燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈研究報告：加氫站和氫氣產(chǎn)業(yè)鏈率先受益

中國燃料電池進入產(chǎn)業(yè)化階段，萬億級產(chǎn)業(yè)拉開序幕

氫燃料電池技術(shù)滿足產(chǎn)業(yè)化需求，能源革命開啟

目前的燃料電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經(jīng)達到產(chǎn)業(yè)化條件， 滿足下游交 通和備電 等領(lǐng)域應(yīng) 用:(1 )燃料電 池車輛壽 命和運營 里程達到 傳統(tǒng)汽柴油 車水準(zhǔn)， 在英國和 美國均 有燃料電 池公交車(FCEB)運 營壽命 超過2.9 萬小時，無需大修或更換燃料電池組;(2)低溫啟動溫度可以達 到-30°C;(3)鉑金催化劑用量較小，未來不會引起鉑金資源短缺，目前國 際先進催化劑耗鉑水平可達到0.125g/kW，未來單車鉑金用量可以低于5g， 與傳統(tǒng)柴油 車尾氣催 化劑鉑用 量相當(dāng)， 并且催化 劑在往低 鉑和無鉑 方向發(fā) 展;(4)成本快速下降，日韓燃料電池汽車預(yù)計2025 年能達到傳統(tǒng)內(nèi)燃機 車成本水平;(5) 氫耗與油 耗成本持 平，并且 隨著規(guī)模 擴大，氫 氣成本存 在較大下行空間。

氫燃料電池具有零排放、零污染的特性，被認(rèn)為是未來清潔環(huán)保的理想技 術(shù)，是終極 新能源動 力解決方 案。燃料 電池本質(zhì) 上是發(fā)電 機，下游 應(yīng)用場 景廣泛，可 以應(yīng)用于 交通領(lǐng)域 和發(fā)電領(lǐng) 域等。我 們認(rèn)為燃 料電池發(fā) 展將掀 起一輪能源 革命，氫 將取代一 部分石油 ，成為能 源體系中 的重要一 環(huán)，未 來氫燃料電池市場規(guī)模可達萬億級別。

國家政策循序漸進，地方政府積極推動

中國對于燃料電池發(fā)展支持處于循序漸進狀態(tài)，我國從2001 年就確立了“863 計劃電動汽車重大專項”項目， 確定三縱三橫戰(zhàn)略， 以純電動、 混合電動 和燃料電 池汽車 為三縱 ，以多 能源動力 總成控 制、驅(qū) 動電機 和動 力蓄電池 為三橫。 近期隨 著燃料 電池產(chǎn) 業(yè)發(fā)展逐 漸成熟 ，中國 在燃料 電池 領(lǐng)域的規(guī) 劃綱要和 戰(zhàn)略定 調(diào)已經(jīng) 出現(xiàn)苗 頭，支持 力度逐 漸加大 ，政策 從產(chǎn) 業(yè)規(guī)劃、發(fā)展路線和補貼扶持全方位支持燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

產(chǎn)業(yè)規(guī)劃:2016 年 11 月 29 日，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》 提出系統(tǒng) 推進燃料 電池汽 車研發(fā) 和產(chǎn)業(yè) 化。加強 燃料電 池基礎(chǔ) 材料與 過程 機理研究 ，推動高 性能低 成本燃 料電池 材料和系 統(tǒng)關(guān)鍵 部件研 發(fā)。加 快提 升燃料電 池堆系統(tǒng) 可靠性 和工程 化水平 ，完善相 關(guān)技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)。 推動車 載儲 氫系統(tǒng)以及氫制備、儲運和加注技術(shù)發(fā)展，推進加氫站建設(shè)。到 2020 年，實現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)模化示范應(yīng)用。

發(fā)展路線:2016 年10 月，汽車工程年會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中指出，到2020 年燃料電池汽車在公共服務(wù)領(lǐng)域的示范應(yīng)用要達 到5000 輛的規(guī)模;到2025 年，實現(xiàn)氫燃料電池汽車的推廣應(yīng)用， 規(guī)模達 到5 萬輛; 到2030 年， 實現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用， 氫燃 料電池汽車規(guī)模超過1百萬輛。

補貼扶持:2016 年12 月30 日財政部、科技部、工業(yè)和信息化部和發(fā)改 委發(fā)布的 《新能源 汽車推 廣補貼 方案及 產(chǎn)品技術(shù) 要求》 中規(guī)定 除燃料 電池 汽車外，各類車型2019-2020 年中央及地方補貼標(biāo)準(zhǔn)和上限，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) 基礎(chǔ)上退坡20%，對燃料電池汽車補貼延續(xù)至2020 年不退坡，對于燃料 電池乘用車，給予20 萬元/輛補貼;對于燃料電池小型貨車、客車，給予30 萬/輛補貼;對于燃料電池大中型客車，中重型貨車，給予50 萬/輛補 貼。2018 年發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通 知》，燃料電池汽車補貼基本保持不變。

地方政府中，富氫優(yōu)勢、棄電較多或者產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先為代表的地區(qū)重視燃料電 池 發(fā)展。 多地市興建氫 能產(chǎn)業(yè)園 區(qū)，氫 能小鎮(zhèn) 和產(chǎn)業(yè)集 群等， 推動燃 料電 池公交、物流車示范運營，截至目前超過20 地市明確推動氫燃料電池產(chǎn)業(yè) 發(fā)展。目 前僅上海 、武漢 、山東 、蘇州 、張家口 、佛山 、鹽城 和大同 等地 規(guī)劃顯示，到2020 年燃料電池汽車數(shù)量將超過1.5 萬輛。

