1、1工业节能与环保研究工业和信息化部研究院 主办2019 年 9 月 25 日 第 期 总第期本期主题我国氢能产业发展的技术经济分析2所长导读所长导读氢能的开发应用被认为将是解决能源资源危机和环境危机的最佳途径之一。目前，氢能产业正处于将氢气从工业原材料向规模化能源开发利用的战略转折点，加快氢能产业发展，对应对气候变化、保障能源安全，实现可持续发展具有重要的意义。氢能作为一种柔性的绿色能源载体，是连接可再生能源与用户的桥梁。氢能产业链较长，包括制氢、储氢、运氢、加氢站以及燃料电池系统、燃料电池车辆等，发展氢能产业能够有效带动新材料、新能源、新能源汽车及氢储存与运输等高端装备制造业快速发展，有助于

2、加快推动我国产业结构调整。“本期主题”是我国氢能产业发展的技术经济分析。文章首先对氢能及氢能产业链关键环节进行了介绍，在此基础上对产业链的关键技术进行了分析识别，并进行了技术成熟度评价；随后分析了氢能产业链主要环节的成本，提出了推进氢能产业发展的对策建议。“国际观察”介绍了日本发展氢能及燃料电池方面的做法及经验启示。“企业研究”介绍了上海重塑能源科技有限公司发展燃料电池方面的主要做法和经验。“数据之窗”展示了 1975 年以来全球氢需求变化情况、我国氢能及燃料电池产业总体目标、氢在不同领域的应用潜力及规模、2018 年主要国家加氢站数量及利用率的一些数据。上述内容的缺点与不足，希望得到读者的批

3、评与指正。智库节能与环保研究所所长 顾成奎2019 年 10 月 5 日3目录目录一、氢能及氢能产业链.1（一）氢及氢能.1（二）全球氢的年度需求.1（三）氢能产业链.2二、氢能产业链主要环节的技术成熟度分析.12（一）技术成熟度.12（二）关键技术识别.16（三）产业链技术成熟度分析.18三、氢能产业链主要环节的经济成本分析.21（一）制氢成本分析.21（二）储运成本分析.23（三）加氢站建设成本分析.24（四）燃料电堆成本分析.24四、结论与建议.25（一）氢能产业链关键环节仍需进一步加大研发以及产业化力度.25（二）成本仍是制约氢能产业发展的关键因素.26（三）加强顶层设计促进产业协同发

4、展.26（四）通过重点领域应用促进氢能多元发展.271本期主题我国氢能产业发展的技术经济分析本期主题我国氢能产业发展的技术经济分析一、氢能及氢能产业链（一）氢及氢能一、氢能及氢能产业链（一）氢及氢能人类对氢的认识在不断拓展。氢是宇宙中最常见的元素，占宇宙质量的75%，太阳总质量的 84%。在地球上按质量计算氢占 1%，按原子百分数计算占17%。人类对氢的认识可追溯到十六世纪，医生不经意将铁屑投入硫酸中产生气体，1787 年拉瓦锡提出“氢”是一种元素，氢燃烧后产生水，把它命名为“水的生产者”。18 世纪和 19 世纪人们将氢气为气球和飞艇提供升力，到 20世纪 60 年代氢气作为燃料推动了人类登

5、上月球。氢气可以从水、化石燃料等含氢物质中制取，是重要的工业原料和能源载体。氢的存在形式有气态、液态和固态。常温常压下纯氢以气态形式存在，是目前已知密度最小的气体，无色、无臭、无味，难溶于水，极易燃烧，主要用作还原剂。氢气在-252.87时，可转变成淡蓝色的液体；-259.1时，变成雪状固体。2016 年英国爱丁堡大学科学家利用钻石对砧制造出金属氢。（二）全球氢的年度需求（二）全球氢的年度需求氢应用领域广，能够将不同能源来源和终端用户融合交互，可广泛应用于交通运输、工业生产、家庭生活等各领域。全球氢产量从 1975 年的 1820 万吨增长到 2018 年的 7390 万吨，增长了三倍多。目前

6、工业部门（如炼油、合成氨、化肥生产等）对氢能的需求占主导地位，氢已在工业部门实现规模化应用。目前氢主要通过化石能源重整制取。氢能是连接可再生能源与用户的桥2梁，通过氢能可以将可再生能源的多余电力储存起来，提高可再生能源的利用率。在交通领域推广普及氢燃料电池汽车，可实现车辆使用阶段“零排放”，。在分布式能源发电领域应用，可提高能源转化效率，减少污染物排放。发展氢能产业是推进能源绿色化，应对气候变化，带动高端制造业发展的重要举措。（三）氢能产业链（三）氢能产业链氢能产业链关键环节主要包括制氢、储运、加氢基础设施以及氢燃料电池以及氢应用等。图 1 氢能产业链示意图1、制氢1、制氢制氢主要可分为热化学

7、法制氢、工业副产氢提纯制氢、水电解制氢、太阳能光催化分解水制氢、生物制氢等。热化学法制氢热化学法制氢。该方法分为煤气化制氢、天然气重整制氢等，具有原材料量大、制氢成本低等优点，存在产品中可能含有 H2O、CO、CO2、H2S 等杂质，容易造成催化剂中毒等缺点。煤气化制氢首先将煤炭转化为合成气，再经水煤气变换、分离、处理等，提高氢气纯度，是制备合成氨、液体燃料、甲醇、天然气等多种产品的原料。该技术路线成熟度高，可大规模稳定制备氢气，是当前制备氢气成本最低的制3氢方式。目前中国能源集团约有 80 台煤气化炉，每年约生产 800 万吨氢气，约为全球专用氢气产量的 12%。澳大利亚正在寻求利用高压部分

