全球氢能产业发展战略与技术布局分析*

孙玉玲 胡智慧 秦阿宁 滕 飞，3 林汉辰

(1.中国科学院文献情报中心，北京100190；2.中国科学院大学图书情报与档案管理系，北京100190；3.中国石油大学(北京)，北京102249；4.上海亚化咨询有限公司，上海201206)

氢能是一种绿色、高效、应用范围广的二次能源。 与其它清洁型能源相比，除了清洁低碳无污染的特点，还具有来源广泛、灵活高效和应用场景丰富的优势。 不仅可由化石能源重整、生物质热裂解和微生物发酵制取氢；还可利用氯碱、钢铁、冶金等工业副产氢；而最有推广价值的是水电解制氢，特别是与可再生能源发电结合，可实现全生命周期绿色制氢。 氢广泛应用于能源、交通运输、工业和建筑部门。 与燃料电池技术结合在交通运输领域应用前景广阔，同时在大规模储能、发电和绿色化工原料等方面也起到重要作用。

早在20 世纪70 年代，日本和美国就开始探索氢能和燃料电池技术。 受传统化石能源价格波动以及气候政策不稳定的影响，历史上，氢能的发展并非一帆风顺，经历了三次波动。 近年来，燃料电池技术取得了重大突破性进展，氢能产业下游的应用潜力逐渐被开发。 同时，全球气候压力增大，世界正逐步失去《巴黎协定》的温控目标机会，各国加大了低碳和绿色转型发展的步伐。 发展氢能成为世界各主要国家的共识，目前氢经济的全球布局已经初步展开。 截至2019 年7 月，全球直接支持氢能的目标、任务和政策激励的国家约为 50 个(包括 11 个 G20 国家)。 仅2019 年，欧盟、韩国、日本、美国等纷纷规划或更新氢能发展路线图，澳大利亚还出台了氢能发展国家战略。

根据2017 年世界氢能委员会的预测，到2050年，氢能的需求将是当时的10 倍，氢能将占全球总能源消耗约20%，每年减排60 亿吨CO2，氢能产业链年产值将达2.5 万亿美元[1]。 中国是世界产氢量第一大国，据初步评估，现有工业制氢产能2500 万吨 /年。 2018 年，中国氢气产量约 2100 万吨[2]。 中国已具备一定氢能工业基础，但由于起步晚，新兴氢产业与发达国家存在一定差距。

21 世纪以来，氢能产业战略研究一直受到学术界广泛关注。 早在2006 年，张志强[3]等前瞻了氢经济社会的未来，并提出中国应确立氢经济发展的国家优先战略地位、制定战略规划等对策建议；朱晓宇(2011)[4]、潘颖(2012)[5]则分别对国际氢能研究的论文和专利进行了计量分析；凌文(2019)[6]针对中国氢能基础设施产业发展滞后的问题，针对体制保障与政策提出相关建议；邵志刚等(2019)[7]针对氢能和燃料电池产业，对比了主要国家基础研究、标准和商业化情况，提出中国的对策建议。 上述研究分别从经济、产业、技术等方面对氢能在中国的发展提出了对策建议，为后续更深入研究中国氢能产业战略和技术布局奠定了基础。 本文通过分析全球氢能产业战略发展脉络与技术发展格局，并从氢能产业链角度重点剖析中国氢能基础研究、技术储备与产业化水平在全球的差距与发展机遇，提出中国氢能产业发展的对策建议，供相关决策参考。

1 主要国家氢能产业战略布局与趋势

2000 年以来，世界多个发达国家/地区把氢能作为其能源体系中的重要组成部分，相继发布了氢能相关领域的发展战略规划和路线图，美国、日本、德国、韩国等发达国家更是将氢能规划上升到国家能源战略高度(图1)。

图1 2000 年以来世界主要国家/地区氢能战略与计划Fig.1 Hydrogen Energy Strategies and Planning of Major Countries/Regions Since 2000

