science coatings films or chemistry applied or thermodynamics or nuclear science technology)
Document type=(Article or Proceeding paper or review or letter)28 287 1900年1月1日—2021年5月13日 氢气储运 Title=(hydrogen and (storage or reservation or tank or container or pipeline or transport or transportation or liquefy or liquefaction or liquefied or compression or tube trailer or carrier)) 12 095 氢燃料电池 Title=((hydrogen and fuel cell) or PEMFC or SOFC or AFC or MCFC or PAFC) 7 411 下载:
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表 6氢能各环节技术生命阶段时间点
技术环节 区域范围 新兴期/年份 成长期/年份 成熟期/年份 饱和期/年份 饱和值/篇 N(t)≥1 N(t)≥0.1Ns N(t)≥0.5Ns N(t)≥0.9Ns N(t)=Ns 氢气制取 全球 1908 2013 2028 2043 106 484 中国 1985 2016 2023 2031 43 097 美国 1912 2010 2030 2050 12 471 氢气储运 全球 1901 2007 2030 2052 45 003 中国 1984 2004 2015 2027 5 032 美国 1919 1999 2025 2051 4 779 氢燃料电池 全球 1953 2001 2014 2026 9 373 中国 1996 2005 2016 2027 1 669 美国 1976 2001 2010 2019 1 142 下载:
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图(7)/
表 (6)
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