8、氧化褐煤生产氢。天然气重整制氢可分为三种方法，其一是使用水做为氧化剂和氢的来源，即蒸汽重整法；其二是使用空气中的氧气做为氧化剂，即部分氧化法；其三是使用水和空气结合，即自热式重整。天然气制氢约占全球专用氢产量的 3/4，约消耗天然气 2050 亿立方米（占全球天然气使用量的 6%）。工业副产氢提纯制氢工业副产氢提纯制氢。主要是利用提纯技术回收焦化、石油化工、氯碱等行业工业副产氢气，该方法能够提高资源综合利用效率和经济效益，降低大气污染，但存在 H2O、CO、CO2、HCl 等杂质，是我国主要制氢方式之一。我国是全球最大的焦炭生产国，焦炭按用途可分为冶金焦、气化焦和电石焦，其中冶金焦约占 90%

9、，并且 90%以上的冶金焦用于高炉冶炼，我国 1/3 的焦炭来源于钢铁企业自身配套的焦化厂。2018 年我国焦炭产量为 4.4 亿吨，每吨焦炭可产生焦炉煤气约 350-450 立方米，焦炉煤气中氢气的含量约占 55%-60%。焦炉煤气经净化后可以用于工业与民用燃料、化工原料、还原剂直接还原铁以及采用变压吸附（PSA）提纯技术制取高纯氢。我国烧碱年产量在 3000 万吨以上，2018 年产量为 3420 万吨。目前生产方式以离子交换膜法、隔膜电解法为主，每生产 80 吨烧碱（氢氧化钠）的同时，产生 2 吨氢气。我国烧碱行业 60%的氢气被配套的聚氯乙烯和盐酸利用，每年还剩余约 34 万吨左右的氢

10、气。全球约 2%的氢气是烧碱和氯碱电解的副产品。我国工业副产氢资源丰富，可提供百万吨级氢气供应，为氢能产业发展初期提供低成本、分布式的氢源。水电解制氢水电解制氢。一种将水分解为氢和氧的电化学过程，主要是利用可再生能源电力电解水制氢，是一种近零碳排放的制氢方式，目前具备大规模工业化应用条件，并且可再生能源应用比例的不断提高，水电解制氢将成为未来的重要4方向。随着可再生能源发电成本下降，人们对电解制氢的兴趣越来越大。目前电解槽主要有碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽。其系统的效率取决于工艺类型和负载因素，约在 60%-81%之间。电解制氢需要水和电，生产 1 公斤氢气，需要 9 公斤水

11、、副产 8 公斤氧气，目前全球电水解专用氢产量约占全部专用氢产量的 0.1%。此外，太阳能催化制氢目前处于研究和试验阶段，是未来具有较大发展潜力的制氢技术。生物制氢原料来源丰富、价格低廉，目前处于研发和中试示范阶段，是未来具有发展潜力的制氢技术。2、储运2、储运根据氢气的储存介质可分为地质储存和储罐储存。地质储存是通过盐穴、枯竭的天然气或油藏和含水层储存氢气，具有显著的规模经济效益、高效率、低运行成本和低土地成本。随着氢气使用量增加，天然气储气库可以转化为氢气储气库，从而降低前期成本。美国目前拥有最大的盐穴储氢系统，可用于储存附近蒸汽甲烷转化炉 30 天左右的氢气产量，以满足炼油和化学品的用氢

12、需求。英国有三个盐穴可以储存 1000 吨氢气，德国正在筹备 3500 吨氢气盐穴储存示范项目。盐穴储存氢气成本低于 0.6 美元/kg 氢气。枯竭的油气藏通常比盐穴更大，但含有污染物，氢气被用于燃料电池之前，需要进一步净化。含水层储存氢气相对与上述两种地质储氢不太成熟。地质储氢是长期大规模储藏的最佳选择，但受地理分布等影响，不适合短期小规模储氢。储存压缩氢或液化氢的储罐适合于小规模的应用，可以随时提供原料或燃料。根据氢气的储存状态形式可分为气态储氢、液态储氢和固态储氢。其中有机液态储氢和固态储氢处于示范阶段，低温液态储氢在航天领域已得到应用，高压气态储氢已得到广泛应用。高压气态储氢是将高压氢

13、气充装在储氢容器中的储氢方式，具有容器结构简单、压缩氢气制备能耗低、充放氢速度快等优点，是目前应用最为广泛的储5氢方式。目前常用的有高压氢瓶和高压容器两类，其材质由钢质向碳纤维缠绕发展。目前我国燃料电池商用车主要采用 35MPa 碳纤维缠绕型瓶作为车载储氢方式，70MPa 碳纤维缠绕型瓶已成为国外燃料电车乘用车车载储氢的主流技术。液态储氢分为低温液态储氢和有机液体储氢。低温液态储氢是将氢气温度降至 20.43K（-252.72C）以下将氢气转变为液态氢的储存方式，该方法具有体积储氢密度高的优点（液氢的密度达 70kg/m3）,缺点是氢气的液化能耗高（每千克氢气约需要耗电 12-18kWh），如

