氢燃料电池研究及发展趋势论文

近年来，随着氢能的能源属性日渐凸显，将氢能参照汽油等类似能源进行管理，还原其能源属性，完善标准体系和安全监管的呼声也越来越高。3月23日，业内期盼已久的氢能源属性在当日出台的《氢能产业发展中长期规划(2021 2035年)》中被明确，氢能也由此迎来了发展的风口。 熟悉氢能的人都知道，由于氢气被作为危险化学品列管，制氢和加氢装置只能建在化工园区内。化工园区通常地处偏远，不仅氢能用量有限，项目审批流程也很长，极大限制了氢能项目的布局和应用。从加氢站建设的角度来看，针对其安全距离的要求使得加氢站占地面积增加，导致土地成本飙升，这也使氢能难以大规模在城市核心区域布局。制氢和加氢的基础设施不足，直接制约了包括氢燃料电池 汽车 在内的氢能下游的推广应用，进而影响了氢能产业链的 健康 发展。 此次《规划》的出台，对氢能业而言无疑是“久旱逢甘霖”。《规划》指出“氢能是未来国家能源体系的重要组成部分”，首次明确了氢的能源属性，成为我国氢能产业发展的重要制度基础，并将对氢能产业发展发挥重要指导作用。清洁低碳氢能源的生产和使用也将成为“双碳”战略的重要实现路径。 氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。从全球来看，以燃料电池为代表的氢能开发利用技术取得重大突破，全球氢能全产业链关键核心技术趋于成熟，一些主要发达国家和经济体已将氢能视为能源转型的重要战略选择，不断拓宽清洁氢气供应的市场份额。 从国内看，我国是世界上最大的制氢国，年制氢量约3300万吨，其中达到工业氢气质量标准的约1200万吨。我国可再生能源装机量居于世界首位，在清洁低碳氢能源供给上具有巨大潜力。我国也已初步掌握了氢能制备、储运、加注及燃料电池开发等关键技术，还在部分区域开展了燃料电池 汽车 示范应用。 为拓展石油和化工行业氢能应用场景，中国石油和化学工业联合会在2021年就专门成立了氢能专委会，旨在立足氢能源，从六个方面重点促进我国氢能产业发展。一是深入了解氢能行业发展现状和亟待解决的问题，利用联合会平台及时发声，推动行业 健康 发展。二是促进氢能全产业链、上下游协同发展。三是推动氢能关键共性技术的研发、示范和推广。四是推动氢能产业标准的完善与应用。五是反映行业重大利益诉求。六是在国际合作、技术孵化、产融服务上下功夫。这些都与此次出台的《规划》内容不谋而合。 《规划》还明确提出，要围绕氢能高质量发展重大需求，准确把握氢能产业创新发展方向，聚焦短板弱项，适度超前部署一批氢能项目，持续加强基础研究、关键技术和颠覆性技术创新。石化等相关行业要聚焦关键核心技术、聚焦创新支撑平台、聚焦专业人才队伍、聚焦国际合作机遇，建立完善更加协同高效的创新体系，不断提升氢能产业的竞争力和创新力。 相信有国家对氢能发展的顶层设计和相关行业协会的群策群力，氢能产业一定能抓住 历史 机遇，走上 健康 发展的新征程，助力“双碳”目标如期实现。 (朱良伟为中国石油和化学工业联合会国际交流和外企委员会副秘书长)

据《日本经济新闻》报道，曰产公布中止与戴姆勒公司及福特 汽车 联合开发燃料电池车的方案，将能量集中化与发展趋势电动式 汽车 。以前遭受热捧的氢燃料电池技术性，在其本营日本国遭受了发展趋势阻拦。就连丰田都没法明确氢燃料电池能不能变成将来流行，大部分 汽车 企业全是战略科学研究和试产，保证 关键技术领域不脱队罢了。

氢燃料电池缺点

最先，氢的贮运较难： 由于氢分子是最少的分子结构，再密闭式的器皿也难保不容易轻度泄露，仅仅能够操纵到泄露量几乎为零，不危害应用。可是所投入的成本费是极大的。压力容器成本费也不低，我觉得有关科学研究原材料觉得髙压氢罐最少要做35MPa，丰田用的是70MPa三层构造。除开压力容器之外，与氢罐连接的闸阀、管道等规定也比别的燃料高得多。使用期限不太清晰，但可能维修保养成本费要高许多 。

第二，铂金属催化剂成本增加： 三元锂电池常用的金属催化剂原材料里边，主要是镍钴锰（NCM）或镍钴铝（NCA），实际上钴的使用量是非常少的（占有率10%上下），但如今钴的价格一路暴涨。关键缘故便是锂电生产量极大，因此 就算单独充电电池钴的使用量非常少，但吃不住充电电池多。因此 大伙儿都是在往无钴充电电池方位科学研究。氢燃料电池里边我看到一些毕业论文也在科学研究取代铂的金属催化剂，终究铂太贵了，比钴贵得多，这或是现阶段使用量不大的状况下。倘若氢燃料电池很多生产制造，那铂的价钱不清楚要高去哪里了。

第三，电力能源成本费也高： 例如车用汽油的热值是，天然气（甲烷气体）的热值是78MJ/Kg，氢气的热值是，如今汽油油价依照7元每升测算好啦，1公斤元（依照92汽油相对密度测算），天然气价钱依照商业气价钱元一立方米，1公斤元（依照天然气测算），氢气价钱1公斤40元，依照等比热值测算，车用汽油每MJ热值成本费0.两元，天然气每MJ热值成本费元，氢气每MJ热值成本费元。 注：氢燃料电池实际上不可以依照点燃热值测算，但为了更好地以便比照，这儿取的热值。

