2022年3月23日《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》發(fā)布，將創(chuàng)新擺在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心位置，同樣聚焦氫能制備、儲(chǔ)存、輸運(yùn)、應(yīng)用全鏈條關(guān)鍵核心技術(shù)，提升裝備自主可控能力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新鏈深入融合發(fā)展。
產(chǎn)業(yè)發(fā)展，技術(shù)先行。關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)是實(shí)現(xiàn)我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。
氫儲(chǔ)能技術(shù)
氫能產(chǎn)業(yè)以制氫、儲(chǔ)氫為發(fā)展前提。其中氫儲(chǔ)能技術(shù)是通過電解水制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來的儲(chǔ)能方式，包括電解水制氫、儲(chǔ)氫兩個(gè)環(huán)節(jié)，是目前眾多氫氣來源方案中碳排放最低的工藝。
利用可再生能源電解制氫是目前規(guī)?；迫【G氫的唯一方法。目前以可再生能源為主的能源轉(zhuǎn)型已初具規(guī)模，但由于以風(fēng)、光為主的可再生能源存在“間歇性”，會(huì)對電網(wǎng)造成沖擊，在大規(guī)模利用時(shí)較難平衡波動(dòng)的電力需求，因此，以穩(wěn)定的氫氣化學(xué)能形式儲(chǔ)存，被認(rèn)為是儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向。
電解水制氫具有工藝簡單、無污染、氫氣純度高等優(yōu)勢，能夠很好的與可再生能源結(jié)合，從而大幅度降低制氫成本。目前主要有三種方式，分別為堿性電解水制氫（AWE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）和固體氧化物電解水制氫（SOE）。
堿性電解水技術(shù)：堿性電解水技術(shù)是以KOH、NaOH水溶液為電解質(zhì)，采用石棉布等作為隔膜，在直流電的作用下，將水電解成氫氣和氧氣。其中，堿性電解槽是堿性水電解制氫的關(guān)鍵設(shè)備，由鍍鎳的鐵電極或鎳系金屬電極、石棉或聚酯系材料等多孔質(zhì)隔膜構(gòu)成。?
PEM水電解電解技術(shù)：用電流將水分解成氣態(tài)氫和氧，核心是質(zhì)子交換膜，質(zhì)子導(dǎo)電率高，透氣性低，在高電流密度（超過2A/cm2）、大功率輸入（瓦到兆瓦）和高壓下可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。
固體氧化物電解技術(shù)：高溫水蒸汽進(jìn)入固體氧化物電解槽后，在陰極處被分解為氫離子和氧離子，其中，氫離子得到電子生成氫氣，氧離子則通過傳導(dǎo)氧離子的固體氧化物電解質(zhì)到達(dá)陽極，生成氧氣。
在上述三種水電解方法中，堿性電解水制氫是目前規(guī)模最大、商業(yè)化程度最高、技術(shù)最為成熟的電解水制氫技術(shù)，在20世紀(jì)中期已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。然而其受限于電流密度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，導(dǎo)致其產(chǎn)氫速率低、與可再生能源適配性差；固體氧化物電解水制氫效率最高，但其所需高溫條件和啟動(dòng)慢等劣勢嚴(yán)重限制其應(yīng)用場景；質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、恒定電解質(zhì)濃度、波動(dòng)能源適應(yīng)性強(qiáng)、冷啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，在與可再生能源結(jié)合方面更具優(yōu)勢，因此是制氫的最佳結(jié)合方式，也是未來制氫技術(shù)的重要發(fā)展方向。
質(zhì)子交換膜是氫燃料電池最為核心的原材料之一，其功能是為質(zhì)子遷移和傳輸提供通道、分離氣體反應(yīng)物并阻隔電子和其他離子，其性能的優(yōu)劣直接決定著電池的性能和使用壽命。
在質(zhì)子交換膜的制備中，質(zhì)子膜按照含氟量可分為全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、復(fù)合膜等。目前全氟質(zhì)子交換膜是主流技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化程度較高，其穩(wěn)定性好、壽命長，應(yīng)用范圍廣泛，主要應(yīng)用在電解水制氫、燃料電池、儲(chǔ)能電池等領(lǐng)域，是主流的質(zhì)子膜技術(shù)。