14、果用氢气本身提供这些能量，将消耗25%-35%的初始氢气。我国液氢已在航天工程中成功应用。有机液体储氢是利用部分不饱和有机物（如烯烃、炔烃或芳香烃）与氢气进行可逆加氢和脱氢反应，实现氢的存储。该方式存在反应温度较高、脱氢效率较低、催化剂易被中间产物毒化等问题。固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体，通过化学吸附或物理吸附的方式实现氢的储存。具有储氢密度高、储氢压力低、放氢纯度高等优势，体积储氢密度高于液氢。国外固态储氢已在燃料潜艇中应用，在分布式发电和风电制氢规模储氢中示范应用。氢的运输。氢气的储存方式分别对应不同的运输模式，其中高压气态储运目是前正在大规模使用的方式。从氢

15、的输送距离、用氢要求及用户的分布情况分析，管道运输主要适合于用气量大、用气场合相对集中的地区，管道运行压力一般为 1.0-4.0MPa；车辆运输主要适合于量小、用户比较分散的场合，我国以 20MPa 长管拖车为主，单车运氢约 300kg，国外多采用 45MPa 纤维全缠绕高压氢瓶长管拖车为主，单车可运 700kg。基于目前用氢量相对较少，受成本和技术的限制，未来一段时间内高压储氢的氢气拖车仍是最优选择，其经济运输半径为 200 公里以内。液态储运通常适用于距离较远、运输量较大的场合，采用液态储运能减少车辆运输频次，提高加氢站单站供氢能力。液氢罐车可运 76吨，铁路液氢罐车可运 8.4-14 吨

16、氢，专用液氢驳船运量可达 70 吨。液氢储运将是氢能广泛应用后运输的主要方式之一，目前我国没有液氢储运的相关标准规范。固态储运目前仍在探索阶段，具有发展潜力。3、加氢基础设施3、加氢基础设施按照氢气的来源加氢站可分为三类。一类是存储加注一体式，氢气从制氢处被拖运到加氢站，在站内完成氢气的卸载、压缩和储存，供加注用。一类是制取加注一体式，即加氢站建有制氢装置，在加氢站完成氢气的制取，经压缩后储存，供加注用，主要位于工业园区。另一类是制取、存储、加注一体式，即加氢站建有制取装置，又具备外地来氢存储加注功能，主要位于工业园区。目前以存储加注一体式为主流形式。按照供氢压力等级不同，加氢站可分为 35M

17、Pa 和 70MPa 压力供氢，其对应氢气压缩机工作压力为 45MPa 和 98MPa，对应的高压储氢瓶压力分别为 45MPa和 87.5MPa。据统计，截至到 2019 年 1 月我国已建和在建加氢站 44 座。建设加氢站成本较高，设备费约占 70%，据测算，不含土地费用，国内建设一座加氢能力为500kg、加注压力为 35MPa 的加氢站需要 1200 万元，相当于传统加油站的 3倍。我国在建和运营的加氢站如下：表 1我国加氢站分布及建设运营情况序号序号城市城市日加注量（KG）日加注量（KG）压力等级（MPa）压力等级（MPa）名称名称备注备注1安徽六安40035明天氢能加氢站在建2北京20

18、035北京永丰加氢站运营3广东佛山20035瑞辉加氢站运行4广东佛山50035佛罗路加氢站运营5广东佛山100035国能联盛禅城加氢站运营6广东佛山100035国能联盛高明加氢站在建7广东佛山50035南海瀚蓝九江龙高路加氢站在建7序号序号城市城市日加注量（KG）日加注量（KG）压力等级（MPa）压力等级（MPa）名称名称备注备注8广东佛山50035南海瀚蓝松岗禅炭路加氢站在建9广东广州50035黄埔区联新加氢站在建10广东顺德50035兴顺燃气加氢合建站在建11广东顺德50035新协力荔村燃气加氢合建站在建12广东云佛100035云浮中石化加氢站在建13广东云浮20035思劳加氢站运营14广

19、东云浮40035罗定 1 号加氢站在建15广东中山100035中山沙朗加氢站运营16广东中山100035古镇加氢站在建17河北张家口40035亿华通加氢站 1运营18河北张家口100035亿华通加氢站 2运营19河南郑州100035郑州宇通加氢站运营20湖北武汉50035氢雄加氢站运营21湖北武汉100035众义达加氢站在建22湖北襄阳50035试验场加氢站在建23吉林长春50035一汽解放加氢站在建24江苏常熟6070丰田研发中心加氢站试验25江苏如皋20035南通百应加氢站运营26江苏如皋500+20035+70神华加氢站在建27江苏盐城50035澳新汽车加氢站在建28江苏张家港10003

20、5开发区加氢站运营29辽宁大连40070同济-新源大连加氢站运营30山东滨州50035滨化加氢站在建31山东聊城20035中通客车加氢站运营32山东潍坊500+20035+70潍柴动力加氢站在建33山西大同50035氢雄云鼎加氢站运营34陕西西安50035青年客车加氢站在建35上海20035上海安亭加氢站运营36上海50035上海电驱动加氢站运营37上海50035松江万象加氢站在建8序号序号城市城市日加注量（KG）日加注量（KG）压力等级（MPa）压力等级（MPa）名称名称备注备注38上海50035上海金山加氢站在建39上海100035青浦韵达加氢站在建40上海75035江桥嘉氢实业加氢站运营

