摘要：隨著全球氣候壓力增大以及能源轉型加速，氫能以其清潔、靈活高效和應用場景豐富的優勢受到全球矚目。2000年以來，日本、美國、歐洲等發達國家和地區紛紛將氫能上升到能源戰略高度，通過戰略布局、項目開發以及示范應用，在氫能產業發展上取得了實質性進展。本文梳理和分析了各主要國家氫能產業戰略重點、目標和發展水平，從文獻計量角度對比分析了中國與氫能先行國家的基礎研究和技術儲備。研究表明，全球新一輪氫經濟浪潮已經拉開序幕，各主要國家正在加速布局氫經濟；與國際氫能先行國家相比，中國氫能在頂層設計、產業技術掌控以及產業發展水平上有一定差距。建議中國進一步加強戰略引導；產學研結合提高關鍵材料和設備的國產化水平；發揮資源優勢，積極布局綠色氫經濟；同時重視氫能下游多元化利用。
氫能是一種綠色、高效、應用范圍廣的二次能源。與其它清潔型能源相比，除了清潔低碳無污染的特點，還具有來源廣泛、靈活高效和應用場景豐富的優勢。不僅可由化石能源重整、生物質熱裂解和微生物發酵制取氫；還可利用氯堿、鋼鐵、冶金等工業副產氫；而最有推廣價值的是水電解制氫，特別是與可再生能源發電結合，實現全生命周期綠色制氫，這是氫生產的主要趨勢。氫廣泛應用于能源、交通運輸、工業和建筑部門。與燃料電池技術結合在交通運輸領域應用前景廣闊，同時在大規模儲能、發電和綠色化工原料等方面也起到重要作用。由于氫在能源系統中的上述優勢，因此被稱為“21世紀的終極能源”。
早在20世紀70年代，日本和美國就開始探索氫能和燃料電池技術。受傳統化石能源價格波動以及氣候政策不穩定的影響，歷史上，氫能的發展并非一帆風順，經歷了三次波動。近年來，氫與燃料電池技術取得了重大突破性進展，氫能產業下游的應用潛力逐漸被開發。同時，全球氣候壓力增大，世界正逐步失去《巴黎協定》的溫控目標機會，各國加大了低碳和綠色轉型發展的步伐，一些國家致力于“凈零排放”。發展氫能成為世界各主要國家的共識，目前氫經濟的全球布局已經初步展開。截至到2019年7月，全球直接支持氫能的目標、任務和政策激勵的國家約為50個（包括11個G20國家）。僅2019年，歐盟、韓國、日本、美國等紛紛規劃或更新氫能發展路線圖，澳大利亞還出臺了氫能發展國家戰略。
根據2017年世界氫能委員會的預測，到2050年，氫能的需求將是當時的10倍，氫能將占全球總能源消耗約20%，每年減排60億噸CO2，氫能產業鏈年產值將達2.5萬億美元。中國是世界產氫量第一大國，據初步評估現有工業制氫產能2500萬噸/年。2018年，中國氫氣產量約2100萬噸，已具備一定氫能工業基礎，但由于起步晚，新興氫產業與發達國家存在一定差距。21世紀以來，氫能產業戰略研究一直受到學術界廣泛關注。早在2006年，張志強等前瞻了氫經濟社會的未來，并提出中國應確立氫經濟發展的國家優先戰略地位、制定戰略規劃等對策建議；朱曉宇（2011）、潘穎（2012）則分別對國際氫能研究的論文和專利進行了計量分析；凌文（2019）針對中國氫能基礎設施產業發展滯后的問題，針對體制保障與政策提出相關建議；邵志剛等（2019）針對氫能和燃料電池產業，對比了主要國家基礎研究、標準和商業化情況，提出中國的對策建議。上述研究分別從經濟、產業、技術等方面對氫能在中國的發展提出了對策建議，為后續更深入研究中國氫能產業戰略和技術布局奠定了基礎。本文通過分析全球氫能產業戰略發展脈絡與技術發展格局，并從氫能產業鏈角度重點剖析中國氫能基礎研究、技術儲備與產業化水平在全球的差距與發展機遇，提出中國氫能產業發展的對策建議，供相關決策參考。
2000年以來，世界多個發達國家/地區把氫能作為其能源體系中的重要組成部分，相繼發布了氫能相關領域的發展戰略規劃和路線圖，美國、日本、德國、韓國等發達國家更是將氫能規劃上升到國家能源戰略高度（圖1）。
1.1 美國重視氫能產業技術優勢的建立和前瞻技術的掌控