目前，我國東岳氫能具有完整的全氟磺酸樹脂產(chǎn)業(yè)鏈，是繼戈?duì)?、科慕兩家外國企業(yè)之后國內(nèi)市場占比最大的企業(yè)，已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并批量供貨，具有規(guī)模化供應(yīng)能力，正投產(chǎn)150萬平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程，是全球少數(shù)能夠量產(chǎn)氫燃料電池汽車提供質(zhì)子交換膜的企業(yè)之一。
2021年12月，由國家電投建設(shè)的國內(nèi)首條全自主可控質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，各個(gè)環(huán)節(jié)不依賴國外零部件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化，打破了國內(nèi)質(zhì)子交換膜市場被國外廠家長期壟斷的局面，產(chǎn)線可生產(chǎn)厚度從8微米到20微米的質(zhì)子交換膜，質(zhì)量均相當(dāng)或優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)了我國在質(zhì)子交換膜高端產(chǎn)品領(lǐng)域擁有了自主生產(chǎn)能力，由此推動(dòng)我國氫能產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化向前大步邁進(jìn)。用氫環(huán)節(jié)上，燃料電池是氫能利用的主要途徑。燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有無需燃燒、功率密度高等特點(diǎn)。
燃料電池的關(guān)鍵主要是電推模塊，電堆由端板、絕緣板、集流板以及多個(gè)單電池組成。其中單電池包括七層結(jié)構(gòu)，最中間一層為質(zhì)子交換膜，然后兩側(cè)對稱地依次為陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴(kuò)散層和陰/陽極雙極板。質(zhì)子交換膜主要作用是為電解質(zhì)提供氫離子通道，隔離陰陽極反應(yīng)氣體，同時(shí)對催化劑層起支撐作用。雙極板主要作用是隔絕燃料和空氣、收集電流、傳遞熱量，同時(shí)為反應(yīng)氣體提供通道。氣體擴(kuò)散層主要作用為支撐催化層，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu) , 提供氣、電、熱量的通道。
根據(jù)電解質(zhì)的不同可分為質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、磷酸燃料電池（PAFC）)等，其中質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，因其具有功率密度高、體積小、啟動(dòng)速度快，低腐蝕性、反應(yīng)溫度適中等特點(diǎn)，被公認(rèn)為最有希望成為航天、軍事、電動(dòng)汽車和區(qū)域性電站的首選電源，特別適合用做動(dòng)力電源。
儲(chǔ)氫技術(shù)以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為主
有機(jī)液體儲(chǔ)氫為未來主要方向
高效利用氫氣的關(guān)鍵在于氫氣的儲(chǔ)運(yùn)。在儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，技術(shù)主要有固態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)物液體儲(chǔ)氫等。
目前，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)因其成本低、充放氣速度快，是最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)儲(chǔ)氫體積密度高、儲(chǔ)運(yùn)量大，但在液化過程中能耗過大，且對容器絕熱性、抗凍性等安全性能要求苛刻，目前主要應(yīng)用于航空航天、軍事等特殊領(lǐng)域；有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫利用有機(jī)液體氫化物對氫氣進(jìn)行可逆存儲(chǔ)，儲(chǔ)運(yùn)可多次循環(huán)使用且安全高效，但其脫氫反應(yīng)條件較為苛刻，且仍存在一些技術(shù)難題，尚未大規(guī)模使用；固態(tài)儲(chǔ)氫具有體積儲(chǔ)氫密度高、安全方便等優(yōu)點(diǎn)，但仍處于技術(shù)攻關(guān)階段。?