中國燃料電池浪潮開啟，遠期萬億規(guī)模可期

中國燃料電池產(chǎn)業(yè)目前與2012 年鋰電池極為相似，政策自上而下支持，技 術(shù)達到產(chǎn) 業(yè)化條件 ，產(chǎn)業(yè) 鏈國產(chǎn) 化進程 開啟，企 業(yè)加快 布局速 度，資 本市 場投融資熱度持續(xù)上升。

中國燃料電池汽車發(fā)展路徑明確:前期通過商用車發(fā)展，規(guī)模化降低燃料 電池和氫 氣成本， 同時帶 動加氫 站配套 設(shè)施建設(shè) ，后續(xù) 拓展到 私人用 車領(lǐng) 域。優(yōu)先 發(fā)展商用 車的原 因在于:一方 面公共交 通的平 均成本 低，而 且能 夠起到良 好的社會 推廣效 果，形 成規(guī)模 后帶動燃 料電池 成本和 氫氣成 本下 降;另一 方面商用 車行駛 在固定 的線路 上且車輛 集中， 建設(shè)配 套的加 氫站 比較容易 。當(dāng)加氫 站數(shù)量 增加、 氫氣和 燃料電池 成本降 低時， 又會支 撐更 多燃料電池汽車。

2017 年是中國燃料電池汽車元年，全國燃料電池汽車產(chǎn)量達到1272 輛。2018 年燃料電池汽車商業(yè)化運營的元年，產(chǎn)量達到1619 輛，目前國家補 貼到2020 年不退坡，在國家和地方補貼的支持下，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)開啟 以補貼為基石的內(nèi)生性增長時代。

截止2018 年底，全國投入運營車輛約694 輛，其中公交234 輛左右，物流 車約300 輛，輕客160 輛。其中，燃料電池物流車在上海已經(jīng)開展商業(yè)化 運營，目前在運營數(shù)量達到300 輛左右，運營里程超過400 萬km，用戶包 括京東、申通快遞、盒馬鮮生、宜家等物流用戶。

我們預(yù)計隨著成本的持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將得到迅速擴大，行業(yè)將在未來 十年迎來百倍增長，到2030 年燃料電池汽車市場規(guī)模達到5000 億，車用 燃料電池市場規(guī)模達到1200 億，遠期燃料電池汽車和熱電聯(lián)產(chǎn)等市場規(guī)模 可達萬億。

• 2017-2020，燃料電池產(chǎn)業(yè)處于商業(yè)化運營的導(dǎo)入期，產(chǎn)業(yè)在政府補貼 扶持下實現(xiàn) 盈利。同 時燃料 電池成本 與氫氣 成本隨著 規(guī)模擴大 而穩(wěn)步 下降，預(yù)計到2020 年，系統(tǒng)成本可低于6000 元/kW，富氫地區(qū)氫氣售 價可達30 元/kg，燃料電池汽車產(chǎn)銷量達到萬輛。

• 2021-2025，燃料電池進入快速增長期，產(chǎn)業(yè)在合理補貼退坡情況下實現(xiàn)盈利。到2025 年系統(tǒng)成本達到2000 元/kW，氫氣售價降低到28 元/kg，燃電池汽車產(chǎn)銷量達到25 萬輛。

• 2026-2030，燃料電池進入爆發(fā)期，產(chǎn)業(yè)無需補貼可以實現(xiàn)內(nèi)生性增長。 到2030 年系統(tǒng)成本不高于1000 元/kW，氫氣售價23 元/kg，燃料電池 汽車產(chǎn)銷量達到150 萬輛以上，燃料電池汽車市場規(guī)模達到5000 億。

基礎(chǔ)設(shè)施是產(chǎn)業(yè)痛點，加氫站搭臺奠定基礎(chǔ)

加氫站引發(fā)重視，業(yè)界呼吁推動基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展

國內(nèi)燃料電池汽車的發(fā)展仍處于導(dǎo)入期階段，主要制約因素在于兩個方面: 一是基礎(chǔ)配套設(shè)施不完善(加氫站少)， 二是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化程 度有 待提升，目前電堆產(chǎn)業(yè)鏈達到50%，成本依然較高。

加氫站之于燃料電池汽車,猶如加油站之于傳統(tǒng)燃油汽車、充電站之于純電 動汽車,是支撐燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必 不可少的基石。燃料電池汽車 的發(fā) 展和商業(yè) 化離不開 加氫站 基礎(chǔ)設(shè) 施的建 設(shè)。若沒 有完善 的加氫 站基礎(chǔ) 設(shè)施 布局，則 很難支撐 起燃料 電池車 應(yīng)用規(guī) 模的擴大 ，因此 加氫站 的建設(shè) 是產(chǎn) 業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

國內(nèi)加氫站較少，建設(shè)速度需要繼續(xù)提升。2016 年初全國運營加氫站只有3 座，北京永豐、上海安亭和鄭州宇通。經(jīng)歷2 年多的發(fā)展;目前正在運 營的超過19 座，分別位于北京、上海、江蘇、大連、安徽、河南、廣東等 地。2018 年開工建設(shè)的加氫站23 座，規(guī)劃加氫站44 座。雖然這兩年加氫 站建設(shè)提速，但是相對于氫燃料電池產(chǎn)業(yè)需求，加氫站數(shù)量遠遠不夠。

加氫站缺乏現(xiàn)狀引起產(chǎn)業(yè)界關(guān)注，2019 年兩會期間，眾多能源巨頭和車企 和高管均有 推動加 氫站建 設(shè)建議， 主要包 括:( 1)制定 加氫站 等基礎(chǔ) 設(shè)施 規(guī)劃;(2 )健全 加氫站建 設(shè)、規(guī)范 和審批 制度;( 3)加 大加氫站 補貼力 度。