21、41四川成都40035郫都区加氢站运营42四川十堰50035十堰加氢站运营43浙江嘉善20035爱德曼加氢站在建44浙江台州50035氢能小镇加氢站在建数据来源：智库根据相关资料整理4、氢燃料电池4、氢燃料电池燃料电池装置是氢能广泛应用的途径之一，通过燃料电池装置可实现氢能的移动化、轻量化和大规模普及，可应用于交通、工业、建筑、军事等方面。燃料电池可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中熔融碳酸盐电池、质子交换膜电池和固体氢化物燃料电池是最主要的三种商业化技术路线。燃料电池不

22、受卡诺循环限制，能量转化效率高。目前主流的燃料电池是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具有启动快、功率密度高、空气可作氧化剂、无电解质流失等优点，是将来替代内燃机作为汽车动力电源的理想方案。PEMFC 工作温度为 60-80C，属于低温燃料电池，缺点是对 CO 敏感，反应需要加湿。固体氧化物燃料电池具有燃料实用性广、模块化组装、全固态、能量转化效率高、零污染等优点，常作为固定电站用于大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供领域。我国在一系列国家重大项目的支持下，燃料电池技术取得了一定的进展，初步掌握了燃料电池电堆与关键材料、动力系统与核心部件、整车集成等技术，部分关键技术实验室水平已接近国际先

23、进水平，但产业化、工程化水平滞后，总体水平落后于日本等国家。9表 2国内外质子交换膜燃料电池系统技术指标对比领域领域技术指标技术指标国内先进水平国内先进水平国际一流水平国际一流水平燃料电池电堆额定功率等级36KW（在用）60-80kW体积功率密度1.8kW/L（在用）3.1kW/L3.1kW/L（实验室）耐久性5000h5000h低温性能-20-30应用情况百台级别（在用）数千台级别核心零部件膜电极电流密度 1.5A/cm2电流密度 2.5A/cm2空压机30kW 级实车验证100kW 级实车验证储氢系统35MPa 型瓶70MPa 型瓶双极板金属双极板处于试制阶段；石墨双极板虽有小规模使用但缺

24、少耐久性和工程化验证金属双极板技术成熟，完成实车验证；石墨双极板完成实车验证氢循环装置氢气循环泵处于技术空白，30kW 级引射器可量产100kW 级燃料电池系统氢气循环泵技术成熟关键原材料催化剂铂载量约 0.4g/kW铂载量约 0.4g/kW小规模生产产品化生产阶段质子交换膜性能与国际相当但处于中试阶段产品化生产阶段炭纸/炭布中试阶段产品化生产阶段密封剂国内尚无公开资料和产品产品化批量生产阶段数据来源：中国氢能联盟5、氢的用途5、氢的用途氢的用途目前主要在工业领域，如炼油、氨生产、甲醇生产以及通过直接还原铁方式生产钢铁。其中炼油用氢约占 33%、氨生产约占 27%、甲醇生产约占11%。表 3

25、氢在工业领域应用及潜力行业行业目前氢的用途目前氢的用途2030 年氢的需求预测2030 年氢的需求预测长期需求预测长期需求预测低碳氢供应低碳氢供应10机遇机遇挑战挑战炼油主要用于去除原油中的杂质和提升重质原油。少量用于油砂和生物燃料受更严格的污染法规推动，考虑到石油需求增长放缓，预计增加 7%。即使在巴黎协定的条件下，到 2050年石油仍是能源重要的需求来源。用 CCUS改造天然气或煤制氢。用低碳电力生产的氢取代商业用氢。氢的生产和使用与炼油业务紧密结合，氢气成本对炼油利润率影响很大。化学品生产氨和甲醇生产的重要原料，并用于其他几个较小规模的化学过程由于经济和人口的增长，预计氨和甲醇用氢量将增

26、加31%。尽管用氢的效率将提高，对现有用途的氢需求仍将增长；作为氢基燃料的清洁用途，可能会带来新的需求。用 CCUS改造或新建氢气生产。使用低碳氢生产氨和甲醇。低碳氢供应的竞争力取决于天然气和电力价格。CCUS改造并不是一个普遍的选择。钢铁生产直接还原铁工艺需要氢，同时高炉产生的副产氢可以直接现场使用。直接还原铁技术路线使用的氢预计会增加一倍。即使考虑到材料效率的提高，钢材需求仍将不断增长，100%以氢为燃料的生产可以显著增加对低碳氢的需求。钢厂在直接还原铁工艺中使用氢作为还原剂。需要更高的生产成本或流程变更，通过 CCUS直接应用预计成本会更低，同时存在电气化的长期竞争。11行业行业目前氢的

27、用途目前氢的用途2030 年氢的需求预测2030 年氢的需求预测长期需求预测长期需求预测低碳氢供应低碳氢供应机遇机遇挑战挑战高温热目前几乎没有用氢来生产热量。预计热的需求增加9%，但在现有政策下，不允许用氢加热。热需求会进一步提升，如果在成本上有竞争优势的话，会为氢能提供机会。任何来源的氢气都可以替代天然气，与天然气混合使用更为直接。氢与电气化长期竞争，与生物质和直接 CCUS竞争会较弱。数据来源：IEA此外，氢在现有工业应用之外的交通、建筑、电力等行业都具有长期的发展前景。在交通运输领域，燃料电池动力小型汽车占绝大部分。截至 2018 年底全球燃料电池电动汽车累计销售量达到 11200 辆，