盡管目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)較成熟、使用普遍，但存在較大安全隱患大和儲(chǔ)氫密度低等問題不適合長期推廣，相比之下，有機(jī)物液體儲(chǔ)氫能夠在常溫下運(yùn)輸和加注，并且可以利用現(xiàn)有加油站設(shè)施，解決安全性和運(yùn)輸便利性兩大重點(diǎn)，配合成熟的成品油供銷體系極具應(yīng)用前景，但目前仍有有較多的技術(shù)難題，若能打破有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)壁壘，氫能產(chǎn)業(yè)將加速發(fā)展。儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的重要因素之一，氫氣儲(chǔ)運(yùn)與儲(chǔ)氫瓶息息相關(guān)。目前已商業(yè)化應(yīng)用的高壓儲(chǔ)氫氣瓶主要是Ⅰ型（全金屬氣瓶）、Ⅱ型（金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶）、Ⅲ型（金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶）及Ⅳ型（非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶）。
車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的壓力一般分為35Mpa和70Mpa兩個(gè)等級。Ⅰ型和Ⅱ型氣瓶容重比較大，但儲(chǔ)氫密度較低，Ⅲ型氣瓶和 IV氣瓶多被用為燃料電池車用儲(chǔ)氫容器。其中 IV 型氣瓶具有質(zhì)量輕、儲(chǔ)氫密度高的優(yōu)點(diǎn)，國際主流產(chǎn)品多數(shù)采用 70MPa 的 IV 型氣瓶。受制于儲(chǔ)氫容器的內(nèi)膽加工成型工藝技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)以生產(chǎn) 35 MPa 的Ⅲ型瓶為主，但該型號儲(chǔ)氫瓶由于儲(chǔ)氣量較低，部分成型受制于整車空間布置的限制，因此主要應(yīng)用在城市公交、城市物流以及一定區(qū)域內(nèi)短途重卡等領(lǐng)域。
我國儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)業(yè)起步較慢，核心組成部分碳纖維復(fù)合材料以進(jìn)口為主，成本占儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)成本近六成，因此研發(fā)更低的成本及更高的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度與循環(huán)壽命的儲(chǔ)氫瓶對燃料電池乘用車領(lǐng)域意義重大。
2021年5月8日，沈陽斯林達(dá)安科新技術(shù)有限公司成功獲得國內(nèi)第一張車用Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶特種設(shè)備制造許可證，中國車用儲(chǔ)氫瓶從此進(jìn)入Ⅳ型時(shí)代。憑借優(yōu)異的抗氫脆腐蝕性、更輕的質(zhì)量、更低的成本及更高的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度與循環(huán)壽命，Ⅳ型瓶將成為氫燃料電池乘用車的首選儲(chǔ)能裝備。目前，Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布并正式實(shí)施，國內(nèi)儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)業(yè)化落地將逐步加快。
作為重要的清潔能源，對氫燃料的合理利用是世界各國競相研究的重要科技高地，特別是在交通領(lǐng)域，氫能開發(fā)已經(jīng)成為重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，得到了普遍應(yīng)用。目前，氫燃料在我國已成功實(shí)現(xiàn)了在交通、電力、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
交通領(lǐng)域走在氫能應(yīng)用的前沿，目前主要以氫燃料電池汽車為主，同時(shí)在鐵路、海事、航天領(lǐng)域不斷探索發(fā)展。
以氫燃料電池乘用車為例，當(dāng)前全球多個(gè)國家積極布局氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈，2021年全球主要國家共銷售氫能源汽車16,313臺，同比增長68%，其中中國全年氫能源汽車銷量為1,586臺，同比增長35%。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，到2050年氫能需求量有望達(dá)到6000萬噸，在終端能源體系中占比為10%，預(yù)計(jì)產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達(dá)12萬億元，其中交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫2458萬噸，約占該領(lǐng)域用能19%。
在國家“雙碳”目標(biāo)下，氫燃料電池汽車正成為新的發(fā)展趨勢，相關(guān)配套設(shè)施加氫站截至2020年12月31日，全國在建和已建加氫站共181座，已經(jīng)建成124座，因其動(dòng)力充足、加注時(shí)間短、續(xù)航里程長等優(yōu)勢逐漸延伸至重卡、應(yīng)急救援車、平衡車、觀光車等應(yīng)用場景。