加氫站工作原理和建設(shè)模式

現(xiàn)有加氫站技術(shù)來源于天然氣加氣站，有兩種建設(shè)方式:1)站內(nèi)制氫供氫 加 氫 站 技術(shù);2)外 供氫加氫站技術(shù)。中國加氫站以外供 氫路線為主。

• 1)站內(nèi)制氫加氫站技 術(shù):來源于天然 氣管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)加 氣站原理，即加氫 站內(nèi)有制氫設(shè)備(如天然氣重整制氫)產(chǎn)生氫氣(相當(dāng)于天然氣管道 輸送來的氣源)和加氣站設(shè)備的組合。

• 2)外供氫加氫站技術(shù):來源于天然氣 母站和子站原 理，即從外面工廠(相當(dāng)于母站提供氣源)經(jīng)加氫站(子站)二次加壓完成對外加氣。

加氫站的工作原理(以外供氫加氫站為例):氫氣通過管束槽車運輸至加氫 站 ，經(jīng)由 氫氣壓縮 機增壓 后儲存 至站內(nèi) 的高壓儲 罐中， 再通過 氫氣加氣 機 為 燃料電 池汽車 加注氫 氣。 當(dāng)管束槽車的壓力 足夠高 時，可從 槽車中 直接 給車輛加氫;壓力不夠部分從氫氣高壓儲罐中給汽車進行補充氫氣。

• 實際操作中，氫氣儲罐可由多個壓力級別不同的儲罐并聯(lián)而成，先將 低壓儲罐中的氫氣用于加注，直到低壓儲罐與車載容器達到壓力平衡， 再換為高壓儲罐進行加注。

加氫站核心設(shè)備依賴進口，國產(chǎn)化逐步開啟

加氫站的主要設(shè)備:包括儲氫裝置、壓縮設(shè)備、加注設(shè)備、站控系統(tǒng)等， 其中壓縮機占總成本較高(約30%)。目前設(shè)備制造的發(fā)展方向主要是加速 國 產(chǎn) 化 進程，從而降 低加氫站的建設(shè)成本，促進氫能產(chǎn)業(yè) 鏈的發(fā)展。

• 高壓儲氫裝置:一般有兩種方式，一種是用具有較大容積的氣瓶，該 類氣瓶的單個水容積在600L~1500L 之間，為無縫鍛造壓力容器;另 一種是采用小容積的氣瓶，單個氣瓶的水容積在45L~80L。從成本角度看，大型儲氫瓶的前期投資成本較高，但后期維護費用低，且安全 性和可靠性較高。北京永豐加氫站儲氫裝置是美國CPI 公司生產(chǎn)的TAE/EVO-121 氫氣高壓儲罐。

• 氫氣壓縮設(shè)備:常用的氫氣壓縮設(shè)備為隔膜式壓縮機，該型壓縮機靠 金屬膜片在氣缸中作往復(fù)運動來壓縮和輸送氣體。氫氣壓縮機在加氫 站中占據(jù)重要地位，目前我國加氫站所采用的氫氣壓縮機仍需外購。 未來國內(nèi)加氫站與生產(chǎn)壓縮機的外資企業(yè)加強合作以及加快國產(chǎn)化速 度的情況下，有望將壓縮機的成本減少50%以上。

• 氫氣加注設(shè)備:氫氣加注設(shè)備與天然氣加注設(shè)備原理相似，由于氫氣 的加注壓力達到35Mpa，遠高于天然氣25Mpa 的壓力，因此對于加氫機 的承壓能力和安全性要求更高。根據(jù)加注對象的不同，加氫機設(shè)置不 同規(guī)格的加氫槍。如安亭加氫站設(shè)置TK16 和TK25 兩種規(guī)格的加氫槍， 最大加注流量分別為2kg/min 和5kg/min。加注一輛轎車約用3-5 分鐘， 加注一輛公交車約需要10-15 分鐘。

• 站控系統(tǒng):作為加氫站的神經(jīng)中樞，站控系統(tǒng)控制著整個加氫站的所 有工藝流程有條不紊的進行，站控系統(tǒng)功能是否完善對于保證加氫站 的正常運行有著至關(guān)重要的作用。

中國所生產(chǎn)的加氫站設(shè)備各項技術(shù)指標(biāo)仍有欠缺，但是目前國產(chǎn)化已經(jīng)開 啟 ， 業(yè) 內(nèi)企業(yè)在各領(lǐng) 域均推出自主產(chǎn)品。

• 高壓儲氫裝置:2 018 年1 月，安瑞科生產(chǎn)87.5MP a 纏繞大容積儲氫容 器用于863 項目70MPa 加氫站。該儲氫容器率先采用了碳纖維全纏繞 增 強鋼內(nèi)膽 的結(jié)構(gòu)形 式，解 決了結(jié)構(gòu) 設(shè)計、成 型工藝 、密封、 氫脆等 多 個 技 術(shù)難題，填補 了國內(nèi)空白，技術(shù)達到世界領(lǐng)先水平 。

• 氫 氣壓縮 設(shè)備: 北京天高和江蘇恒 久機械均 有隔膜壓 縮機研發(fā) ，北京 天高壓縮機 產(chǎn)品運用 在國內(nèi) 近十座加 氫站的 項目，參 與了國家 科技部 環(huán)保新能源“863”計劃中的汽車加氫項目。

• 氫 氣加注 設(shè)備: 張家港富瑞氫能加 氫機取得 國內(nèi)整機 防爆認(rèn)證 ，并且 供應(yīng)國內(nèi)超過15 座加氫站項目。上海舜華35MPa 加氫機已成功應(yīng)用于 世博會加氫站和大運會加氫站。