1.1 美国重视氢能产业技术优势的建立和前瞻技术的掌控

美国是最早将氢能纳入能源战略的国家。早在1970 年就提出了“氢经济”概念。 2002 年，美国发布《国家氢能发展战略》，标志着美国氢能产业从构想转入行动阶段，此后美国陆续出台《氢能技术研究与开发行动计划》《氢立场计划》《氢与燃料项目计划》等[8]。 2003 年，以美国为首成立了氢能与燃料电池国际伙伴关系[9]，并建立全球“氢安全委员会”，设立氢安全知识工具平台[10]，旨在多方位引领全球氢产业发展。 自2004年以来，美国能源部平均每年投资氢能产业项目超过1.2 亿美元，通过一系列项目布局和持续投资，奠定了氢能产业关键技术的全球优势地位。

2019 年，美国氢能与燃料电池协会发布《氢经济路线图》[11]，重申美国将继续保持氢能领域技术优势地位；拟在交通、分布式电源、家用热电联产等多个领域扩大氢能在美国的规模化应用；提出2030 年达到530 万辆燃料电池车和5600 个加氢站的宏伟目标。

1.2 日本致力于构建氢社会，大力推动氢能产业下游规模化和多元化利用

日本是目前全球氢能应用开发最全面和最坚定的国家。 早在20 世纪70 年代就开始氢燃料电池技术探索。 2014 年在《能源基本计划》中将氢能定位为与电力和热能并列的核心二次能源，并提出建设“氢能社会”的愿景。 先后发布《日本再复兴战略》《能源基本计划》《氢能基本战略》等相关文件，规划了实现氢能社会战略的技术路线，建立了全球领先的产业技术和能力储备，氢能应用场景广泛，涉及交通、家庭供电以及工业原料。 2019 年日本第三次修改《氢能及燃料电池战略发展路线图》[12]，提出了到2025 年全面普及氢能交通，实现氢能发电商业化，大幅降低氢能各个环节利用成本的目标和技术创新方向。

基于国内成熟的氢能产业发展基础，日本正致力于开拓国际市场和争取国际话语权，例如公开专利技术、主导制定国际标准、开展国际氢贸易以及组建国际氢能和燃料电池技术合作联盟等。 日本于 2018 年 10 月发布《东京宣言》[13]，提出要开展技术合作并协调法规、规范和标准的统一；促进氢能安全和基础设施供应链等方面的信息共享；研究和评估氢能在各领域的潜力；开展关于氢能的培训和推广。

1.3 欧洲将氢能作为能源转型和低碳发展的重要保障

欧洲在氢能产业化推广过程中，强调氢能在工业和交通中的脱碳作用，作为低碳发展的保障。 德国氢能产业战略重点在氢能基础设施建设和燃料电池组件技术。 2006 年启动氢和燃料电池技术国家创新计划(National Innovation Programme Hydrogen and Fuel Cell Technology，NIP)[14](2006—2016 年)，该计划的实施让德国成为继日本和美国之后第三个氢气供应和基础设施制造大国，在加氢站领域奠定了世界领先地位。 二期(2016—2026 年)[15]持续获得15.6 亿美元公共基金资助。 法国旨在利用氢能实现环保转型，并使法国在氢能利用方面成为世界领先国家。 法国于2018 年发布《氢能利用计划》[16]，主要围绕实现工业用氢的去碳化、提高利用氢能储存可再生能源的能力、研究利用氢能实现交通零排放的方案三项目标进行布局。 自2019 年起，法国环境与能源管理署开始负责该计划的落实，初期投资为1 亿欧元(约1.11 亿美元)。

2019 年2 月，欧洲燃料电池和氢能联合组织(Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking，FCH-JU)出台了面向2030、2050 年的氢能发展路线图《欧洲氢能路线图:欧洲能源转型的可持续发展路径》[17]，指出氢能是欧洲实现脱碳目标必不可少的因素，氢能将在建筑、交通和工业大规模脱碳中发挥作用，预测到2050 年，氢能将占欧洲能源总需求的25%。

1.4 韩国将氢能视为绿色增长战略的重要组成部分

2008 年以来，韩国政府先后实施“低碳绿色增长战略”“绿色氢城市示范”等项目，以绿色低碳城市发展战略推动氢能产业发展。 韩国拥有世界领先的氢燃料汽车和燃料电池相关技术，其发展战略是以氢能产业下游应用推动上游和中游研发。2019 年政府发布《氢能经济发展路线图》[18]，进一步将氢能产业新增为三大战略性投资领域之一，氢燃料电池汽车和燃料电池仍作为战略重点，提出到2040 年，普及发电用、家庭用和建筑用氢燃料电池装置。 未来五年拟投入600 亿韩元(约合5100 万美元)支持开发环保、高效制氢和稳定储氢的原创技术，另拟投资23.3 亿美元用于基础设施建设和燃料电池系统开发。 通过全产业链战略布局，旨在成为发展氢经济的领先国家。

