东芝探索“完美能源”：以可再生能源制取绿氢，全程零碳排

从发展趋势上来看，大家看到这个图还是比较令人震撼的，这是国际能源署IEA的预测。从2020年开始，传统汽柴油汽车的市场份额开始进入到下降的通道，新能源汽车，包括普通的混合动力汽车在未来应该说是市场份额持续扩大的趋势。右上角的这张表是我们的技术路线图课题组对未来形成的预测和判断，中国新能源汽车年销量的目标，2020年预计在200万辆的规模，到2025年是500万辆，到2030年是千万辆的市场销售规模。这是分阶段的技术发展目标和路径。从整车来看，主要的工作是降重量、降能耗、提高续驶里程，这是主线。对于插电式混合动力，最主要是降低油耗，这个油耗与以前提的油耗不太一样。以前提的都是综合油耗，把电耗和油耗折算在一起，现在提出来下一步要重点考核混动模式下的油耗，要真正检验插电式混合动力汽车的混合动力系统的技术水平，我们相应地提出了这样一些油耗指标的要求。对于电机，还是要提升比功率和比扭矩，对于电机的控制器要提升功率的密度。对于电池，我们有专门的电池的技术路线图的专题组，我们现在提的目标是到2020年单体比能量达到300瓦时/公斤，2025年达到400瓦时/公斤，到2030年达到500瓦时/公斤。我们目前的最好水平是180瓦时/公斤，到2020年要达到300瓦时/公斤，这个挑战非常大。对于成本，单体成本到2020年要降到1元/瓦时，系统的成本要降到1.3元/瓦时，2025年单体的成本要降到0.8元/瓦时，系统的成本要降到1元/瓦时。到2030年，单体的成本要降到0.6元/瓦时，系统的成本要降到0.8元/瓦时。成本要逐渐降低。燃料电池除了车之外，氢能也是非常关键的一个环节。到2030年基本上是采取了大规模的集中制氢和分布式制氢并行的技术方案。在2025年之前，大规模的集中制氢主要是焦煤气和驰放气这种技术方案制氢，2025年之后是大型煤制氢。对于分布式制氢，逐渐会引入可再生能源的分布式制氢。对于燃料电池整车的目标，从发动机来讲还是要提升功率的水平，轿车和客车都是逐渐提高。寿命方面，要从目前轿车和客车分别3000小时、5000小时要提高到5000-10000小时（2020年）。成本要有显著的下降。燃料电池方面需要做的工作，从材料、部件、发动机、动力系统到整车、氢能的利用，包括到规模化的示范，都需要完整的、全面的、系统的往前推进。

行业主要上市公司：美锦能源(000723)厚普股份(300471)中国石化(600028)卫星化学(002648)嘉化能源(600273)亿华通(688339)等

本文核心数据：氢能源板块上市公司研发费用氢能源相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“hydrogen

energy”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月17日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

氢能技术概况

1、氢能源的界定及分类

(1)氢能源的界定

氢能是氢在物理与化学变化过程中释放的能量。氢能是氢的化学能，氢在是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，储量丰富。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，随着世界范围内对绿色经济发展重视程度的提升，氢能源的需求和应用领域不断扩展。

(2)氢能源的分类

按照氢气的来源，通常将氢能源分为三类，即灰氢、蓝氢和绿氢。

2、技术全景图：四大环节构成

氢能产业主要由制氢、储氢、运氢、加氢和用氢四大环节构成。为发挥氢能重要能源载体作用，需大力推动氢能产业每个环节的技术发展。其中电解水制氢、液态/固态储氢、液态有机储氢、氢燃料电池等先进技术研究对氢能产业规模化应用具有重要意义。

氢能产业技术发展历程：始于上世纪50年代

中国的氢能与燃料电池技术研究始于上世纪50年代。20世纪80年代以来，相继启动了863计划和973计划，加速以研究为基础的技术商业化项目，氢能和燃料电池均被纳入其中。“十三五”期间，氢能与燃料电池开始步入快车道。2016年以来相继发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》、《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》、《中国制造2025》等顶层规划。2019年两会期间，氢能首次写入政府工作报告。2020年4月，氢能被写入《中华人民共和国能源法》(征求意见稿)。2021年，“十四五”规划指出要在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。2022年发布第一个氢能源专项规划——《氢能产业发展中长期规划(2021-2035