大規(guī)模低成本氫氣是產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵，氯堿制氫+氣氫拖車是當(dāng)下合理路線

氫之于燃料電池，正如石油之于傳統(tǒng)汽車、鋰礦石之于電動車，為必不可 少之基礎(chǔ) 。燃料電 池產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展 ，便捷 地獲得低 成本的 氫燃料 成為行 業(yè)能 否順利發(fā) 展的關(guān)鍵 。氫氣 的成本 主要包 括制氫和 儲運成 本，當(dāng) 下氫氣 核心 在于采取合理制氫和儲運方式。

我們認(rèn)為現(xiàn)階段最佳的制氫和運氫方式搭配為:氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫+氣氫拖車 運輸，其氫氣成本范圍在17.9~19.2 元/kg。該氫源路線的選擇主要是基于 成本和環(huán) 保的角度 考慮的 。此外 ，通過 測算氫氣 作為燃 料的經(jīng) 濟性， 我們 得出結(jié)論:如果使 氫燃料 電池車 具有較 強的競爭 力(百 公里耗 氫成本 較百 公里耗油成本低20%以上)，則氫氣到站成本需控制在22.78 元/kg 以下。

氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫是目前最現(xiàn)實的大規(guī)模燃料電池用氫氣的來源:在現(xiàn)階段， 選擇成本 較低、氫 氣產(chǎn)物 純度較 高的氯 堿工業(yè)副 產(chǎn)氫的 路線， 已經(jīng)可 以滿 足下游燃 料電池車 運營的 氫氣需 求;在 未來氫能 產(chǎn)業(yè)鏈 發(fā)展得 比較完 善的 情況下，利用可再生能源電解水制氫將成為終極能源解決方案。

氣氫拖車是未來一段時間的主要運輸方式。基于200km 左右運輸距離和每 天10 噸的運輸規(guī)模來看，氣氫拖車的成本可以達到2.02 元/kg， 液氫罐 車是未來 的重要方 向，其 運輸能 力是氣 氫拖車的 十倍以 上，配 合大規(guī) 模可 再生能源或者核電的棄電，是燃料電池大規(guī)模部署后的氫氣解決方案。

制氫分析:氯堿制氫可滿足當(dāng)前下游需求 ，化石燃料制氫成本低廉， 可再生能源電解水助力實現(xiàn)未來零排放

目前，制備氫氣的幾種主要方式包括氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、化工 原料制氫(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解 等)、石化資源制氫(石油裂 解、 水煤氣法等)和新型制氫方法(生物質(zhì)、光化學(xué)等)。

我們認(rèn)為氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫是現(xiàn)階段最適合的制氫方式，主要基于以下兩點 判斷:

(1)從制氫工藝的成本和環(huán)保性能角度來看，氯堿制氫的工藝成本最為適 中，且所制取的氫氣純度高達99.99%，環(huán)保和安全性能也較好，是目前較 為 適 宜 的制氫方法。分析如下:

• 水煤氣法制氫成本最低，適用規(guī)模大，但是二氧化碳排放量最高，且 所產(chǎn)生氫氣含硫量高，如果用于燃料電池，會導(dǎo)致燃料電池催化劑中 毒，如果應(yīng)用脫硫裝置對其產(chǎn)生氫氣進行處理，不但增加了額外的成 本，對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求也很高;

• 石油和天然氣蒸汽重整制氫的成本次之，約為0.7~1.6 元/Nm3 ，能量轉(zhuǎn) 化率高達 72%以上，但環(huán)保性不強，未來可以考慮通過碳捕捉技術(shù)減少 碳排放;

• 氯堿制氫工藝成本適 中，在1.3~1.5 元/Nm3 之間，且 環(huán)保性能較好， 生產(chǎn)的氫氣純度高，目前而言適用于大規(guī)模制取燃料電池所使用的氫 氣原料，也是可實現(xiàn)度最高的氫氣來源。

• 甲醇裂解和液氨裂解成本較氯堿制氫高50%左右，較化石資源制氫技術(shù) 前期投資低、能耗低，較水電解法制氫單位氫成本低。

• 水電解法制氫成本最 高，在2.5~3.5 元/Nm3 之間，且成 本在不斷降低 ， 碳排放量低，且在應(yīng)用水力、潮汐、風(fēng)能的情況下能量轉(zhuǎn)化率高達70% 以上。在未來與可再生能源發(fā)電緊密結(jié)合的條件下，水電解法制氫將 發(fā)展成為氫氣來源的主流路線。

(2)從理論儲備和經(jīng)濟儲備的角度來看，氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的經(jīng)濟儲備能夠 滿足長三角地區(qū)對于氫氣的需求，全國范圍來看也儲備充足。我們通過統(tǒng) 計氯堿工 業(yè)和其他 化工原 料(天 然氣、 甲醇、液 氨等) 的產(chǎn)能 ，計算 了理 想情況下氫氣的理論產(chǎn)能和經(jīng)濟產(chǎn)能(如圖表3)。

• 假設(shè)(1)產(chǎn)能利用率 為76%;(2)化 工原料和天然 氣裂解制氫的部分 相當(dāng)于原有產(chǎn)能的3%;(3)燃料電池乘用車以豐田Mirai 作為數(shù)據(jù)樣 本(儲氫量5kg，續(xù)駛里程482km);(4)燃料電池物流車以E-truck 為數(shù)據(jù)樣本(儲氫量7.5kg，續(xù)駛里程400km，載重量4-8 噸);(5)乘用車年行駛里程數(shù)取值1 萬公里;(6)物流車年行駛里程數(shù)取值12 萬公里。

