氢能及燃料电池产业研究：深远以计，玉汝于成
1.碳中和目标之下：百年大计氢助力
随经济发展高质量化，我国单位GDP能耗、碳强度逐年持续下降。我国碳强度下降速度大于单位GDP能耗下降速度，至2030年实现“达峰”、至约2060年实现“净零”。与单位GDP能耗变化、碳强度变化相应，供能端非化石能源（高效）替代、用能端（高效）电能替代是达峰、净零的关键。基于此，我国非化石能源在一次能源中的消费占比（至2060年达80%）、终端电气化率等都将持续提升。
在高比例可再生能源、并网条件下，提升电气化率需要瞬时、日内至周内、更长时乃至跨季节的储能技术支持。电气化率不会提升至100%，那些“不用电”的场合或者因为离网（从而需要高能量密度支持），或者因为特殊的环境、工艺需求等。氢及氢能是目前技术条件下并网跨季节储能的相对优选（提升电气化率），以及离网储能应用、应急长时供能的重要组成部分与中间体（依托前端非化石能源，在难于电气化的领域实现全过程减碳）。
净零排放情景下，我国的能源消费总量存在研究争议（和当前基本持平，还是能源强度降低超预期），但是能源结构必然面临“供给可再生能源、消费直接/间接电气化”的调整。氢能在这一过程中有望成为关键性的二次能源，成为能源革命的重要组成部分。氢气有望在可再生能源电力0.2元以内、特高压输电用户侧制氢及规模加注情景下，实现30元/kg甚至更低的实际使用成本；对应的主要应用增量是二次能源间接电气化。氢气的年规模将从当前约2500万吨增加至接近1亿吨。如果能源强度降低有限，氢气规模可能更高。
2.政策：从全局探索到局域先发
当前，各个环节的技术竞争力现状、成本现状和竞争性技术路线扩张等因素共同导致了氢能-燃料电池产业链发展的相对滞后。
2020年以前的大规模补贴（商用车单车50万元国补等）引发了初期规模扩张（2019年产销规模约3000辆），但也存在问题。2020年9月21日， 财政部、 工信部、 科技部和能源局等联合下发《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知（财建〔 2020〕 394 号 ） 》 ， 对燃料电池汽车的购置补贴政策调整为燃料电池汽车示范应用支持政策。2021年8月31日，北京（大兴、海淀、延庆、顺义、房山、昌平、经开等区，天津滨海新区，保定，唐山，滨州、淄博）、上海（上海，苏州、南通，嘉兴，淄博，宁东，鄂尔多斯）、广东（佛山、广州、深圳、珠海、东莞、中山、阳江、云浮，福州，淄博，包头，六安）等三个城市群率先获批。
城市群示范目标涵盖燃料电池汽车规模、功率、启动温度、功率密度、续航、质保、运行里程、技术探索、氢气产量、制氢碳排放和氢气价格等多方面因素，有效体现了氢能-燃料电池产业链技术进步-成本下降的各个要素。燃料电池汽车的积分基准值逐年减少；单车功率80kW是关键指标；关键零部件、质量安全等有加分；用氢清洁低碳经济有加分。氢能供应给出了经济运输半径200km。根据燃料电池汽车城市群示范目标和积分评价体系， 示范城市补贴上限分1.7万分， 1分奖励10万元， 对应奖励总额17亿元；如果超额完成任务，最多可予以10%奖励。
北京《实施方案》明确，以冬奥会和冬残奥会重大示范工程为依托，2025年前，具备氢能产业规模化推广基础，产业体系、配套基础设施相对完善，培育10-15家具有国际影响力的产业链龙头企业，形成氢能产业关键部件与装备制造产业集群，建成3-4家国际一流的产业研发创新平台，京津冀区域累计实现氢能产业链产业规模1000亿元以上，减少碳排放200万吨。
上海市发改委发布《关于支持本市燃料电池汽车产业发展若干政策》通知，政策自2021年11月1日起实施，有效期至2025年12月31日。加大财政资金统筹支持力度；支持整车产品示范应用；推动关键核心零部件产业化；鼓励重点领域模式创新；推动燃料电池公交车示范应用；支持加氢站布局建设；引导降低加氢成本；完善全产业链政策扶持体系，从以上8个维度支持上海市燃料电池汽车产业发展。
10月13日，广东省人民政府发布《广东省科技创新“十四五”规划》。规划提出：加强氢能产业前沿技术和颠覆性技术研发。推动氢气压缩机自主化，突破氢能成本瓶颈。开展液氨/有机物等液体储氢、新型材料吸附储氢等颠覆性技术研究，实现氢安全高效低成本储运。推动固体氧化物氢燃料电池家庭化/工业化商用、大功率氢燃料电池系统在大型船舶和重载汽车商用、氢代替煤炭冶金、氢能城市公共交通等技术研发。
到示范期末，广东年供氢超过10万吨，建成加氢站约200座，车用氢气终端售价降到30元/公斤以下，示范城市群产业链更加完善。到2025年末，关键零部件研发产业化水平进一步提升，建成具有全球竞争力的燃料电池汽车产业技术创新高地。山东省“氢进万家”工程实施周期 5年，在济南、青岛、潍坊、淄博四个城市，开展副产氢纯化、可再生能源制氢、管道输氢、氢能交通、热电联供、氢能产业链数据监控等氢能生产和利用技术的工程化示范，打造全国首个万台套氢能综合供能装置示范基地。