年)》，为中国氢能源产业发展作为指引。

氢能产业技术政策背景：政策加持技术水平提升

近些年来，我国提出了一系列氢能产业技术发展相关政策，包括氢气制备、储运、应用和燃料电池等关键技术，使得氢能产业技术水平稳步提升。

氢能产业技术发展现状

1、氢能产业技术科研投入现状

(1)国家重点专项

为推进氢能技术发展及产业化，国家重点研发计划启动实施“氢能技术”重点专项。2018-2022年，“氢能技术”重点专项数量逐年增加。2018年仅9项技术专项，到2022年，“氢能技术”重点专项围绕氢能绿色制取与规模转存体系、氢能安全存储与快速输配体系、氢能便捷改质与高效动力系统及“氢能万家”综合示范4个技术方向，拟启动24项重点专项。

(2)A股上市企业研发费用

目前，中国氢能市场正处于发展初期，行业整体研发投入水平不算太高。从A股市场来看，2017-2021年，我国氢能源板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，氢能源板块上市公司研发总费用约158.69亿元。

2、氢能产业技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从氢能相关论文发表数量来看，2010年至今我国氢能相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见氢能科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有80825篇氢能相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解氢能产业技术领域内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中最近5000条专利中最常见的关键词，其中，催化剂、燃料电池、制氢系统、电解水、电解槽等关键词涉及的专利数量较多，说明氢能领域近期的研发和创新重点集中于燃料电池和制氢等领域。

(3)专利聚焦领域

从氢能专利聚焦的领域看，目前氢能产业专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于催化剂、燃料电池、制氢系统、电解水、电解槽等。

注：图中格子数量表示每家公司的专利覆盖率，每个格子代表相同数量的专利。

主要氢能产业环节技术分析

1、前端制氢环节：可再生能源电解制氢是氢源终极方案

制氢环节技术主要包括化石能源制氢和可再生能源制氢。其中，利用化石能源制氢并未摆脱能源对石油、煤炭和天然气的依赖，仍会产生大量碳排放即使是加上CCUS捕集制备的蓝氢，一旦甲烷在制备过程中发生泄漏，对气候的影响比碳排放更大。而利用可再生能源进行电解水制氢，生产过程基本不会产生温室气体。

2、中端储运氢环节：固态储运安全性更好

储运氢气的方式主要分为气态储运、液态储运和固态储运。相比于气氢储运和液氢储运，固态储运在安全性方面优势明显。

3、后端加氢及氢燃料电池

(1)加氢：站内制氢成本优势大

加氢基础设施是氢能利用和发展的中枢环节，是氢能产业发展的核心配套设施。根据氢气来源不同，加氢站可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站。相较于外供氢而言，站内制氢能够大幅减小氢气的运输成本。

(2)氢燃料电池：质子交换膜燃料电池是主流发展方向

按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、硝酸型燃料电池、碳酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池是当前燃料电池的主流技术发展方向。

氢能产业技术发展痛点及突破

1、氢能产业技术发展痛点

(1)高成本是制约氢能大规模发展的关键

当前，经济性为氢能产业发展最大的挑战因素，即使是成本相对较低的氢气($0.5/kg)，除了转化成氨用作肥料以外，绝大多数氢能应用场景都比现有化石能源技术昂贵。解决氢能产业在绿氢制备、储运氢、加氢站建设、燃料电池电堆等关键环节的经济性问题，是未来氢能大规模发展必须要攻克的一道难题。

(2)制氢技术：先进电解技术发展不成熟

目前国内电解水制氢的成熟技术为碱性电解水制氢技术，碱性水电解槽难以响应瞬态负载，因而难以与波动大的可再生电力配合。另外，PEM电解水制氢技术也面临着匹配可再生能源电力而进行的电解槽设计、控制技术以及电源系统设计等尚不成熟的局面。

2、氢能产业技术发展突破

(1)先进电解技术：PEM电解槽设计改进突破

PEM电解槽设计改进策略方向包括更轻更稳定的端板和双极板、经济且耐腐蚀的集电器等。据Yagya N

Regmi博士的研究小组研究发现，PEM电解中发生不含铂族金属催化的析氧反应在短期内是无法实现的，因此，尽可能使铱的质量活性最大化才是目前的可行策略。

(2)氢能储运：固态储氢和潜液式液氢泵突破储运氢技术瓶颈

氢能储运技术突破在于提高储氢密度和安全性，以及降低运输成本。固态储氢是利用物理或化学吸附将氢气储存在固体材料之中。固态储氢具有体积储氢密度高、安全性更好的优势，因此是一种有前景的储氢方式。因此，固态储氢得到了越来越多的研究和关注，主要工作集中在储氢材料的研发与改性等方面。以氢枫能源的镁基固态储氢为例，镁基固态储氢具有资源、性能及技术优势。

