氢燃料电池技术在中国的开发和应用进展报告--BCAA.pdf-solarbe文库

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氢燃料电池技术在中国的开发和应用进展报告聚焦全球挑战解洪兴 * 彼得 · 奥克森（ Peter Oksen）** 郭星星 * 何新 * 边悦 * * 中关村创蓝清洁空气产业联盟，北京 **WIPO GREEN，日内瓦联合国开发计划署（ UNDP）驻华代表处王婉伊和中国佛山环境与能源研究院王子缘对本文亦有贡献 2 内容提要氢能作为一种能源形式和储存介质，在气候变化和环境影响方面具有重要的潜在优势。然而，目前利用的氢能几乎完全基于化石燃料，因此不是气候中性或有益于应对气候变化。绿色氢气生产取得了重大的技术进步，但其成本仍然高于基于化石燃料的氢气生产。氢能使用技术也正在开发中，但可实现规模化的技术却寥寥无几，因此，氢能作为一种清洁能源在很大程度上仍然属于未来的技术。然而，由于氢能具有巨大的吸引力，在全球范围内，许多政府制定了氢能开发计划，并与私营部门携手对氢能的研究与开发进行了大量投资。在中国，氢能和燃料电池预计将为实现 2060 年国家碳中和的官方承诺发挥重要作用，并已被纳入多项经济发展计划和政策。中国制定了 100 多个规范氢能生产和使用的标准，这是实现规模化的重要先决条件。近年来，该领域的创新发展突飞猛进，这反映在目前中国的专利申请在全球占领先地位。中国的多个省级政府和工业城市集群已在着手实施雄心勃勃的计划，以发展和促进氢能在交通运输（特别是重型和长途运输）和工业中的应用。尽管氢能的规模化和主流化面临着技术和经济性障碍，但有明显的迹象表明，氢能的潜在优势具有巨大的吸引力，政治意愿和经济手段都已到位，使氢能成为其他新能源和可再生能源的重要补充。导言氢能在许多国家、研究机构和公司的政治和创新议程上占有重要地位。它是一种用途十分广泛的储能介质，在促进向碳中和能源转型中具有巨大潜力。目前，氢能主要来源于化石燃料，规模化使用氢能的技术和经济挑战仍然相当大。本报告概述了当前国际上的氢能和燃料电池技术趋势，并重点回顾了氢能和燃料电池在中国这个全球最大应用市场的进展。近年来，中国积极推动氢能技术的研究和开发（研发）、示范和商业应用。本报告对当前中国氢能和燃料电池发展的政策、规划、标准、专利、试点项目和示范活动进行了解析。 3 氢能和燃料电池技术国际趋势和潜力氢能作为储能介质的优势氢能作为一种能源在全球范围内的发展正在加快，并在商业和政策上得到大力推广。有多项技术可以发挥氢能的优势。然而，为了使氢能在经济上具有吸引力，需要对其进一步开发和规模化（ IEA， 2019）。这就为评估氢能作为能源和储能介质在未来所发挥的作用带来了不确定性。氢是一种无色无味的气体，是地球上和宇宙中含量最多的元素。它的能量密度高，可与氧气燃烧并产生热能，剩余物质为水，因此它是一种燃料，在最终使用过程中没有二氧化碳（ CO2）或其他有害的气体排放。例如，在交通部门，这可以帮助改善大城市的空气质量。它是一种潜在的清洁和可无限供应的能源，也被用于许多化学和其他行业。遗憾的是，在自然界中不存在氢单质，因此必须通过生产才能得到氢气。 1 清洁和会产生污染的氢气绿色、灰色、棕色和蓝色目前生产的氢气有 95 以上来源于化石燃料，其中天然气是最主要的来源。全球开采的约 6 的天然气和 2的煤炭被用于生产氢气（ IEA， 2019）。天然气是最便宜的氢气来源，蒸汽甲烷重整（ SMR）是最常见的生产方法。这通常被称为灰色氢气。该工艺在 700 摄氏度至 1100 摄氏度的温度下进行，需要消耗大量能源。此外，其副产品包括二氧化碳和其他温室气体。生产一吨氢气可能会产生超过 9 吨的二氧化碳，这接近于汽油燃烧所产生的排放水平（一公斤氢气的能量相当于一加仑汽油，后者的二氧化碳排放量约为 9 公斤）（ Rapier， 2021）。