28、其中 2018 年销售量约为 4000辆。美国约占总销售量的一半，其次是日本约占 1/4、欧盟约占 11%（主要在德国和法国），韩国约占 8%。销售的绝大部分燃料电车轿车由丰田、本田和现代生产，奔驰开始采取租赁和销售的方式，促进燃料电池的插电式混合动力汽车的发展。燃料电池叉车已具有商业可行性，据估计目前全球约有 2.5 万辆燃料电池叉车在运行。在公交巴士方面，目前有 11 家以上的公司具有生产燃料电池公交巴士的能力。截至到 2018 年底，我国已有 400 多辆公交车投入使用，2017年欧洲约有 50 辆燃料电池电动巴士投入运营，美国加州 25 辆，其他州约 30辆。在燃料电池卡车方面，我国占

29、数量的绝大部分，其中上海、江苏如皋等运输车队已投入运营。此外氢动力火车已在部分国家实施，德国北部正式投入使用氢动力火车在100 多公里长的铁路上运行。我国首条氢能源现代有轨电车项目已在广东佛山落地。在航空方面，氢燃料作为提高能效，减缓化石能源需求增长的重要选择之一，空中客车在小型飞机上使用氢已开展了可行性研究和示范项目测试，目12前氢在飞机的一些辅助动力装置发电中已有应用。在海运方面比利时已有海上内燃机中氢与柴油机联合燃烧的项目，还有 20 多个项目采用 300 千瓦以下的燃料电池用于辅助动力单元。美国、爱尔兰、挪威等国也有燃料电池项目与电池结合使用。目前在建筑领域，氢能作为一种能源使用较少，

30、但各种潜在的用途正在试验中，比如研究天然气网络中混合氢已有 37 个示范项目；英格兰北部的 H21 计划通过管道向建筑物提供 100%的氢气。在欧洲和亚洲对微型热电联产核燃料电池氢项目进行了示范，特别是日本，预计到 2020 年将有近 30 万套住宅使用氢燃料电池技术。欧洲 11 个国家在住宅和商业建筑中安装了 1000 多套小型固定燃料电池系统。在电力领域，燃料电池可为移动通信提供备用电源已有应用，为离网村庄、诊所提供电力也有示范。在未来氢和以氢为基础的燃料，可以作为发电燃料，减少电厂碳足迹，在大规模和长期储存能源，在平衡电力需求的季节性变化以及可再生能源波动性发电方面具有重要作用。日本将氢

31、燃料发电视为实现氢能社会的重要环节，提出到 2030 年实现氢能发电商业化，发电容量达到1GW，发电成本控制在 17 日元/千瓦时以内，到 2050 年发电容量增至 15-30GW，成本进一步降低至 12 日元/千瓦时。二、氢能产业链主要环节的技术成熟度分析（一）技术成熟度二、氢能产业链主要环节的技术成熟度分析（一）技术成熟度技术成熟度是在人们对技术发展过程和成熟规律认识不断深化的基础上产生和发展起来的，是指技术相对于某个具体系统或项目而言所处的发展状态，是人们在大量科研和工程实践的基础上，对技术成熟规律认识的一种总结。任何一项技术都必然有一个发展成熟的过程，从理论上讲，技术的成熟和发展都遵循

32、相似的成熟规律。13技术成熟度概念起源于 20 世纪 70 年代美国国家航天局，20 世纪 90 年代趋于成熟，进入 21 世纪被美国国防部广泛用于国防采办项目管理。我国国防和航天领域在长期的科研和工程实践过程中也总结了一套研制阶段划分的方法，如装备研制探索一代、预研一代、研制一代、生产一代，也体现了技术成熟度级别划分的朴素思想。国际标准化组织（ISO）正在以航天技术为背景制定技术成熟度（TRL）的国际标准。将高难度、高风险的关键性技术的研发过程分为 9 个等级，为了评价氢能产业链主要环节的技术成熟度，本研究参照美国国防部对技术成熟度（TRL）的定义，以及技术成熟度及其评价方法中客户化的技术成

33、熟度（TRL）定义，将技术成熟度分为 9 个等级，其中 1 级最低，9 级最高，遵循循序渐进的原则。表 4 技术成熟度（TRL）定义等级等级定义定义内容内容1观察到基本原理或看到基本原理的报道技术成熟过程中最低级别；通过探索研究，得出与该项技术有关的基本原理；对已有的原理和理论开展了深入研究，提出了新理论，为后续研究提出技术概念，为应用设想提供了基础。2提出将基本原理应用于系统中的设想创新活动开始；基于基本原理，提出了实际应用的设想；这种应用设想是推测性的，没有证据或者详细的分析支持这一设想。3关键功能和特性通过可行性验证实际的技术研发活动可以开始，技术概念和应用设想通过可行性论证；针对应用设

34、想进行了分析研究，对技术所支持的基本14功能和性能进行了计算、分析、和预测。4原理样机通过实验室环境验证基本技术部件开始进行集成；通过集成形成的原理样机对于最终系统是逼真的低技术状态；该原理样机是部件或分系统级的；实验室环境的逼真度比较低，但相对于 TRL3 级有所提高。5演示样机通过模拟使用环境验证该级别的典型状态是部件或分系统的演示样机在中逼真度的模拟使用环境中进行验证；演示样机相对于最终系统是中等技术状态逼真度；演示样机是部件、分系统或者系统级的；试验环境是中或者高逼真度的模拟实验环境（包括空间、地面或实验室）。6分系统或系统级原理样机通过模拟使用环境验证该级别的典型状态是分系统或系统级