美國是最早將氫能納入能源戰略的國家。早在1970年就提出了“氫經濟”概念。2002年，美國發布《國家氫能發展戰略》，標志著美國氫能產業從構想轉入行動階段，此后美國陸續出臺《氫能技術研究與開發行動計劃》《氫立場計劃》《氫與燃料項目計劃》等。2003年，以美國為首成立了氫能與燃料電池國際伙伴關系，并建立全球“氫安全委員會”，設立氫安全知識工具平臺，旨在多方位引領全球氫產業發展。自2004以來，美國能源部平均每年投資氫能產業項目超過1.2億美元，通過一系列項目布局和持續投資，奠定了氫能產業關鍵技術的全球優勢地位。
2019年，美國氫能與燃料電池協會發布《氫經濟路線圖》，重申美國將繼續保持氫能領域技術優勢地位；擬在交通、分布式電源、家用熱電聯產等多個領域擴大氫能在美國的規模化應用；提出2030年達到530萬輛燃料電池車和5600個加氫站的宏偉目標。
1.2 日本致力于構建氫社會，大力推動氫能產業下游規模化和多元化利用
日本是目前全球氫能應用開發最全面和最堅定的國家。早在20世紀70年代就開始氫燃料電池技術探索。2014年在《能源基本計劃》中將氫能定位為與電力和熱能并列的核心二次能源，并提出建設“氫能社會”的愿景。先后發布《日本再復興戰略》《能源基本計劃》《氫能基本戰略》等相關文件，規劃了實現氫能社會戰略的技術路線，建立了全球領先的產業技術和能力儲備，氫能應用場景廣泛，涉及交通、家庭供電以及工業原料。2019年日本第三次修改《氫能及燃料電池戰略發展路線圖》，提出了到2025年全面普及氫能交通，實現氫能發電商業化，大幅降低氫能各個環節利用成本的目標和技術創新方向。
基于國內成熟的氫能產業發展基礎，日本正致力于開拓國際市場和爭取國際話語權，例如公開專利技術、主導制定國際標準、開展國際氫貿易以及組建國際氫能和燃料電池技術合作聯盟等。日本于2018年10月發布《東京宣言》，提出要開展技術合作并協調法規、規范和標準的統一；促進氫能安全和基礎設施供應鏈等方面的信息共享；研究和評估氫能在各領域的潛力；開展關于氫能的培訓和推廣。
1.3 歐洲將氫能作為能源轉型和低碳發展的重要保障
歐洲在氫能產業化推廣過程中，強調氫能在工業和交通中的脫碳作用，作為低碳發展的保障。德國氫能產業戰略重點在氫能基礎設施建設和燃料電池組件技術。2006年啟動氫和燃料電池技術國家創新計劃（National Innovation Programme Hydrogen and Fuel Cell Technology, NIP）（2006—2016），該計劃的實施讓德國成為繼日本和美國之后第三個氫氣供應和基礎設施制造大國，在加氫站領域奠定了世界領先地位。二期（2016—2026）持續獲得15.6億美元公共基金資助。法國旨在利用氫能實現環保轉型，并使法國在氫能利用方面成為世界領先國家。法國于2018年發布《氫能利用計劃》，主要圍繞實現工業用氫的去碳化、提高利用氫能儲存可再生能源的能力、研究利用氫能實現交通零排放的方案三項目標進行布局。自2019年起，法國環境與能源管理署開始負責該計劃的落實，初期投資為1億歐元（1.11億美元）。
2019年2月，歐洲燃料電池和氫能聯合組織（Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, FCH-JU）出臺了面向2030、2050年的氫能發展路線圖《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉型的可持續發展路徑》，指出氫能是歐洲實現脫碳目標必不可少的因素，氫能將在建筑、交通和工業大規模脫碳中發揮作用，預測到2050年，氫能將占歐洲能源總需求的25%。
1.4 韓國將氫能視為綠色增長戰略的重要組成部分