1.5 中国重视氢能产业发展，多地布局氢能利用项目

2000 年以来，中国高度重视氢能的发展，在国家层面的多个规划和战略中提及发展“氢能与燃料电池技术”。 “十五”期间，国家863 计划“电动汽车”重大科技专项确定了以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”的研发布局，为中国电动汽车发展奠定了技术基础[19]。 国务院《能源发展战略行动计划(2014—2020 年)》把发展清洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向，氢能与燃料电池是能源科技创新战略重点之一[20]。 2019 年3月，氢能首次被写入中国《政府工作报告》[21]，明确将“推动充电、加氢等设施建设”。 截至2019 年底，全国已有30 多个省、市、甚至区级政府出台氢能产业或氢燃料电池车发展规划，同时给予加氢站建设与运营补贴、燃料电池车运营补贴，吸引了大量资本投入与企业布局。 多地争相规划与建设氢能产业园、氢能小镇、氢谷等。

2 全球氢能产业技术竞争格局

氢能产业链主要包括制氢、储运及氢能应用三大环节，每个环节都有很高的技术壁垒。 具体来看，产业链上游是氢气制备，主要技术方式包括化石能源重整制氢法、工业尾气制氢法、电解水制氢法以及新型制氢技术等。 氢气储运作为氢能产业链的中游，是氢能应用的核心保障，高压气态、低温液态、固体储氢材料储运以及有机液态储运等是目前主要储运技术。 产业链下游是氢能的应用，可应用于合成氨、炼厂石油和煤炭的深加工等石化工业以及加氢站与燃料电池等能源的多个方面，其中最具商业价值也是全球竞争最激烈的是氢燃料电池的应用。

2.1 技术发展趋势

氢能产业链上的技术布局对于抢占发展制高点具有重要意义。 本文以德温特创新索引(Derwent Innovations Index)数据库为数据来源，利用关键词和德温特手工代码(MC)组合构建氢燃料电池检索式(检索时间为2019 年 5 月 13 日，检索年限为1963—2019 年)，共计检出相关专利 78675 项。 从氢能产业主要国家的专利数量变化趋势看(图2)，主要国家日本、美国、德国、中国和韩国氢能产业上、中、下游专利布局差异较大。 在产业链上游制氢环节，日本和美国专利申请趋势较接近，2000 年后专利数量开始上升，2005 年日本专利数量达到最高点，之后缓慢下降，近五年下降明显，美国在2010年专利数量开始下降；中国制氢技术专利申请较晚，2005 年以后才逐渐有所增长，2010 年后突飞猛进，2016 年后专利数量超过其他四个国家之和；相比之下，德国和韩国制氢专利数量变化一直比较平稳，且数量偏少。 在储运氢技术方面，五个国家1980 年以来的趋势与制氢大致相同，日本在储运氢技术上投入研发较早。 在下游的主要应用质子交换膜燃料电池方面，日本自20 世纪70年代开始申请专利，2000 年后迅速增长，2004 年达到最高点1480 项，此后开始缓慢下降，其它4个国家在质子交换膜技术领域专利数量变化不大，中国近五年虽有所增长，但年度最大申请数量未超过500 项。 综上，从总体上看，氢能产业技术上、中、下游在2010 年后呈现专利申请下降的趋势，从市场来看，制氢的几条路线相对比较成熟，储运氢以气态和液态为主，市场化也比较成熟，但由于储运氢基础设施建设滞后，氢燃料电池车尚处于市场培育阶段，质子交换膜燃料电池技术应用有限等因素导致技术研发不够积极，近年来专利数量呈现下降趋势。 但在制氢和储运氢领域中国呈现出与其他四国相反的趋势，这表明，中国在上述领域投入研发较晚，但在积极布局和追赶。

图2 1980 年以来主要国家氢能相关专利数量年度变化Fig.2 Annual Number of Patents in the Field of Hydrogen Energy in Major Counties Since 1980