氢能的优点基本上仅有燃料电池这一个行业，在别的行业而言天然气（CH4）彻底能够完爆氢能。生产制造1立方氢气必须度电，每度电依照规范碳排放量大约，也就是1立方米氢气大概碳排放量是，而1立方氢气才90g。天然气是一次能源，造成全过程全是有机化合物化学变化，没有碳排放量，点燃时每Kg碳排放量是，也就是每90g的天然气碳排放量是。90g氢气的热值是，90g天然气热值是7MJ。 那麼同样热值下氢气的碳排放量是天然气的16倍 ，何况汽化的氢气的温度比天然气低，存取时间比天然气低，就代表着氢气的贮运成本费比天然气高

如出一辙，福特 汽车 汽车 也在6月13日也公布申明称，其与戴姆勒公司坐落于大不列颠哥伦比亚省本那比的燃料电池合资企业将于2018年夏天关掉。但是，吵吵闹闹乃店家在所难免，那里忙着提出分手，这里奥迪车和当代公布达到专利权交叉式授权文件，将合作开发氢燃料电池 汽车 。

对比纯电动车 汽车 的关键技术，为什么氢燃料电池 汽车 在国际性上引起了这般大的异议？要处理这个问题，不但要了解氢燃料电池从技术上的难题和挑战，也要掌握世界各国政府部门在促进该技术性身后的动机。 实际上较大的难题无非便是关键技术缺陷和昂贵成本费无法大规模营销推广。

实际上新能源燃料销售市场或是有新的技术性商品不被大伙儿掌握，今日告知大伙儿一种在新能源燃料销售市场实际效果非常好的新型燃料--较高能汇聚油。 它是一种没有一切醛类的绿色植物类和矿物质类原材料生成的清洁燃料， 关键适用家中餐饮店院校加工厂饭堂加热炉等层面，具备非易燃易爆物品用火点不燃非危险品的安全性特点，无毒性没害点燃无烟无味，点燃合理性比照传统式天然气，酒精类燃料也是有非常非常好的出色型，热值达到10000--13000卡路里，价格实惠具备竞争能力。

现阶段酒精类燃料和天然气类然料由于安全性和环境保护层面的难题，我国监管现行政策趋于紧张，多地颁布严禁和限定对策。因此 新能源技术无醇燃料品牌优势凸显，如今和能够预料的未来会变成燃料销售市场的主要产品，有新能源燃料创业计划的盆友何不关心掌握这款新型燃料商品。

曰产为什么不干氢燃料电池

二战前后左右，没有丰田没有广州本田，曰产才算是日本国的大儿子，十分强劲。之后2000年上下，丰田和广州本田也起来了，曰产贴近倒闭。1999年，戈恩接任时，曰产 汽车 经营规模松垮、高效率不高、管理方法不当，承受170亿美金的负债。与之对比，丰田不但销售量蒸蒸日上，两年前丰田发布的混动系统THS也是确立它的信誉。

日本的政府也立在丰田一边，公布 汽车 国家产业政策是：丰田 汽车 要做的便是加强在混合动力技术性上的优点，别的日本国 汽车 企业要做的便是学习培训丰田的混合动力。但是，戈恩并不是那类想要认输的人，他让曰产 汽车 挑选与日本的政府唱反调：你让我跟丰田学混合动力，我偏不。随后它搞出以前销售量最大的纯电动车 汽车 ：日产聆风LEAF。

换句话说： 若第一名丰田大力推广混合动力，则追赶者曰产挑选别的线路 ，那便是纯电动车 。若第一名丰田大力推广氢燃料电池，则追赶者曰产挑选别的线路，那便是 Zero Emission曰产纯电、VC-Turbo超变擎和e-POWER混合动力等。由此可见，曰产挑选终止氢燃料电池是一种日本和服逻辑性的公司经营战略：

在竞争策略上：追赶者要挑选不一样的关键技术。在公司设计风格上：Zero Emission曰产纯电、VC-Turbo超变擎、e-POWER混合动力，全是“大好脑洞大开”的技术性；不动基本路，是曰产 汽车 的设计风格，一时变不上。在资源资金投入上：另外搞了纯电、 汽车 发动机、混合动力，再搞氢燃料电池，确实搞没动了。因而，曰产终止氢燃料电池开发设计，大量是曰产 汽车 的竞争策略，彻底不可以作为否认氢能的关键技术的事实论据。

氢能管理体系遮盖源网荷储

用以交通出行仅仅一个细分化行业，不可以意味着氢燃料电池未可以说，氢能是未来新能源管理体系的关键组成，我们不能独立地从氢能源车看来氢燃料电池发展趋势，要立在电力能源管理体系向清理低碳环保安全性高效率转型发展的大情况出来考虑到。氢燃料电池与电磁能一样，归属于二次能源，但但凡二次能源，就会有“源网荷储”四个行业必须一同发展趋势。源：氢气是怎么造成的，包含电解水的绿氢，也包含能源化工的灰氢。网：氢气管道网或是液氢髙压气氢运送，加氢站等。荷：客户，包含氢能 汽车 ，化工厂、钢材冶金工业等。储：储气库。 在这里四个行业之中，仅有氢燃料电池 汽车 与一般普通百姓触碰更为密切，可是不意味着氢燃料电池 汽车 不行，氢能管理体系就不行。

即便是氢燃料电池， 汽车 不需要了，还可以做变大 ，还可以作为移动式的电力能源站，热冷电联供等。总而言之，氢燃料电池假如从商品和技术性方面看来，确实是个好的方位。仅仅万物复苏，密切相关，一环扣一环，人类 社会 便是个群居动物大生态，技术性中间推动和发展趋势也是遭受蝴蝶效应的危害，期待这一产业链可以尽早技术性提升和创建起来。

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($)，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》。