• 我們得出結(jié)論:目前全國范圍內(nèi)的氯堿工業(yè)制取的氫氣相當(dāng)于76 萬噸/年的產(chǎn)能，可供34 萬輛燃料電池物流車使用一年，或者可供243 萬 輛燃料電池乘用車使用一年。如加上現(xiàn)有天然氣、甲醇、液氨裂解產(chǎn) 生氫氣的量，約為202 萬噸/年，可滿足90 萬輛物流車或648 萬輛乘 用車一年的氫氣需求量。

• 我們以目前燃料電池 車數(shù)量較集中 的江蘇上海一帶 作為中心，200km、500km 作為半徑，劃定了兩種不同的范圍，分別考慮其產(chǎn)能。可以發(fā)現(xiàn)， 在所劃定的200km 范圍內(nèi)，氯堿副產(chǎn)氫氣產(chǎn)能可以供14 萬輛物流車或99 萬輛乘用車使用;在500km 范圍內(nèi)，氯堿副產(chǎn)氫氣產(chǎn)能可供16 萬輛 物流車或112 萬輛乘用車使用。

氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫:目前最現(xiàn)實的大規(guī)模燃料電池用氫氣的來源

氫氣的制備技術(shù)和存儲運輸?shù)燃夹g(shù)等，均影響到燃料電池所用燃料是否能 方 便快捷 低成本 地獲得 。 其中氫能的大規(guī)模、 低成本 和高效制 備是首 先需 要解決的關(guān)鍵性難題。根據(jù)Hydrogen Analysis Resource Center的統(tǒng)計 數(shù)據(jù)顯示，全球制氫能力約保持在1440 百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/天。其中中國 的制氫能力保持在1320.86 噸/天以上。

• 根據(jù)日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省 的統(tǒng)計分析，201 4 年日本氫氣售 價的構(gòu)成主要由 氫氣原材料、氫氣的生產(chǎn)運輸成本、加氫站的固定和可變成本以及加 氫站運營維護幾個部分組成。其中涉及到氫氣的制備和儲運的成本占38%。而對比看來，汽油售價的重要組成部分則是汽油的消費稅。

• 影響我國氫氣售價的最主要因素是包括制氫和儲運氫氣在內(nèi)的氫氣成 本部分。比較日本和我國的加氫站氫氣售價價格組成可以發(fā)現(xiàn)，影響 日本氫氣售價的最主要的兩個因素是氫氣成本(約占38%)和加氫站固 定成本(約占26%)，而影響我國氫氣售價最主要的因素是氫氣成本(約占65%)。

根據(jù)氫氣的原料不同，氫氣的制備方法可以分為非再生制氫和可再生制氫， 前 者 的 原料是化石燃 料，后者的原料是水或可再生物質(zhì)。

制備氫氣的方法目前較為成熟，從多種能源來源中都可以制備氫氣，每種 技 術(shù)的成 本及環(huán) 保屬性 都不相 同。 主要分為五種技術(shù)路 線:氯 堿 工業(yè)副 產(chǎn) 氫、電解水制氫、化工原料制氫、石化資源制氫和新型制氫方法等。目前 制備氫氣的最主要問題是如何控制制氫過程中的碳排放 、成本方面，未來 技術(shù)的主 要發(fā)展方 向是使 用可再 生能源 電解水， 包括生 物制氫 和太陽 能制 氫等。

全球來看，目前主要的制氫原料96%以上來源于傳統(tǒng)能源的化學(xué)重整(48% 來自天然氣重整、30%來自醇類重整，18%來 自焦?fàn)t煤氣)，4%左右來源 于電 解水。

• 日本鹽水電解的產(chǎn)能占所有制氫產(chǎn)能的63%，此外產(chǎn)能占比較高的還包 括天然 氣改制(8%)、乙 烯制氫(7%)、焦 爐煤氣 制氫(6%) 和甲醇改 質(zhì)(6%)等。

• 目前國內(nèi)主流的氫氣來源為焦?fàn)t煤氣制氫，但考慮到所制得的氫氣純 度不高(含硫)，且制 氫的過程耗時長 、對環(huán)境造成 污染，如果再經(jīng)過 脫硫脫硝的步驟則增加了制氫的成本。因此在考慮燃料電池所使用的 氫氣來源時，主要依靠氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣、甲醇、液氨重整產(chǎn) 生的氫氣，未來在體系完善技術(shù)加強的情況下將逐步選用可再生能源 電解水制氫，打造真正零污染的氫能供應(yīng)鏈。

目前燃料電池所使用的氫氣來源最主要的途徑是來源于氯堿工業(yè)的副產(chǎn)品。 雖然從整 個氫氣產(chǎn) 量來看 ，利用 煤作為 原料來制 備氫氣 占全部 制氫產(chǎn) 量的2/3，但是由于煤制氫氣中含有雜質(zhì)較多， 對于純化裝置要求較高從而 增加 了成本， 因此作為 氯堿工 業(yè)副產(chǎn) 品的氫 氣用于供 應(yīng)給燃 料電池 作為原 料的 路線較為常見。

• 氯堿廠 以食鹽 水(NaC l)為 原料 ，采 用離子 膜或 石棉隔 膜電 解槽生產(chǎn) 燒堿(NaOH)和氯氣(Cl2 )，同時可得到副產(chǎn)品氫氣。(2NaCl+2H2O→ 2NaOH+H2 ↑+Cl2 ↑)把這類氫氣再去掉 雜質(zhì)，可制得純 氫。我國許多氯 堿廠都采用PSA 提氫裝置處理，可獲得高純度氫氣(氫純度可達99%~99.999%)。

• PSA 技術(shù)是利用氣體組分在固體吸附材料上吸附特性的差異,通過周 期性的壓力變化過程實現(xiàn)氣體的分離與凈化。PSA 技術(shù)是一種物理吸 附法。PSA 具有能耗低、 投資少、 流程簡單、 自動化程度高、 產(chǎn)品 純度高、 無環(huán)境污染等優(yōu)點。