2008年以來，韓國政府先后實施“低碳綠色增長戰略”“綠色氫城市示范”等項目，以綠色低碳城市發展戰略推動氫能產業發展。韓國擁有世界領先的氫燃料汽車和燃料電池相關技術，其發展戰略是以氫能產業下游應用推動上游和中游研發。2019年政府發布《氫能經濟發展路線圖》，進一步將氫能產業新增為三大戰略性投資領域之一，氫燃料電池汽車和燃料電池仍作為戰略重點，提出到2040年，普及發電用、家庭用和建筑用氫燃料電池裝置。未來五年擬投入600億韓元（約合5100萬美元）支持開發環保、高效制氫和穩定儲氫的原創技術，另擬投資23.3億美元用于基礎設施建設和燃料電池系統開發。通過全產業鏈戰略布局，旨在成為發展氫經濟的領先國家。
1.5 中國重視氫能產業發展，多地布局氫能利用項目
2000年以來，中國高度重視氫能的發展，在國家層面的多個規劃和戰略中提及發展“氫能與燃料電池技術”。“十五”期間，國家863計劃“電動汽車”重大科技專項確定了以混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為“三縱”的研發布局，為中國電動汽車發展奠定了技術基礎。國務院《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》把發展清潔低碳能源作為調整能源結構的主攻方向，氫能與燃料電池是能源科技創新戰略重點之一，2019年3月，氫能首次被寫入中國《政府工作報告》，指出“推動充電、加氫等設施建設”。截至2019年底，全國已有30多個省、市、甚至區級政府出臺氫能產業或氫燃料電池車發展規劃，同時給予加氫站建設與運營補貼、燃料電池車運營補貼，吸引了大量資本投入與企業布局。多地爭相規劃與建設氫能產業園、氫能小鎮、氫谷等。
氫能產業鏈主要包括制氫、儲運及氫能應用三大環節，每個環節都有很高的技術壁壘。具體來看，產業鏈上游是氫氣制備，主要技術方式包括化石能源重整制氫法、工業尾氣制氫法、電解水制氫法以及新型制氫技術等。氫氣儲運作為氫能產業鏈的中游，是氫能應用的核心保障，高壓氣態、低溫液態、固體儲氫材料儲運以及有機液態儲運等是目前主要儲運技術。產業鏈下游是氫能的應用，可應用于合成氨、煉廠石油和煤炭的深加工等石化工業以及加氫站與燃料電池等能源的多個方面，其中最具商業價值也是全球競爭最激烈的是氫燃料電池的應用。
2.1 技術發展趨勢
氫能產業鏈上的技術布局對于搶占發展制高點具有重要意義。本文以德溫特創新索引（Derwent Innovations Index）數據庫為數據來源，利用關鍵詞和德溫特手工代碼（MC）組合構建氫燃料電池檢索式對1963—2019年的數據進行了檢索（檢索時間為2019年5月13日），共計檢出相關專利78675項。從氫能產業主要國家的專利數量變化趨勢看（圖2），個主要國家日本、美國、德國、中國和韓國氫能產業上、中、下游專利布局差異較大。在產業鏈上游制氫環節，日本和美國專利申請趨勢較接近，2000年后專利數量開始上升，2005年日本專利數量達到最高點，之后緩慢下降，近五年下降明顯，美國在2010年專利數量開始下降；中國制氫技術專利申請較晚，2005年以后才逐漸有所增長，2010年后突飛猛進，2016年后專利數量超過其他四個國家之和；相比之下，德國和韓國制氫專利數量變化一直比較平穩，且數量偏少。在儲運氫技術方面，五個國家1980年以來的趨勢與制氫大致相同，日本在儲運氫技術上投入研發較早。在下游的主要應用質子交換膜燃料電池方面，日本自20世紀70年代開始申請專利，2000年后迅速增長，2004年達到最高點1480項，此后開始緩慢下降，其它4個國家在質子交換膜技術領域專利數量變化不大，中國近五年雖有所增長，但年度最大申請數量未超過500項。綜上，從總體上看，氫能產業技術上、中、下游在2010年后呈現專利申請下降的趨勢，從市場來看，制氫的幾條路線相對比較成熟，儲運氫以氣態和液態為主，市場化也比較成熟，但由于儲運氫基礎設施建設滯后，氫燃料電池車尚處于市場培育階段，質子交換膜燃料電池技術應用有限等因素導致技術研發不夠積極，近年來專利數量呈現下降趨勢。但在制氫和儲運氫領域中國呈現出與其他四國相反的趨勢，這表明，中國在上述領域投入研發較晚，但在積極布局和追趕。