煤的气化在一些国家是一种广泛的氢气来源，通常被称为棕色氢气。煤炭利用水和热量产生合成气，这是一种二氧化碳、一氧化碳、氢气、甲烷和乙烯的混合物。这种已延续了数百年的工艺会产生大量污染物，所生成的物质通常被称为“城镇燃气”（ Farmer， 2020）。 1 不同于石油、煤炭、风能或太阳能，氢气不是一次能源，而是更类似于电力等能源载体或介质。在本报告中，我们不赘述这一区别，因为它不会产生任何实际影响。因此，我们把氢既作为一种能源，也作为一种储存介质。目前，氢气生产所产生的二氧化碳排放量相当于印度尼西亚和英国排放量的总和（ IEA， 2019）。因此，目前的氢能利用没有实现碳中和，因而可以将其视为与石油、煤炭和天然气同属一类的化石燃料。然而，生产碳中和或绿色的氢气是完全可能的。这一领域的技术正在迅速发展，尽管其成本仍然高于天然气。相比使用天然气作为原料的氢气生产方法，可以通过电解将水分解成为氢和氧，其中阳极产生氧气，阴极产生氢气。这个过程需要消耗大量电力，但如果这些电力来自可再生能源，那么氢能将可能或接近达到碳中和。富含可再生能源的地区，如拥有太阳能的中东、北非、南美和澳大利亚，可以成为氢气生产地区。绿色氢气最早至 2030 年就可达到与灰色氢气同等的成本，这是有可能实现的目标（氢能委员会和麦肯锡， 2021）。欧洲联盟的目标是其电解槽装机容量到 2030 年达到 40 吉瓦，这表明欧盟在快速发展绿色氢气方面具有强烈的政治意愿。预计到 2030 年，中国生产的所有氢气中约有 17 是绿色氢气，年产绿色氢气总量将超过 1800 万吨（中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟， 2019）。尽管如此，绿色氢气仍需要大幅增产，才能与灰色和棕色氢气竞争。对绿色氢气和灰色氢气之间平衡点的乐观计算包括提供碳税等政策支持举措（氢能委员会和麦肯锡， 2021）。另一个选项是在氢气生产过程中用沼气代替天然气。沼气最常见的生产方法是通过废弃生物质的厌氧消化、气化或提取垃圾填埋场气体来生产，但所产生的物质必须升级为甲烷含量与天然气甲烷含量相当（ 90）的生物甲烷。这一过程也需要能源，但其效率可以达到相当高的水平，沼气中包含的高达 87 的甲烷可被分离出来。然后可以使用 SMR 工艺从生物甲烷中生产纯氢，其方式与使用天然气的工艺类似（ Saur 和 Milbrandt， 2014）。还可以将沼气直接转换为氢气。一个由欧盟资助的试点工厂正在意大利运行。它使用一种基于钯的膜反应器技术（化学转换和膜分离联合工艺），可以在 500 摄氏度左右的相对低温下生产氢气，转换率达 70（ CORDIS， 2020）。 4 通过在天然气开采过程中使用碳捕获和储存（ CCS）技术，可以生产低碳氢气。 CCS 技术可以去除对气候有害的副产品。尽管仍需要为此开展大量开发活动，但有人预计低碳氢气到 2030 年就可以实现与灰色氢气的商业竞争（氢能委员会和麦肯锡， 2021）。然而，其他人则不那么乐观（ Barnard， 2021）。使用 CCS 技术从化石燃料生产的氢气通常被称为蓝色氢气。本报告主要侧重于关于氢能利用的现有技术和正在开发的技术，而非氢气的生产过程，因而没有过多涉及有关氢能供应侧的内容。但应注意的是，本文所讨论的技术是否为绿色技术或碳中和技术取决于其使用的氢能是否环保或达到碳中和。因此，基于氢能的技术本身并不一定是绿色技术。氢能技术氢能在多个经济部门有很大的潜力。一般来说，它作为储存介质或燃料进入能源系统。可以通过直接燃烧或燃料电池的电化学转换来提取能量。它可以作为气体或以液体形式运输，类似于液化天然气。膏状氢燃料也正在开发中，这可能会扩大氢能在交通运输中的应用（ Burgess， 2021）。