2.2 基础研究与技术储备

以Web of Science 平台的科学引文数据库(SCI)为数据源检索氢能产业论文相关数据，共计检出1900—2019 年论文76244 篇(检索时间为2019 年 5 月 20 日)。 论文与专利数据结合对比分析五个主要国家技术储备与基础研究实力(图3，表1)。 在氢能产业链技术布局方面，日本是产业技术的掌控者。 从专利数量看，氢能产业上游、中游和下游(质子交换膜燃料电池)Top10 专利权人中前三位均为日本企业。 三菱、松下、丰田等大型跨国企业在氢能全产业链进行布局，形成综合竞争优势。 在制氢领域，中国石化和中国科学院两家机构进入Top10 行列，而在技术密集的中下游环节，Top10 机构中仅中国科学院一家。这表明中国氢能应用技术开发不足，缺少具有国际竞争力的产业主体，产业链掌控能力十分薄弱。

从氢能产业技术的基础研究看，中国是氢能产业基础研究的领跑者，其次是美国。 中国的SCI 论文数量在五个国家中位列第一，占全球总发文量的33%。 发文前十位机构中的前三位均来自中国，分别为中国科学院、浙江大学和清华大学。

2.3 主要国家/地区氢能产业发展水平比较

通过战略引领、路线规划以及持续投资，主要发达国家在氢能产业发展上取得了实质性进展。

图3 全球主要国家氢能产业SCI 论文数量与专利数量对比Fig.3 Comparison of the Number of SCI Papers and Patents of Hydrogen Energy Industry in Major Countries

表1 氢能产业上、中、下游Top10 专利权人Tab.1 Top 10 Patentees of Upstream，Midstream and Downstream of Hydrogen Energy Industry

图4 主要国家加氢站、燃料电池车现有数量及规划Fig.4 Current Number and Planning of Hydrogen Refueling Stations and Fuel Cell Vehicles in the Major Countries

在制氢领域，已有多条成熟的技术路线，中国以煤为主，国外主要是天然气重整制氢，主要发达国家致力于探索“绿色”制氢(零排放)的低成本技术和模式。

在储运氢领域，日本、美国、欧洲国家氢储运产业化水平较高，气氢储运达70MPa，并且可以实现长距离液氢储运；中国气氢储运大部分停留在35MPa 水平，由于缺少相关标准和规范，液氢还不能上路。 美国、欧洲已分别建成2600km、1500km的输氢管道，其他国家/地区不足400km(中国仅100km)。 储运氢成为中国氢能产业“卡脖子”环节。

在氢能基础设施建设方面(图4)，主要发达国家发展目标明确，均规划了面向2025 年甚至2030 年的数量。 截至2018 年底，日本拥有全球最多的96 座加氢站，其次是德国和美国，2019 年底，国内建成运营加氢站58 座，规划和在建的84座。 氢能基础设施建设在提速，但国家层面的数量规划尚未明确。

在氢能产业连下游终端应用上，氢燃料电池及其在交通领域的应用最具发展潜力。 日本、美国、韩国均已研发出氢燃料电池车辆并投放市场，美国拥有世界上一半以上的燃料电池汽车，25000 辆燃料电池物流车[11]。 中国氢燃料电池汽车产业整体处于规划和起步阶段，与发达国家技术水平有一定差距，初步掌握燃料电池电堆与关键材料、动力系统、整车集成等核心技术，但产业技术与产品水平相对落后，一些关键零部件和材料仍依赖进口。

此外，发达国家仍在探索氢能在工业和能源中的多元化应用。 例如日本在家庭供电、德国在大规模储能应用方面发展势头良好。 日本、德国、瑞典等还在探索“氢能炼钢”项目示范，有望大幅降低钢铁产业CO2排放。

2.4 小结

综上，主要发达国家氢能产业相对成熟，尤其是日本和美国，产业发展水平领先，并且拥有较强的技术储备能力，占领了国际氢能产业关键技术的制高点。 氢能先行国家进一步致力于通过技术创新降低产业链各环节的成本，构建零排放绿色氢产业链、推进氢能大规模高效利用和多元化利用。 同时，建立氢能国际贸易，推动氢能国际标准体系的完善。 从技术布局看，中国的氢能基础研究和技术储备具有一定实力，但产业化水平较低，尚未建立完整产业链，关键设备与产品性能指标与发达国家差距明显，下游应用多数处于起步阶段，未形成规模化，储运氢成为下游大规模应用的瓶颈。