根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2015 年，我國氯堿廠產(chǎn)能為3961 萬噸，產(chǎn)量為3028.1 萬噸。根據(jù)氯堿平衡表，燒堿與氫氣的產(chǎn)量配比為40:1，理論上將 產(chǎn)生氫氣75.7 萬噸，即85 億Nm3 氫氣，理論上可以供243 萬輛乘用車使用。 但考慮氯 堿廠區(qū)域 分布、 運輸距 離、期 間損耗及 不同車 型的耗 氫量， 幾十 萬輛的規(guī)模問題不大。

目前氯堿廠對氫氣的利用主要是兩個方面，一是與氯氣反應(yīng)生產(chǎn)鹽酸， 另一方面將氫氣直接燃燒，產(chǎn)生熱能。但是后者需要的投資較大，因 此大量的氯堿廠實際上將氫氣都直接放空了。這樣對于氫氣資源實質(zhì) 上是一種浪費，如能合理收集氯堿廠所生產(chǎn)的氫氣，對于發(fā)展燃料電 池而言是一種合理的途徑。

氯堿工業(yè)副產(chǎn)制氫的成本約為14.6~16.85 元/kg(即1.3~1.5 元/Nm3)。氯 堿工業(yè)副產(chǎn)制氫的方法成本較低，且所制備的氫氣純度能達到99.99%以上， 同 時理論 儲量和經(jīng) 濟儲量 都相對 較高， 足以滿足 現(xiàn)有燃 料電池 對于氫氣 的 需求量。

水電解制氫:利用可再生能源電解水制氫助力未來實現(xiàn)零排放

電解水技術(shù)與光解水、熱化學(xué)制氫的不同特點:電解水技術(shù)成熟、設(shè)備簡 單、無污 染，所得 氫氣純 度高、 雜質(zhì)含 量少，適 用于各 種場合 ，缺點 是耗 能大、制氫 成本高;光 解 水技術(shù) 目前難點是催化 劑研制;熱 化 學(xué) 循環(huán)制 氫 系統(tǒng)更復(fù)雜，但制氫效率較高，結(jié)合可再生能源，利用效率更高。

• 目前商品化的水電解制氫裝置的操作壓力為0.8~3Mpa,操作溫度為80~90°C，制氫純度達到99.7%，制氧純度達到99.5%。

• 水電解制氫的關(guān)鍵是如何降低電解過程中的能耗，提高能源轉(zhuǎn)換效率。 電解水制氫一般都以強堿、強酸或含氧鹽溶液作為電解液。目前商用 電解槽法，能耗水平約為4.5~5.5kwh/Nm3H2，能效在72%~82%之間。折 算下來，水電解制氫成本相當(dāng)于30~40 元/kg，用電解法生產(chǎn)氣態(tài)氫的 價格比汽油約高65%，如果生產(chǎn)液態(tài)氫，則比汽油高約260%以上。

熱化學(xué)循環(huán)水分解制氫可耦合核能、太陽能甚至是工業(yè)廢熱進行高效制氫， 每 一步反 應(yīng)條件溫 和，理 論上不 會排放 任何污染 物;若 能在高 溫耐腐蝕 材 料等方面實現(xiàn)突破，將是最有希望實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)方式。根據(jù) 循環(huán)過程中使用過的不同物質(zhì)，一般將熱化學(xué)循環(huán)水分解制氫分成4 大類: 金屬氧化物體系、金屬鹵化物體系、含硫 體系以及電解-熱化學(xué)聯(lián)合的 雜化 體系。

使用電解水的方法大規(guī)模制氫有兩條主要的降本途徑:1)降低電解過程的 能耗;2)充 分利用可再生能源，使用棄風(fēng) 棄水棄光所產(chǎn)生電能進行電解 水。

各國通過研發(fā)新型技術(shù)降低電解過程中的能耗，但是根據(jù)熱力學(xué)原理，電 解水制備1m3 氫氣和0.5m3 氧氣的最低電耗為2.95 度電。由此可知，該途 徑降低成本的空間有限、技術(shù)復(fù)雜。

• 日本的新型技術(shù)將能耗降低到3.8kwh/Nm3 H2;美國GE 公司開發(fā)的固體 高分子電解質(zhì)(SPE) 水解法，以離子 交換膜作為隔膜 和電解質(zhì)，使電 解過程的能耗大大降低。針對電解水技術(shù)方面的改進主要集中在電解 池、聚合物薄膜電解池和固體氧化物電解池等種類，電池能效率由70% 提高到90%，但考慮到發(fā)電效率，實際上電解水制氫的能量利用效率不 足35%。

根據(jù)我們的測算，在不考慮運輸成本的條件下，假設(shè)運維和固定投資的成 本占電解水制氫的總成本的25%，計算出水電解制氫達到能夠和汽油競爭 的水平，電價必須保證在0.31 元/kwh 以下，如果考慮比汽油的價格更有 競爭力的情況，則對應(yīng)較92 號汽油價格低10%、20%、30%的情況，電價分 別需要達到0.28 元/kwh、0.25 元/kwh 和0.22 元/kwh 以下。

此外，大規(guī)模制氫也不能完全依賴于谷電電價。且目前電價政策對于這一 塊沒有特 殊的傾斜 ，因此 一般考 慮使用 棄風(fēng)棄光 所產(chǎn)生 的電能 電解水(電 價能達到0.25 元/kwh 左右)。