2.2 基礎研究與技術儲備
以Web of Science平臺的科學引文數據庫（SCI）為數據源檢索氫能產業論文相關數據，共計檢出1900—2019年論文76244篇（檢索時間為2019年5月20日）對比分析五個主要國家技術儲備與基礎研究實力（圖3）。在氫能產業鏈技術布局方面，日本是產業技術的掌控者。從專利數量看，氫能產業上游、中游和下游（質子交換膜燃料電池）Top10專利權人中前三位均為日本企業。三菱、松下、豐田等大型跨國企業在氫能全產業鏈進行布局，形成綜合競爭優勢。在制氫領域，中國石化和中國科學院兩家機構進入Top10行列，而在技術密集的中下游環節，Top10機構中僅中國科學院一家（表1，圖3）。這表明中國氫能應用技術開發不足，缺少具有國際競爭力的產業主體，產業鏈掌控能力十分薄弱。
從氫能產業技術的基礎研究看，中國是氫能產業基礎研究的領跑者，其次是美國。中國的SCI論文數量在五個國家中位列第一，占全球總發文量的33%。發文前十位機構中的前三位均來自中國，分別為中國科學院、浙江大學和清華大學。同時，在領域中的高被引論文中，中國數量排名第一，占高被引論文總量的47.7%(圖3)，表明中國氫能產業技術基礎研究實力雄厚。
2.3 主要國家氫能產業發展水平比較
通過戰略引領、路線規劃以及持續投資，主要發達國家在氫能產業發展上取得了實質性進展。
在制氫領域，已有多條成熟的技術路線，中國以煤為主，國外主要是天然氣重整制氫，主要發達國家致力于探索“綠色”制氫（零排放）的低成本技術和模式。
在儲運氫領域，日本、美國、歐洲國家氫儲運產業化水平較高，氣氫儲運達70MPa，并且可以實現長距離液氫儲運；中國氣氫儲運大部分停留在35 MPa水平，由于缺少相關標準和規范，液氫還不能上路。美國、歐洲已分別建成 2600 km、1500 km的輸氫管道，其他國家/地區不足400km（中國僅100km）。儲運氫成為中國氫能產業“卡脖子”環節。
在氫能基礎設施建設方面（圖4），主要發達國家發展目標明確，均規劃了面向2025年甚至2030年的數量。截至2018年底，日本擁有全球最多的96座加氫站，其次是德國和美國，中國具備35MPa與70MPa加氫站的設計與建造能力， 2019年底，國內建成運營加氫站58座，規劃和在建的84座。氫能基礎設施建設在提速，但國家層面的數量規劃尚未明確。
在氫能產業連下游終端應用上，氫燃料電池及其在交通領域的應用最具發展潛力。日本、美國、韓國均已研發出氫燃料電池車輛并投放市場，美國擁有世界上一半以上的燃料電池汽車，25000輛燃料電池物流車。中國氫燃料電池汽車產業整體處于規劃和起步階段，與發達國家技術水平有一定差距，初步掌握燃料電池電堆與關鍵材料、動力系統、整車集成等核心技術，但產業技術與產品水平相對落后，一些關鍵零部件和材料仍依賴進口。
此外，發達國家仍在探索氫能在工業和能源中的多元化應用。例如日本在家庭供電、德國在大規模儲能應用方面發展勢頭良好。日本、德國、瑞典等還在探索“氫能煉鋼”項目示范，有望大幅降低鋼鐵產業CO2排放。
2.4 小結
綜上，主要發達國家氫能產業相對成熟，尤其是日本和美國，產業發展水平領先，并且擁有較強的技術儲備能力，占領了國際氫能產業關鍵技術的制高點。氫能先行國家進一步致力于通過技術創新降低產業鏈各環節的成本，構建零排放綠色氫產業鏈、推進氫能大規模高效利用和多元化利用。同時，建立氫能國際貿易，推動氫能國際標準體系的完善。從技術布局看，中國的氫能基礎研究和技術儲備具有一定實力，但產業化水平較低，尚未建立完整產業鏈，關鍵設備與產品性能指標與發達國家差距明顯，下游應用多數處于起步階段，未形成規模化，儲運氫成為下游大規模應用的瓶頸。