3 对中国氢能产业发展的启示和建议

随着全球气候压力增大和能源优化调整进程的加速，新能源的开发利用成为全球能源转型的战略选择。 而氢能利用是最重要的能源改革技术路线之一，不仅对于提高国家能源安全、优化能源结构具有深远意义，同时有助于促进深层次工业减排和刺激经济绿色增长。

与美国、日本持续性、科学规划的产业政策相比，中国氢能产业顶层设计仍显不足，氢能尚未被纳入能源体系管理，涉及氢能的发展规划分散在能源、交通、绿色产业等文本中，缺少统筹考虑氢能整个产业的全局性、持续性战略或计划。此外，中国氢能新兴产业处于起步阶段，存在产业发展水平较低、技术掌控能力弱、产业主体技术单一且竞争力不足、标准体系不完善等问题，严重制约氢能产业快速发展。 根据中国目前的问题提出如下发展建议:

1)强化顶层设计，研究制定针对氢能产业发展全局性的战略规划

在全球氢经济加速布局的大背景下，中国需要在新的国际形势下梳理和分析氢能产业亟待解决的问题。 当前，中国的氢能产业与国际先进水平仍然存在不小差距，靠市场机制无法完成产业的生态系统构建，需要政府、企业、研究机构等多方共同努力。 宜借鉴发达国家的历史经验和布局思路，制定符合中国国情的氢能战略或规划，加强顶层设计和区域协同，研究制定促进氢能产业发展和推广应用的工作方案，建立科学长效的产业激励机制，进一步明确国家战略导向。

2)产学研协同突破产业核心技术瓶颈，加快关键部件和设备的国产化进程

当前，中国氢能产业核心部件与设备大多依赖进口，这为产业持续健康发展带来风险。 2019年，中国已布局“可再生能源与氢能技术”国家重点研发计划，从技术布局对比看，中国氢能产业具备一定的技术储备能力，且基础研究实力强大，当前迫切需要提高技术与产业配套的试验能力，宜发挥中国氢能产业基础研究优势，集中产业上、中、下游优势科技和产业主体力量，在氢储运装备、燃料电池关键部件上尽快提高国产化水平。 长远来看，技术的创新突破是推动氢能产业可持续发展的核心动力，中国仍需持续投资关键技术研发，促进从基础研究、关键技术攻关、应用示范到产业化转化的创新能力提升，保障中国氢能产业核心技术全面和自主。

3)发挥可再生能源基础优势，发展“绿色氢经济”

2019 年，国际能源署、国际可再生能源署分别提到，到2030 年可再生电力生产氢气的成本将大幅下降(可能下降30%)，氢能将在全球实现大规模利用[22，23]，可再生能源制氢的“绿氢”将成为最主要的氢源。 发展“绿色”氢经济符合中国生态文明建设的要求。 中国已成为世界上可再生能源发电装机容量最大的国家，但与此同时，约有15%左右的可再生能源因不能并网而被浪费。消纳相对过剩的可再生能源制氢，不仅降低成本也更环保。 氢能市场发展远期(2050 年左右)，中国能源结构将从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多元格局，氢能未来发展空间广阔，除了供应国内，有望实现出口。

4)重视氢能产业下游多元化应用

在未来的低碳经济中，氢可以与电力一起发挥重要作用，具有提供交通运输、电力系统、供热和工业服务的多功能性。 世界能源理事会展望了氢未来应用的四种场景，即长期储能、从蓝氢到绿氢、大规模应用、燃料电池交通工具[24]。 当前，中国各区域规划中，绝大多数目标局限在加氢站设施和氢燃料电池车，较少在其他应用领域提出规划目标。 从全球氢能战略布局看，氢燃料电池及其在交通中的应用是全球关注的重点。与此同时，各主要国家也在拓宽氢能发电、储能和工业脱碳中的应用规模。 中国氢能产业整体处于起步阶段，应根据区域资源禀赋和经济情况发挥优势，扬长避短，加强区域协同发展和推动氢能多元化利用，避免同质化和低水平重复。

致谢：感谢中国科学院大连化学与物理研究所邵志刚研究员、俞红梅研究员、秦晓平高级工程师，中国科学院上海微系统与信息技术研究所吴铸研究员以及中科富海雷灵龙博士在氢能产业技术专利和论文检索中的帮助和支持！