我國可再生能源豐富，每年棄水棄風(fēng)的電量都可以用于電解水。我國擁有 水電資源3.78 億kw，年發(fā)電量達到2800 億kwh。水電由于豐水器和調(diào)峰 需要，產(chǎn) 生了大量 的棄水 電能。 我國風(fēng) 力資源也 非常豐 富，可 利用風(fēng) 能約2.53 億kwh，相當(dāng)于水力資源的2/3。但風(fēng)電由于其不穩(wěn)定的特性，較難 上網(wǎng)，因 此每年棄 風(fēng)限電 的電量 規(guī)模龐 大。如果 將這部 分能源 充分利 用起 來，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是可觀的。

• 例如，三峽電站建成后，在每年的5~8 月棄水電能高達45 億kwh，即 使建設(shè)一座180 萬千瓦的抽水蓄能電站聯(lián)合運行，三峽電站的棄水電 能仍有21 億kwh。若將此電能用于電解水制氫，可生產(chǎn)氫氣4~4.5 億Nm3 ，可見利用 水電站的 棄水電能 來制氫， 將會使 我國出現(xiàn) 一個巨大的 氫源基地。

• 目前燃料電池汽車的分布主要以東部沿海城市為主，如果考慮到氫氣 的運輸成本，使用中西部地區(qū)的棄水電能進行氫氣的制備尚不具備成 本優(yōu)勢。

• 2010 年至2015 年，我國棄風(fēng)電量累計達到997 億千瓦時，直接經(jīng)濟損 失超過530 億元。僅過去一年棄風(fēng)電量就達到339 億千瓦時，直接經(jīng) 濟損失超180 億元，幾乎抵消全年風(fēng)電新增裝機的社會經(jīng)濟效益。解 決這樣的一個現(xiàn)狀的合理方式之一是采取儲電的方法。若利用氫能燃 料電池來儲電，則可解決風(fēng)能發(fā)電的平衡問題——利用風(fēng)能發(fā)電的電 能來電解水制氫，它成為氫能燃料電池的燃料，而燃料電池又用來儲 電。這個循環(huán)過程，既可解決風(fēng)能發(fā)電的負(fù)荷平衡，又可制得一定數(shù) 量的氫能。

• 例如，江蘇鹽城周邊有1000 多家風(fēng)電廠，目前所產(chǎn)生的電能無法并網(wǎng)， 使用這些風(fēng)電所產(chǎn)生的電能，結(jié)合海水電解技術(shù)，所產(chǎn)生的氫氣成本 可以達到2 元/Nm3，相對而言已經(jīng)具備了和汽油能源競爭的能力。

石化資源制氫:天然氣裂解制氫為主，水煤氣法對脫硫技術(shù)要求高

石化資源制氫:主要是天然氣裂解制氫路線，燃料電池所用氫氣一般不使 用 煤制氫 的技術(shù)路 線，主 要是因 為煤制 氫存在投 資成本 高、污 染嚴(yán)重和 碳 排 放量大 等問題 。 天然氣制氫技術(shù)主要 包括水 蒸氣重整 、部分 氫化、 自熱 重整、絕熱催化裂解等。

水煤氣法制氫含硫偏高，不適用于燃料電池。水煤氣法制氫是傳統(tǒng)的煤化 工工藝路徑 。通過 無煙煤 或者焦炭 與水蒸 氣在高溫 下反應(yīng) 得到水 煤氣(C+H2O→CO+H2—熱)，凈化后再使它與水蒸氣一起通過觸媒令其中的CO 轉(zhuǎn) 化成CO2(CO+H2O→CO2+H2)可得含氫量在80%以上的氣體。最后除去CO2 以 及CO 得到較為純凈的氫氣。這種方式制氫量大，成本低。但如果用于燃料 電池，則 其中含硫 量偏高 ，易使 得燃料 電池的鉑 催化劑 中毒， 損壞染 料電 池電堆。 因此目前 尚無法 實現(xiàn)大 規(guī)模生 產(chǎn)使用。 未來如 果脫硫 技術(shù)提 升， 則有顛覆氫氣來源的可能。

成本方面，天然氣裂解制氫的成本約為9~16.85 元/kg(即0.8~1.5 元/Nm3 之間)。 我們根據(jù)中石化集團經(jīng)濟技術(shù)研究院所提供的一些數(shù)據(jù)測算如 圖表34。天然 氣制氫雖 然成本 方面有 優(yōu)勢， 但需要針 對性地 制氫， 對于前 期投 資要求較高，且制氫過程會產(chǎn)生一定的污染。

天然氣重整制氫的成本相對石油售價和天然氣售價而言具有競爭力。我們 通過將不同能源折算為熱量單位(Btu)進行對比(圖表35)，根據(jù)我們的 分析和預(yù) 測，可發(fā) 現(xiàn)目前 同等熱 值的可 再生能源 電解水 成本已 經(jīng)低于 交通 用以及工 業(yè)用的石 油售價 ，而天 然氣重 整制氫的 成本已 經(jīng)低于 上述石 油售 價及天然氣工業(yè)用售價。

從能量轉(zhuǎn)換效率的角度來看，天然氣重整制氫的方法能量轉(zhuǎn)換效率最高， 而 乙醇裂 解和電 解水制 氫的方 法次之 。 各種制氫方式的能量轉(zhuǎn) 換效率 比較 如下:

化工原料制氫:甲醇制氫技術(shù)應(yīng)用于眾多特定場所，但成本較高

甲醇裂解制氫:由于甲醇具有易于運輸、易于獲得等特點，甲醇制氫技術(shù) 備受關(guān)注，并應(yīng)用于眾多特定的場所。利用甲醇制氫有3 種途徑:甲醇裂 解、甲醇-蒸汽重整和甲醇部分氧化。在 這三種方法中，甲醇裂解由于 應(yīng)用 范圍更廣和原料單一的特點具有更強的競爭力。