35、原型样机在高逼真度的模拟使用环境中进行验证；原型样机相对于最终系统是高逼真技术状态；该原型样机是分系统或者系统级的；实验环境是高逼真度的模拟使用环境（包括空间、地面或实验室）。7系统级工程样机通过典型使用环境验证该级别的典型状态是系统级工程样机在典型使用环境中进行验证；工程样机与最终系统的技术状态基本相同；该工程样机是系统级的；试验环境是典型使用环境（空间环境）。8系统级产品通过测试和鉴定试验该基本的主要任务是开发方的测试与评估，通过测试表明技术指标全部满足实际15使用要求，性能稳定、可靠，可以交付使用；产品开发结束，产品达到最终的技术状态；测试平台是预期使用环境和平台（地面、空中或太空）。9

36、系统级产品通过成功执行任务得到验证该级别的典型状态是产品通过了实际使用验证，指标全部满足要求；产品达到了最终产品的技术状态要求；具备批量化稳定生产能力和使用保障能力。技术成熟度具有技术状态、技术在系统中的集成度、验证环境三个特征，根据技术成熟度等级定义，三个特征随成熟度提高变化的过程如下表所示。表 5 技术成熟度 TRL 各级特征表123456789技术状态概念证明原理样机演示样机原型样机工程样机实际产品集成度部件级分系16统/系统级系统级验证环境实验室环境模拟使用环境使用环境（二）关键技术识别（二）关键技术识别开展技术成熟度评价，首先应对项目进行分解，明确筛选关键技术的范围，识别出项目的关键

37、技术元素（CTE），从而确定技术成熟度的评价对象。要成为关键技术元素，需具备技术对使用需求、成本或研制计划有重大的影响，并且对开发和演示具有很高的风险的条件，即对系统具有重要影响的高风险技术才能被称为关键技术。对照关键技术元素的定义，结合氢能产业链各环节，现筛选氢能产业的关键技术元素。1、制氢环节关键技术分析1、制氢环节关键技术分析制氢环节是氢能产业发展的源头。目前全球氢的生产主要是由化石燃料制取；电解水制氢在 20 世纪 20 年代至 60 年代是工业氢的主要来源，目前只占很小的一部分；我国工业副产氢提纯制氢已在较大范围应用；从长远来看太阳能催化制氢、生物制氢等绿色制氢技术具有发展前景。制氢

38、环节虽然对氢能产业具有重要的意义，但目前具有不同的技术路线，已具有多年的商业化应用实例，可以实现制氢的技术替代，从制氢的技术层面分析，传统的制氢不存在高风险性。氢能产业发展的动力在于清洁干净的能源，绿色制氢技术（太阳能催化制氢、生物制氢）是未经典型使用环境中试验考核的新技术，并且将对制氢17具有重要的影响，目前具有高风险。因此制氢环节绿色制氢技术可视为关键技术。图 2 制氢技术路线示意图2、储运环节关键技术分析2、储运环节关键技术分析储存和运输连接氢的生产和应用。氢在生产地直接应用占比较少，一般要经过一段距离的运输才能被使用。氢能的大规模应用将取决于氢能的储存能力和运输能力。储存介质的选择取决

39、于要储存的容量、储存时间、所需的放氢速度等，地质储存是大规模和长期储存的最佳选择，储罐储存适合于短期和小规模储存。目前高压气态、低温液态运输环节也涉及储罐，由于氢的气态能量密度较低，即便在 70MPa 压力下，其能量密度也仅为汽油的 15%。更高效率的储罐储存是储存和运输的关键环节，对氢能的推广应用具有重大影响，目前具有高风险。因此储运环节更高效率的储罐制造可视为关键技术。图 3 储运技术路线示意图183、加氢基础设施关键技术3、加氢基础设施关键技术加氢基础设施直接服务于氢能的应用环节，是氢能利用和发展的中枢，是燃料电池车充装燃料的专门场所。加氢基础设施主要设备有加氢机、压缩机、高压阀、仪表、

40、固定储氢容器等，加氢机、压缩机、高压阀等对氢的加注有重大影响，我国在相关方面研发生产还不成熟，技术具有较高风险。因此加氢基础设施环节加氢机、压缩机、高压阀可视为加氢基础设施环节的关键技术。4、氢燃料电池4、氢燃料电池氢燃料电池是氢能应用最为广泛的方式之一，有助于实现氢能的移动化、轻量化和大规模应用，可广泛应用于交通、工业、建筑、军事等场景。质子交换膜燃料电池是目前国内外主流的应用技术，其核心技术包括膜电极、双极板、氢循环装置、质子交换膜、催化剂、密封剂等，对氢燃料电池的应用有重大影响，技术具有较高风险，可视为燃料电池环节的关键技术。（三）产业链技术成熟度分析（三）产业链技术成熟度分析近几十年来

41、，人们对氢的生产和应用经历了几波小高潮，但没有转化为产业上持续的投资。主要原因一方面是氢的大规模生产高度依赖于化石燃料，并且很大程度上主要应用于交通运输方面；另一方面是相关技术还不成熟。将氢能的清洁低碳化作为目标，考察其制氢环节、储运环节关键技术以及加氢技术设施、燃料电池等细分关键技术的技术成熟度，可以客观反映氢能产业链的技术成熟度，为发展氢能产业提供参考。1、制氢、储运关键技术成熟度分析1、制氢、储运关键技术成熟度分析制氢环节绿色制氢技术、储运环节更高效率的储罐制造技术其成熟度分析如下。表 6制氢储氢技术 TRL 分析1 2 3 4 5 6 7 8 9192、加氢基础设施关键技术成熟度分析2