隨著全球氣候壓力增大和能源優化調整進程的加速，新能源的開發利用成為全球能源轉型的戰略選擇。而氫能利用是最重要的能源改革技術路線之一，不僅對于提高國家能源安全、優化能源結構具有深遠意義，同時有助于促進深層次工業減排和刺激經濟綠色增長。
與美國、日本持續性、科學規劃的產業政策相比，中國氫能產業頂層設計仍顯不足，氫能尚未被納入能源體系管理，涉及氫能的發展規劃分散在能源、交通、綠色產業等文本中，缺少統籌考慮氫能整個產業的全局性、持續性戰略或計劃。此外，中國氫能新興產業處于起步階段，存在產業發展水平較低、技術掌控能力弱、產業主體技術單一且競爭力不足、標準體系不完善等問題，嚴重制約氫能產業快速發展。根據中國目前的問題提出如下發展建議：
1）強化頂層設計，研究制定針對氫能產業發展全局性的戰略規劃
在全球氫經濟加速布局的大背景下，中國需要在新的國際形勢下梳理和分析氫能產業亟待解決的問題。當前，中國的氫能產業與國際先進水平仍然存在不小差距，靠市場機制無法完成產業的生態系統構建，需要政府、企業、研究機構等多方共同努力。宜借鑒發達國家的歷史經驗和布局思路，制定符合中國國情的氫能戰略或規劃，加強頂層設計和區域協同，研究制定促進氫能產業發展和推廣應用的工作方案，建立科學長效的產業激勵機制，進一步明確國家戰略導向。
2）產學研協同突破產業核心技術瓶頸，加快關鍵部件和設備的國產化進程
當前，中國氫能產業核心部件與設備大多依賴進口，這為產業持續健康發展帶來風險。2019年，中國已布局“可再生能源與氫能技術”國家重點研發計劃，從技術布局對比看，中中國氫能產業具備一定的技術儲備能力，且基礎研究實力強大，當前迫切需要提高技術與產業配套的試驗能力，宜發揮中國氫能產業基礎研究優勢，集中產業上、中、下游優勢科技和產業主體力量，在氫儲運裝備、燃料電池關鍵部件上盡快提高國產化水平。長遠來看，技術的創新突破是推動氫能產業可持續發展的核心動力，中國仍需持續投資關鍵技術研發，促進從基礎研究、關鍵技術攻關、應用示范到產業化轉化的創新能力提升，保障中國氫能產業核心技術全面和自主。
3）發揮可再生能源基礎優勢，發展“綠色氫經濟”
2019年，國際能源署（IEA）、國際可再生能源署（IRENA）分別在各自的報告中提到，到2030年可再生電力生產氫氣的成本將大幅下降（可能下降30%），氫能將在全球實現大規模利用，可再生能源制氫的“綠氫”將成為最主要的氫源。發展“綠色”氫經濟符合中國生態文明建設的要求。中國已成為世界上可再生能源發電裝機容量最大的國家，但與此同時，約有15%左右的可再生能源因不能并網而被浪費。消納相對過剩的可再生能源制氫，不僅降低成本也更環保。氫能市場發展遠期（2050年左右），中國能源結構將從傳統化石能源為主轉向以可再生能源為主的多元格局，氫能未來發展空間廣闊，除了供應國內，有望實現出口。
4）重視氫能產業下游多元化應用
在未來的低碳經濟中，氫可以與電力一起發揮重要作用，具有提供交通運輸、電力系統、供熱和工業服務的多功能性。世界能源理事會展望了氫未來應用的四種場景，即長期儲能、從藍氫到綠氫、大規模應用、燃料電池交通工具。當前，中國各區域規劃中，絕大多數目標局限在加氫站設施和氫燃料電池車，較少在其他應用領域提出規劃目標。從全球氫能戰略布局看，氫燃料電池及其在交通中的應用是全球關注的重點。與此同時，各主要國家也在拓寬氫能發電、儲能和工業脫碳中的應用規模。中國氫能產業整體處于起步階段，應根據區域資源稟賦和經濟情況發揮優勢，揚長避短，加強區域協同發展和推動氫能多元化利用，避免同質化和低水平重復。（來源： 世界科技研究與發展）
致謝：感謝中國科學院大連化學與物理研究所邵志剛研究員、俞紅梅研究員、秦曉平高級工程師，中國科學院上海微系統與信息技術研究所吳鑄研究員以及中科富海雷靈龍博士在氫能產業技術專利和論文檢索中的幫助和支持！