构建“一区一核两带”氢能产业格局。到2025年，培育国内先进的企业10-15家，氢能产业链年产值达到500亿元。到2022年，全省建成25座加氢站，燃料电池公交车、物流车等示范运行规模达到1000辆，重载汽车示范实现百辆级规模；氢气实现在交通、储能、电力、热力、钢铁、化工、通信、天然气管道混输等领域试点示范。
3.氢源储运加注：路径和经济性
三种氢源路径：灰氢（化石能源制氢），蓝氢（化石能源制氢+碳捕集；工业副产氢）和绿氢（电解水制氢），由于化石燃料制氢碳排放大，灰氢长期不可取；工业副产宜因地制宜；绿氢目前受制于电费成本高。
化石能源制氢和工业副产制氢成本较低，纯度有限，未来降本空间较小。电解水制氢成本偏高，主要因为设备成本和用电成本较高，随着可再生能源度电成本降低，电解水制氢降本的空间较大，或于2030年实现经济性。所以，未来的氢能制取将以“蓝氢”为过渡及局域应用，积极向“绿氢”发展。
绿氢是未来方向，正催生出新“蓝海”。市场对该产业的关注度不断提升，新能源企业如隆基股份等宣布布局氢能领域，油气或电力巨头也推出氢能产业发展新战略。
储氢手段多样，包括高压气氢、低温液氢、金属储氢、吸附储氢、有机化合物储氢等。技术要求单位体积、单位质量储氢效率高、成本低。我国车载储氢系统主要以35MPa 气氢为主，70MPa车载储氢系统尚处于示范阶段，车载液氢和深冷高压技术处于研发阶段。储氢瓶方面，中国目前成熟产品只有35MPa和70MPaIII型瓶，其中70MPaIII型瓶在乘用车样车上应用，IV型瓶还处于研发阶段，未来需要从30MPa向70MPa、从III型向IV型、从常温向低温、从小容积向大容积过渡。
储氢瓶核心原材料碳纤维尚未摆脱进口。运输环节的成本主要由运输距离、运输形式等要素决定。国内加氢站目前均以20MPa长管拖车运输为主，1kg氢气100km运输典型成本为6-8元。短期主要通过增加长管拖车数量或运输氢气的瓶组压力降低20%以上的公路运输成本，中长期通过液氢槽车把运输和加注环节的成本降低50-70%，通过氢气输配管道，将氢气单位运输成本降低80%以上。
4.氢应用：燃料电池，氢电技术和艺术
燃料电池的基本特征是能量来源以氢能为代表，自身起到电化学反应载体、功率输出作用。燃料电池技术根据载流子不同加以区分，质子交换膜、固体氧化物两种路线相对占优。燃料电池的典型能量利用效率在50%附近。各种极化带来的电压损失影响了实际效率。质子交换膜燃料电池的典型特征是氢离子的导电输运。其单体电连接组合成电堆，再增加必要零部件组成系统。
当前电堆国产化率约50%。金属板电堆功率密度达到3.1kW/L， 和丰田Mirai2014版电堆功率类似；国内新一代石墨板功率密度较高者达到3kW/L以上， 相对巴拉德9ssl电堆1.7kW/L有大幅提升。 国产电堆的短板主要在可靠性和寿命方面。
商用车用电池堆在耐久性、成本方面比乘用车要求更高，乘用车用电池堆在体积功率密度方面比商用车的目标要求高。到2035年，预计商用车电池堆成本从2500元/kW下降到400元/kW，寿命从11000h提升到30000h，乘用车电池堆体积功率密度从3kW/L提升到6kW/L。
2020-2025年是乘用车燃料电池系统面向产业化需求技术性能持续提升的关键阶段，2030-2035年为乘用车燃料电池系统技术达到规模化应用水平的关键阶段。2025年为商用车燃料电池系统性能持续提升、系统成本持续下降、可靠性大幅提升、实现大规模推广应用的时间节点。2030-2035年为商用车燃料电池系统全面达到产业化要求的关键节点。
《路线图》预计到2025年，氢能及燃料电池汽车推广应用取得进展，保有量5-10万辆，到2030年，实现氢能及燃料电池的大规模应用，汽车规模80-100万辆。技术水平、成本控制同步进步。全球燃料电池巨擘丰田的乘用车Mirai 第二代工况续航850km，最大功率182马力（131kW，自2014年的113kW提升约16%），最大扭矩300牛米，功率密度4kW/L（自2014年的3.1kW/L提升约30%），并创下实测氢耗百公里不足0.5kg的记录。
燃料电池乘用车续航已经不能大幅抛离同类动力电池车型，同时在动力性方面存在劣势，成本方面的劣势明显。鉴于燃料电池车型的动力性大幅提升需要纳米铂催化剂活性再上台阶而且系统复杂度更高，燃料电池成为乘用车主流选择的前景并不明朗，搭配更大的动力电池采取电电混合技术设计，最终一定程度规模化（插电混动燃料电池乘用车）的可能性相对更高。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是高温燃料电池，其功率规模上限高至MW级别，可兼容多种燃料类型。开发合适的固体电解质材料、正负极材料，进行合理的结构设计等等，都需要进一步的探索。该领域中国和国际先进水平（美国Bloom Energy，英国Ceres Power，爱沙尼亚Elcogen，日本三菱重工和京瓷，韩国有KCERACELL、KOREA SOFC FORUM、HNPOWER等）有差距。SOFC电解质多选用YSZ，负极多选用Ni-YSZ，正极多选用La-Mg氧化物。