42、、加氢基础设施关键技术成熟度分析加氢基础设施主要设备有加氢机、压缩机、高压阀、仪表、固定储氢容器等，其技术成熟度分析如下：绿色制氢技术太阳能催化制氢目前处于研究和试验阶段，是未来具有较大发展潜力的制氢技术生物制氢目前处于研发和中试示范阶段，是未来具有发展潜力的制氢技术更高效率的储罐制造技术目前我国应用最为广泛的储氢压力为 35MPa，70MPa 储罐还在研制过程中，且我国储氢瓶碳纤维材料依赖进口20表 7我国加氢关键技术 TRL 分析3、氢燃料电池关键技术成熟度分析3、氢燃料电池关键技术成熟度分析质子交换膜燃料电池是目前国内外主流的应用技术，其核心技术包括膜电极、双极板、氢循环装置、质子交换膜

43、、催化剂、密封剂等，其技术成熟度分析如下：表 8我国燃料电池关键技术 TRL 分析1 2 3 4 5 6 7 8 935MPa 加氢机已具有自主研发生产的能力70MPa 加氢机完成实验样机开发45MPa 小流量压缩机已具备自主研发生产的能力45MPa 中等流量压缩机通过进口关键零件实现自主集成87.5MPa 压缩机已有试验样机高压阀目前依赖进口仪表目前依赖进口固定储氢容器45MPa 储氢容器可达 20m3，98MPa 固定储氢容器可达1m31 2 3 4 5 6 7 8 9膜电极国内电流密度 1.5A/cm2；国际一流 2.5A/cm221三、氢能产业链主要环节的经济成本分析三、氢能产业链主要

44、环节的经济成本分析氢能作为二次能源，其产业链经济性受资本支出、原料成本、转化效率、利用效率等多方面影响。（一）制氢成本分析（一）制氢成本分析煤气化制氢工艺中原料煤是最主要的消耗材料，约占制氢成本的 50%，煤的成本对煤制氢项目起着决定性作用。煤气化制氢约占全球专用氢产量的23%，约消耗煤炭 1.7 亿吨（占全球煤炭使用量的 2%）。目前全球约有 130 座煤气化厂在运行，其中中国占 80%以上，主要生产氨。我国目前煤气化制氢成本在 0.6-0.7 元/立方米，是最便宜的生产氢气方式。天然气制氢成本受多种技术经济因素的影响，天然气原料成本占制氢成本的 70%以上，天然气价格和资本支出是重要的两个

45、因素。蒸汽甲烷重整（SMR）双极板国内金属双极板处于试制阶段，石墨双极板小规模应用，但缺少耐久性和工程化验证氢循环装置我国氢循环泵技术空白，国际上 100KW 及燃料电池系统氢循环泵技术已成熟催化剂小规模生产，铂载量0.4g/kW，用量是国际先进水平的两倍质子交换膜中试阶段，性能接近国际水平密封剂国内尚无相关产品22是目前从天然气中大规模生产氢气应用最广泛的技术，具有良好的经济效益，虽然在 SMR 工厂中添加 CCUS（碳捕获、利用和储存）会导致资本支出增加50%，燃料成本增加约 10%，运营成本增加一倍，2018 年在美国、中东等最有发展前景的地区，其制氢成本在 1.4-1.5 美元/kgH

46、2之间，仍然是成本最低的低碳制氢路线之一。图 4 目前我国氢气生产成本来源：IEA水电解制氢的生产成本受资本支出、转换效率、电力成本、年度运行时间等影响，电解槽分别占碱性电解槽和 PEM 电解槽资本支出的 50%和 60%。电解制氢电力消耗在 4-5 千瓦/立方氢气，电价成本占运行成本的 70%以上，目前制氢成本约在 30-40 元/公斤。一般认为当电价低于 0.3 元/千瓦时，电解制氢成本接近传统化石能源制氢。可再生能源发电水解制氢是大家认为未来制氢的重要方向，电力系统中可再生能源比重不断增加，剩余电力可以以较低的成本获得。但如果剩余电力只是偶尔可用，那么依靠剩余电力制氢将对资本支出以及运营

47、成本带来巨大挑战。保持电解制氢装备有效负荷时间以及合理的电价是电解制氢的关键。如下图所示。23图 5 电解制氢成本分析来源：IEA（二）储运成本分析（二）储运成本分析氢气具有较高的质量能量密度，但标准大气压下体积能量密度较低，使用过程中须将其进行压缩或液化，以提高单位体积氢的含量。在压缩、液化、运输过程中较液化天然气成本要高，其不同储运方式运输成本如下表：表 9 氢不同运输方式的技术经济比较序号储存方式运输工具压力（MPa）载 氢量（kg/车）体 积 储 氢密度（kg/m3）成 本（元/kg）能耗（kwh/kg）经济距离（km）1气态储运长管拖车20300-40014.52.021-1.315

48、0管道1-4-3.20.30.25002液态储运液氢槽罐车0.670006412.2515200243固态储运货车4300-40050-10-13.31504有 机 液 体储运槽罐车常压200040-5015-200数据来源：智库根据相关数据整理（三）加氢站建设成本分析（三）加氢站建设成本分析目前我国加氢站建设成本比较高，其中设备成本约占 70%，据测算，建设日加氢能力为 500kg、加注压力位 35MPa 的加氢站约在 1200 万（不考虑土地费用），相当于传统加油站的 3 倍，对于商业化运营的加氢站，还需考虑设备维护、运营、人工、税收等费用，按照目前的加氢状况，加注成本约在 13-18 元