在鐵路交通領(lǐng)域，氫能燃料電池能夠有效替代內(nèi)燃機(jī)車作為主要?jiǎng)恿?，減少電力供應(yīng)過程碳排放現(xiàn)象，由于沒有任何污染物的排放，也不用重新架設(shè)取電網(wǎng)，相較傳統(tǒng)燃油和電力機(jī)車，氫燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車在相對密閉的地鐵、隧道、礦山等環(huán)境下使用優(yōu)勢更加明顯，應(yīng)用和維護(hù)成本也更低。
在海事行業(yè)，船舶領(lǐng)域的脫碳?xì)淠芤财鸬搅酥匾饔茫剂想姵叵到y(tǒng)是綠色船舶動(dòng)力裝置的理想方案，可應(yīng)用于內(nèi)河、內(nèi)湖和近海的公務(wù)船、客船、游船以及渡船，頻繁進(jìn)出港口的散貨船和工作船，科考船和工程試驗(yàn)船，采用液氨/液氫燃料的遠(yuǎn)洋船舶。
近年來在氫能船舶上展開燃料電池應(yīng)用測試，并取得了一些成果：2021年1月，大連海事大學(xué)燃料電池游艇“蠡湖”號通過試航；5月下旬，廣東省內(nèi)推出首艘氫能源船舶“仙湖1號”，并于佛山南海下水；11月，以高溫甲醇燃料電池為動(dòng)力電源的示范游船在佛山市南海區(qū)丹灶鎮(zhèn)仙湖首航，我國燃料電池在船舶動(dòng)力上的實(shí)船應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。
在航空領(lǐng)域，氫能應(yīng)用于航空被認(rèn)為是航空業(yè)未來實(shí)現(xiàn)污染物零排放和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，氫能航空還處于技術(shù)突破階段，主要解決氫燃燒、氫燃料加注和儲(chǔ)存等一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，來自歐洲的空客公司計(jì)劃在2035年前，將三架氫動(dòng)力概念機(jī)投入運(yùn)營。
氫能在電力中的應(yīng)用可覆蓋制氫、儲(chǔ)運(yùn)、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈。在制氫環(huán)節(jié)，通過電解水制氫能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能；在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，氫氣可用于季節(jié)性存儲(chǔ)波動(dòng)性可再生能源電力，提供風(fēng)能和太陽能并網(wǎng)等可再生能源電力季節(jié)性儲(chǔ)能需求，為能源系統(tǒng)提供長期的季節(jié)靈活性；在用氫環(huán)節(jié)，通過氫燃料電池冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為家庭或樓宇提供靈活可靠的能源解決方案。
在工業(yè)領(lǐng)域，氫能應(yīng)用廣泛，當(dāng)前主要應(yīng)用于煉油、煉鋼等。以鋼鐵行業(yè)為例，現(xiàn)生產(chǎn)鋼鐵大多以焦炭作為鐵礦石還原劑，導(dǎo)致碳排放過多，無法進(jìn)行深度脫碳。因此以氫能煉鋼、用氫代替焦炭作為還原劑的新工藝，降低了煉鋼過程絕大部分碳排放，如果實(shí)現(xiàn)可再生能源電解水制氫，在軋鑄環(huán)節(jié)使用可再生能源發(fā)電，最后基本可以實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。
在技術(shù)方面，燃料電池系統(tǒng)、電堆、空壓機(jī)等已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層等正在進(jìn)行小批量驗(yàn)證，對于氫能應(yīng)用技術(shù)的自主化，在氫燃料電池方面國家主要關(guān)注催化劑、膜電極、質(zhì)子交換膜、雙極板、擴(kuò)散層、電堆，在系統(tǒng)方面關(guān)注空壓機(jī)和氫循環(huán)系統(tǒng)。就目前來看，氫燃料電池六方面技術(shù)的國產(chǎn)化進(jìn)展良好，已初步掌握氫能制備儲(chǔ)運(yùn)加注、燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)?？梢哉f，氫能行業(yè)已經(jīng)在一定范圍內(nèi)形成了規(guī)模，但相較于國際先進(jìn)水平，仍存在技術(shù)裝備水平不高、部分關(guān)鍵核心零部件和基礎(chǔ)材料依賴進(jìn)口等問題，主要是在電堆等燃料電池核心技術(shù)和關(guān)鍵材料上。
在應(yīng)用場景方面，燃料電池汽車是氫能領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用場景，在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入商業(yè)化初期階段，同時(shí)，積極在海事、鐵路、航天航空、電力、工業(yè)等領(lǐng)域布局多元應(yīng)用，并取得技術(shù)示范成果，氫能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢。未來，碳中和碳達(dá)峰發(fā)展目標(biāo)漸進(jìn)將有序推進(jìn)氫能多元化應(yīng)用，探索形成商業(yè)化發(fā)展路徑，不久的將來氫能應(yīng)用場景或?qū)?shí)現(xiàn)大規(guī)模落地。