这种形式的氢气以化学的方式被结合在稳定的固体氢化镁中，并且可以通过在一个受控过程中添加水来释放。与目前基于电池的电动汽车相比，以氢能作为燃料的重型和长途运输以及个人车辆具有更佳的燃料补给频次和续航里程。氢能在用于储存过剩的可再生能源（如风能或太阳能）方面也具有相当大的潜力。过剩能源可作为水电解工艺的原料，由此产生的氢气可用于储存、运输和消耗。直接燃料氢能可以作为燃料用于多个行业。它可以用在燃气轮机中来发电。在建筑中，它可以在已有的天然气管网中与天然气混合用作家用燃气。它还可以用作内燃机的燃料，这对于卡车等重型车辆尤为相关，同时氢能也越来越多地被视为航空和航运的替代性低碳燃料（ IEA， 2019）。航运产生的温室气体排放占全球温室气体排放总量的 2 ，其中 80 来自长途船只。目前，实现航运零排放的最经济的途径是在内燃机中使用氨作为燃料。氨可以通过哈伯 - 博施制氨法将空气中的氮气加入氢气来制备。与液态氢不同，液态氨不需要制冷到极端温度。它还具有更高的能量密度，因此运输效率高。然而，要想所有长途航运都使用氨作为燃料，则需要目前全球的氨产量增加三到四倍（氢能委员会和麦肯锡， 2021，雅苒， 2021）。燃料电池燃料电池通过电化学法，从氢气和氧气中产生电力，没有任何中间储存或燃烧。据报道，这一方法的效率是内燃机和涡轮机的两倍（ Nahar 等， 2017），废产物是水，某些类型的燃料电池还会产生二氧化碳。燃料电池的功能类似于电池，但需要以氢气和氧气（空气）的形式持续供应燃料。燃料电池可扩展，可以作为小型、低瓦数的电源装置（如家用或车用），或作为大型工业储能装置或兆瓦级发电厂。该技术自 20 世纪 60 年代以来一直在使用，因此相对成熟。它的一个著名应用实例是在美国国家航空航天局（ NASA）的航天飞机计划中被用于提供机载电力和饮用水。与电池一样，燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。它们根据所使用材料的不同存在多种形式。在某些情况下，电极（阳极和阴极）由铂金等贵金属制成，这使得成本增加。电解液可以是固体或液体。电化学反应产生热量，一些系统在高温下运行（ 700-1000 摄氏度），而其他系统在远低于 100 摄氏度的温度下运行。能量转换效率从 60到 70不等，但如果产生的热量在热电联产系统中得到有效利用，则能量转换效率可提高到 80 以上（ Hydrogen Europe， 2021）。最常见的燃料电池类型有质子交换膜燃料电池（ PEMFC）、固体氧化物燃料电池（ SOFC）、碱性燃料电池（ AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（ MCFC）和磷酸燃料电池（ PAFC），它们各自具有不同的效率、成本和维护特点。 5 PEMFC 是最常用的汽车燃料电池。它采用一种聚合物膜作为电解质以及含有铂金的碳电极。后者使这种电池相对昂贵，但它可以回收，并且人们正在研究可能会降低成本的铂金替代品。这种电池只需氧气和纯氢作为燃料，且只产生水这一种剩余物质。它们在 80 摄氏度左右的低温下运行，可以满足车辆在初始阶段对高密度动力的高需求（图 1）。在使用纯氢驱动电动机的燃料电池电动汽车（ FCEV）中，除了水以外没有任何尾气排放。为了使氢能得到广泛采用，必须建设造价不菲的加气基础设施。加气不像汽油等那样简单。原则上，氢气可以通过增加一个电解槽（承载水电解工艺的装置）以及一个电源和水源在现场生产（图 2）。这样就不需要对氢气进行液化和运输到加气站。但是，所产生的氢气在加注给车辆之前必须进行压缩，压缩过程产生的热量随后必须通过冷却工艺去除。严格来说，液化并不是运输的必要条件，但可以提高效率。