49、/公斤左右。图 6加氢站主要成本占比（四）燃料电堆成本分析（四）燃料电堆成本分析燃料电池电堆由多个单电池、集流板、绝缘板、端板等组成，其中催化剂和双极板的成本占比较高。目前我国电堆生产主要采用手工制作，裸电堆价格25约 5000 元/kw，电堆系统 1.5 万元/kw，批量化生产后价格有较大下降空间。燃料电堆成本构成如下图：图 7燃料电堆主要成本构成四、结论与建议（一）氢能产业链关键环节仍需进一步加大研发以及产业化力度四、结论与建议（一）氢能产业链关键环节仍需进一步加大研发以及产业化力度氢能作为清洁低碳的能源，在其制备、储运、加注、燃料电池等环节的相关技术基础还比较薄弱。太阳能催化制氢、生物制

50、氢等绿色制氢技术还未产业化应用；更高效率的储罐制造技术还有待进一步突破；加氢基础设施中的高压阀、仪表等还尚未产业化；氢燃料电池涉及的膜电极、双极板、氢循环装置、质子交换膜、催化剂、密封剂等关键技术仍还不成熟。建议加大关键技术材料研发力度，开发新型高效、廉价的氢气制备、运输技术以及高效、稳定的燃料电池技术，推动氢能及燃料电池基础研究、技术开发以及产业化发展。积极开展国际合作，构建氢能生产、运输、储存和使用国26际体系，采取引进、消化、吸收、再创造模式，引进与自主开发并重，进一步促进氢能产业发展。（二）成本仍是制约氢能产业发展的关键因素（二）成本仍是制约氢能产业发展的关键因素氢的制备、储运、应用成

51、本是制约氢能产业发展的关键因素之一。成本受资本支出、原料成本、转化效率、利用效率、绿色化程度等多方面影响。制氢方面虽煤气化制氢、天然气制氢成本低，但添加 CCUS（碳捕获、利用和储存）会导致资本支出增加；可再生能源发电水电解制氢虽然是未来制氢的重要方向，但合理的电价和电解制氢装备有效负荷时间是其推广应用的关键。标准大气压下氢气的体积能量密度较低，在压缩、液化、运输过程中成本高于天然气。目前加氢站建设成本、运营成本仍较高，还未形成商业化盈利模式。在应用方面燃料电堆尚未形成规模效应，价格仍偏高。建议近期远期相结合，多渠道获得氢能。一方面，短期内充分就近利用工业副产氢气，开展工业副产氢提纯配套氢能产

52、业发展试点示范。另一方面，发展可再生能源制氢，逐步降低可再生能源制氢成本，最终获得“零碳”氢能。其次在运输、应用环节通过规模化效应，降低运输、应用等环节的成本。再次在风、光、水等可再生能源丰富的地区开展氢综合示范项目，探索发挥氢能在可再生能源体系中的系统性作用。并在示范过程中不断推动氢能及燃料电池技术研发及产业化，为氢能及燃料电池技术的全面应用奠定基础。（三）加强顶层设计促进产业协同发展（三）加强顶层设计促进产业协同发展目前我国有关氢燃料电池汽车的相关政策虽有多处提及，但在国家层面尚未有氢能与燃料电池汽车产业方面的专门政策文件，地方发展氢能产业迷茫，国家若出台氢能产业政策文件在促进产业有序发展

53、的同时，应防止可能造成的地方政府迫于转型升级压力，急于寻找突破口，从而形成一哄而上氢能产业，阻碍产业发展的状况。27建议根据我国国情和国际发展趋势，制定氢能国家战略，统一规划氢能利用的国家目标和时间表，明确氢能利用的主要方面以及政策支持方向，加大氢能基础设施建设支持。一是强化对氢能产业发展的规范和引导。引导地方政府和企业结合本地资源禀赋优势、产业基础和自身竞争力，科学合理布局区域产业。二是明确产业发展目标，科学合理划分产业发展阶段，明确各阶段发展目标和任务。三是理顺产业发展机制，厘清主导者、参与者及其相互关系，有效把握产业发展需求。四是成立跨部门领导小组，发挥市场经济条件下新型举国体制优势，成

54、立具体执行机构，保持氢能推广的统一性和高效性。（四）通过重点领域应用促进氢能多元发展（四）通过重点领域应用促进氢能多元发展目前我国试点示范主要支持氢燃料电池汽车，建议针对国内氢能和燃料电池产业存在的技术开发不充分、产品性能不够完善、缺乏批量生产能力等问题，整合各方优势，打通制氢、储运氢、加氢站以及燃料电池汽车全产业链，结合我国工业副产氢以及新能源发展，开展燃料电池分布式供能和车用动力系统示范。同时，将氢能发电、示范推广氢燃料电池汽车、推广家用燃料电池等作为推动氢能利用的重要领域，充分利用我国工业副产氢气量大的优势，以燃料电池汽车和加氢站为重点，推进氢燃料电池汽车和加氢站建设形成良性循环。在氢气富余的区域试点建设氢能发电，探索氢能发电模式。研发家用燃料电池，条件成熟时在家庭以及医院等需备用电源的地方推广应用，扩大氢能应用范围。（作者：崔志广）