液氢泵为液氢储运的重要部件，用于对液体氢气进行传输分配。从氢能全产业链来看，氢气输配成本和初始资本支出为降本的最主要环节。潜液式液氢泵取代了外置泵，减少了氢蒸发，去掉了气氢压缩机且用液氢的冷源省去制冷系统。此外，潜液式液氢泵大流量液氢泵直接加注，不用高压储罐，去除级联储存最终的结果是减少初始投资和运行成本，使氢气的售价与汽油、柴油比肩。

氢能产业技术发展方向及趋势：氢能各环节技术加快突破

氢能供应体系发展路径以实现绿色经济高效便捷的氢能供应体系为目标，中国将在氢的制储运加各环节上逐渐突破。从长远看，随着用氢需求的扩大，结合可再生能源的分布式制氢加氢一体站、经济高效的集中式制氢、液氢等多种储运路径并行的方案将会是主要的发展方向。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《氢能产业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。

我们来看看目前我国氢气生产的来源：

我国制氢原料中以碳排放最高的煤制氢为主，占比高达62%，其次为天然气重整制氢占比为19%，电解水制氢占比最少，仅为1%。

绿氢”的生产途径有哪些

我国目前氢能产业仍处于初期阶段，氢气主要以“灰氢”为主，在生产过程中会有大量的CO2排放，并不能算是清洁能源。最终阶段的氢气是“绿氢”，这类氢气是通过使用可再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气。

目前较为成熟的生产方式是：可再生能源发电进行电解水制氢：主要是利用风光发电制氢，在生产“绿氢”的过程中，能够实现完全的无碳化。水电解制氢主要原理为水分子在直流电的作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料不同，可以分为碱性水电解（AE）、质子交换膜（PEM）水电解以及高温固体氧化物水电解（SOEC)。

正在开展研究的未来可能的氢能生产方式有: 1，液氨制氢, 主要原理是利用液氨和钠单质反应生成氨基化钠，然后氨基化钠将分解成为氮气、氢气以及钠单质。2，生物制氢，生物法制氢是把自然界储存于有机化合物中的能量通过产氢细菌等生物的作用转化为氢气。生物制氢是微生物自身新陈代谢的结果。具体包括：光解水制氢，暗发酵制氢，光发酵制氢几种方式3，太阳能制氢，目前太阳能制氢技术实现的主要途径有光化学制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢等。4，核能制氢，核能制氢就是利用核反应堆产生的热作为制氢的能源，通过选择合适的工艺，实现高效、大规模的制氢；同时减少甚至消除温室气体的排放。

为加快我市能源结构转型升级，进一步支持和鼓励氢能产业高质量发展，结合我市实际，优化提升氢能产业链，积极发展氢燃料电池整车，提升关键零部件配套能力，构建稳定氢能供给体系。

着力提升氢供应保障能力，加快建设规模化制氢产业基地。充分利用现有化工企业副产氢资源提纯氢气，引导有条件的发电企业利用富余电能电解制氢，积极发展分布式可再生能源制氢，多渠道拓展氢源供应保障。

中国发展网讯 据国家发改委官网消息，中国国际工程咨询有限公司总工程师、正高级工程师杨上明发文解读《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》。杨上明表示，氢能来源丰富、应用广泛，具有绿色低碳特点，是业界公认能源转型发展的重要载体之一，对碳达峰碳中和目标实现具有积极支撑作用。此次印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》（以下简称《规划》），从国家层面为氢能产业打造顶层设计，明确氢能战略定位和发展目标，提出构建创新体系、基础设施建设、多元化示范应用、完善保障体系等重点任务，为加快推动能源革命、 科技 革命和产业变革注入了新动能。

氢能产业发展顶层设计出台正当其时

氢能被国际 社会 誉为21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢能 科技 创新和产业发展持续得到各国青睐。美国、日本等发达国家纷纷将氢能上升为国家战略，抢占产业发展先机和制高点。我国地方政府和企业也在积极推动氢能产业的发展，据行业机构统计，我国多地纷纷制定氢能产业相关规划、实施方案等政策文件，布局建设加氢站等基础设施，推动燃料电池车辆等氢能多元化应用。在氢能产业萌动之际，《规划》的出台符合业界期盼，为氢能 科技 创新和产业高质量发展指明了方向，将进一步彰显氢能作为可再生能源高效利用重要载体、抢占未来 科技 发展制高点重要抓手、推动工业低碳转型关键介质，对支撑实现碳达峰碳中和目标的重要意义。