甲醇制氫與大規(guī)模的天然氣、重油轉(zhuǎn)化制氫或者水煤氣制氫相比，投資省， 能 耗 低;與水電解制 氫相比，單位氫氣成本低。

• 化石燃料制氫工藝一般需要在800°C以上的高溫下進行。所以轉(zhuǎn)化爐等 設(shè)備需要特殊材質(zhì)。同時需要綜合考慮能量平衡和利用，不適合小規(guī) 模制氫 。而 甲醇轉(zhuǎn) 化制 氫反應(yīng) 溫度 低(260~28 0°C)，工 藝條 件緩和， 燃料消耗低。與同等規(guī) 模的化石燃料制 氫裝置相比， 甲醇-蒸汽轉(zhuǎn)化制 氫的能耗是前者的50%。

• 水電解制氫的成本一般在3~5 元/m3 ，而一套規(guī)模為1000m3 /h 的甲醇- 蒸汽制氫轉(zhuǎn)化裝置的氫氣成本一般不高于2 元/m3。

液氨制氫方法由英國化學(xué)家亞瑟汀斯利在1894 年提出，主要原理是利用液 氨 和鈉單 質(zhì)反應(yīng)生 成氨基 化鈉， 然后氨 基化鈉將 分解成 為氮氣 、氫氣以 及 鈉 單質(zhì)。 液氨是世界上 產(chǎn)量最大 的無機 化合物 之一，通 常與丙 烷一樣 被加 壓儲存在液氨罐之內(nèi)(300psi，約20 千帕)，液氮雖然可獲得性高，但是 液氨制氫需 要依賴 于釕作 為催化劑 ，而釕 是一種 稀有金屬 ，且在 該過程 中， 分離氫氣需要極高的溫度。

• 2015 年，英國科學(xué)家提 出液氨制氫的 新方法，將分離 氫氣的溫度降低 到了400°C的溫度。一個典型的汽車電池都可以提供足夠的能量來加熱 一個小型(1.5 立方英寸)鈉/氨反應(yīng)器到達該溫度。其設(shè)備的輸出不 能滿足一個大型商業(yè)設(shè)施所需的氫氣，但可以擴大到滿足一輛氫能燃 料電池汽車所需的氫氣。

• 目前豐田、本田和現(xiàn)代所使用的氫氣，絕大多數(shù)都來自天然氣重整制 氫，但天然氣重整制氫對環(huán)境的影響較大，因此如果上述液氨制氫的 方法能夠推行，可以降低制氫過程對環(huán)境的影響。此外，該制氫方式 的另一個優(yōu)勢是其使用的罐體與現(xiàn)有的其他氣體儲存罐類似，這也將 降低氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的成本。

成本方面，液氨制氫目前的成本約為2~2.5 元/Nm3，仍比電解水制氫的成 本 低，如 未來有進 一步的 技術(shù)突 破，液 氨制氫的 技術(shù)可 以拓展 到直接用 于 車載供氫。

氫氣儲運:氣氫拖車滿足現(xiàn)階段要求，液化氫技術(shù)是發(fā)展方向

運氫的方式主要分為:氣氫拖車運輸(tube trailer)、氣氫管道運輸(pipeline)和液氫罐車運輸(liquid truck)。氫能供應(yīng)鏈中運氫環(huán)節(jié)定 義為包括集中制氫廠的運輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)(氫 氣壓縮/液化、存儲及加注) 和車 輛/管道運輸過程所涉及所有設(shè)備。

從現(xiàn)階段加氫站對運輸距離(<500km,200km 為宜)和運輸規(guī)模(10t/d) 的需求來看，氫氣最佳的運輸方式仍是氣氫拖車，其成本可以達到2.02 元/kg，而在同等條件下的液氫運輸成本可以達到12.25 元/kg。未來在液化 氫技術(shù)達 到標(biāo)準(zhǔn) 且氫氣 需求量 規(guī)模上 升(100t/d )的情 況下， 將考慮 采用 液氫運輸?shù)姆绞竭\送氫氣。

氣氫拖車運輸適合小規(guī)模、短距離運輸情景;氣氫管道運輸適合大規(guī)模、 短 距 離 運輸情景;液 氫罐車運輸適合長距離運輸。

運輸規(guī)模 和運輸距 離是對 氫氣運 輸影響 最大的兩 個因素 ，對三 種氫氣 運輸 方式的成 本變化造 成不同 的影響 。根據(jù) 不同氫氣 運輸方 式的變 化規(guī)律 ，在 運輸規(guī)模和運輸距離確定的情況下，可以選出成本最低的運氫方式。

主要的三 種氫氣運 輸方式(氣氫 拖車、 管道輸氫 和液氫 罐車運 輸)的 成本 組成可以劃分為:設(shè)備投資(存儲、壓縮 、液化和加注設(shè)備)、電力成 本、 管道投資成本、運輸車輛投資成本(包括 車載儲氫容器)、車輛燃料成 本、 人力成本和其他運行維護費用。通過研究我們可以得出結(jié)論:

1)對于氣氫拖車運輸方式，主要受距離 因素影響，規(guī)模對運氫成本影 響比 例較小;

2)對于管道輸氫方式，管道投資成本在 運氫成本中占最大比例，適用 于運 氫規(guī)模大，距離近的情況;

3)對于液氫罐車運輸方式，非常適用于 大規(guī)模氫氣長距離運輸，運氫 成本 與運輸規(guī) 模成負(fù)相 關(guān)，規(guī) 模越大 運氫成 本越低， 與運輸 距離成 正相關(guān) ，距 離越遠運氫成本越加上升，但上升幅度遠小于氣氫拖車。

編輯：沃巴查芒