碳达峰碳中和目标下氢能将在能源领域释放潜能

近年来，氢能在交通用能终端等领域热度不断上升，围绕燃料电池关键核心技术加速自主研发，以城市客运、物流等商用车型为先导逐步开展一定规模的示范运行。据有关报道，张家口市以服务绿色低碳冬奥为契机，积极发展以燃料电池 汽车 为代表的氢能交通系统，取得良好示范效果。同时，氢能作为跨能源网络协同优化的理想媒介，通过风-光-氢-储一体化发展，能够加快构建多能互补应用生态，提高可再生能源电力的上网质量和消纳水平，切实推动能源生产体系和消费体系绿色低碳转型。

《规划》提出了系统构建支撑氢能产业高质量发展创新体系、统筹推进氢能基础设施建设、稳步推进氢能多元化示范应用、加快完善氢能发展政策和制度保障体系等四项重点任务。在《规划》有序引导下，氢能正逐步成为储能、交通用能转型、工业化石能源替代等重点领域创新应用的有力抓手，将进一步拓展我国氢能发展的空间。

下一步要以《规划》为指引，科学推动氢能全产业链 健康 有序发展

氢能产业是面向未来的战略性新兴产业，需要充分发挥我国完整的工业体系和能源体系优势，坚持系统思维、久久为功，力争在全球 科技 革命和产业变革浪潮中占据主动、赢得先机。

一是加快构建低碳氢能供应体系。 建议从全生命周期视角评估氢能产业发展的经济与环境效益。近期因地制宜利用工业副产氢，在不额外新增碳排放的前提下，作为培育氢能产业的启动资源，就近供应交通、工业、建筑等领域应用。中远期加快发展规模化风电、光伏、水电等多种低碳能源制氢，提升制氢关键技术能力和装备制造水平，逐步完善分布式制氢管理体制机制， 探索 灵活的价格机制，将清洁低碳氢能打造成氢源的主要构成，从源头上保障氢能绿色低碳属性。

二是持续提升氢能储运设施效率。 我国西部地区可再生能源资源丰富，意味着可再生能源制氢资源也多分布于该区域，但氢能应用市场主要集中在东部沿海地区，长距离输运成本成为影响可再生能源制氢经济性的问题之一。研究制定安全经济的氢能储运管理规定，加速研发低温液氢、固态储氢、化学储氢等新型长距离储运技术和商业化应用，开展管道输氢示范，逐步提升可再生能源制氢规模化发展能力。

三是加快释放氢能多元应用潜力。 充分利用已有技术基础，发挥氢能高品质热源、高效还原剂、低碳化工原料等多重属性，推动氢能在交通、冶金、化工等领域替代化石能源使用，降低二氧化碳排放。同时，加快新型储能、分布式热电联供等核心技术自主研发，积极发挥氢能跨能源网络协同优化作用，稳步有序推进氢能示范应用，促进能源电力领域深度脱碳，实现全面绿色低碳发展。

因为直接用可再生能源发电导致电网的调峰压力非常大，巨大。弃风弃光弃水问题很严重。储能是提高电网调节能力的最佳手段之一。目前应用最多的是抽水蓄能，其次也有储热、电化学电池、压缩空气的各种技术路线。

本质上电制氢也是储能的一种。在电网下调峰能力不足的时候（即出现弃电的时候），将弃电部分用来制氢，或者在夜间负荷低的时候，用低价电制氢，在需要的时候，不管是发电还是直接燃烧，取用储存的能量。

用氢作为能源发电，两步过程中能量难免会有损失，但是其实仔细琢磨一下，还是可行的，主要是得采用廉价易得的电能来电解之制氢，像大规模的太阳能、风能都是很好的清洁能源。

提高电解制氢的效率后，能量从太阳能转移到氢能源里。由于氢气能量密度大，移动性好，不受天气影响，所以用氢气作为汽车的驱动能源还是很不错的选择，清洁环保。这其中最主要的还是得提高制氢的效率和氢转化为电和动力的效率。

可再生能源制氢的用处

可再生能源制氢有它的优势，采用了可再生能源，以风光水等等可再生能源为载体，以氢气作为一个二次能源的载体，在能源转型中可以和电力互为补充，以实现工业、建筑、电力、交通运输等产业互联。

目前广泛使用的氢源主来自化石燃料、电解水和化工副产氢。此外，生物质制氢、核能制氢和光催化制氢正在研究，还没达到工业化应用的水平。可再生能源制氢只能选择电解水制氢，化石燃料制氢和化工副产氢都是有碳排放的。