液化过程包括压缩和冷却到低于 240 摄氏度，这需要大量的能量。加气系统的所有组件都需要能源和设备，这使得加气相对复杂和高成本。 PEMFC – 质子交换膜燃料电池电解质水基酸性聚合物膜亦称聚合物电解质膜燃料电池两个电极均使用铂基催化剂通常以氢气为燃料在相对较低的温度下运行（低于 100°C）高温型燃料电池使用矿物酸电解质，最高可在 200°C运行电力输出可以变化，是车辆的理想选择电子流氢气过剩氢气水氧气电解质氢离子阳极阴极 C AT H O D E A NO DE H 2 O 2 1 2 3 4 5 H 2 电解槽上游加氢站低压存储高压存储预冷加氢机压缩机 Shell Hydrogen Study © Shell 图 1-PEMFC 燃料电池的工作原理 Hydrogen Europe, 2021 图 2- 加氢过程 Hydrogen Europe, 2021 6 目前的国际趋势和潜力尽管存在经济和技术挑战，氢能的发展正在加快。由于它具有许多用途和多功能性，特别是作为一种潜在的清洁、可无限供应和气候变化中立的能源，许多国家的私营和公共部门正在进行密集的研发。寻找绿色氢气的替代性和低成本生产方法已成为一个高度优先事项，因为绿色氢气将是氢能技术规模化的一个主要卖点。各国政府正越来越多地采取氢能政策，到 2021 年初，已有超过 30 个国家制定了氢能路线图。在全球范围内，各国政府承诺为氢能开发提供超过 700 亿美元的公共资金（氢能委员会和麦肯锡， 2021）。产业界开始注意到氢能的潜力，一些氢能产业公司经历了股票市场价格的飙升，引起了人们对金融“氢能泡沫”的担忧。但行业大公司进入该领域表明氢能存在真正的潜力，并且各方期望在不久的将来获得市场收益。中国、韩国、日本和德国经常被认为在开发氢能解决方案方面处于领先地位，但澳大利亚、法国、美国、英国和加拿大也很活跃（彭博社， 2021）。欧洲的项目数量最多，尤其是大型工业规模的项目（氢能委员会和麦肯锡， 2021）。 2020 年，欧盟委员会发布了至 2050 年的氢能战略和路线图，其中概述了雄心勃勃的绿色氢气生产和使用计划。发展呈现多样化，多个国家齐头并进日本多年来一直致力于向氢能经济过渡。丰田 Mirai 是第一辆商业化量产的氢能 FCEV，于 2014 年上市（ WEF， 2018）。这款中型汽车的续航能力为 500 公里，其最大的市场是美国。日本还拥有世界上最大的装机容量达 10 兆瓦的水解工厂，并由附近的一家 20 兆瓦光伏工厂提供电能（ Godske， 2021b）。 2020 年，韩国发布了氢能经济路线图，设想到 2040 年生产 620 万辆氢能和燃料电池汽车，并建造 1200 个加气站（ Engie， 2020，彭博社， 2021）。印度计划在 2021 年对绿色氢气生产进行公开拍卖，以推动绿色氨气生产，可能以此作为一些行业强制性最低绿色氢气采购的一部分。从印度最近的招标中可以看出，随着太阳能发电成本的下降，绿色氢气的电解工艺在经济上变得更加可行。公开拍卖可以帮助降低价格，就像风电和太阳能发电的情况一样（ Saurabh， 2021）。智利已经启动了第一个绿色氢气国家招标，截至 2021 年 9 月，有 10 家公司投标。中标者将获得高达 3000 万美元的政府项目融资。拥有巨大太阳能潜力的智利正在制定一项战略，计划通过海上油轮以氢能的形式“出口阳光”。而这可以帮助降低全球绿色氢气的价格（全球能源奖， 2021）。德国有超过 30 个电转气示范项目正在进行中。氢能被认为是未来可持续发展的关键技术，德国政府已拨款 70 亿欧元，以支持直至 2030 年的氢能发展（ Godske， 2021a）。 2021 年初，联邦教育和研究部已拨出 7 亿欧元来支持三个主要项目，即电解装置批量生产、利用离岸风车直接离网生产氢能以及开发储存氢能的高压罐和管道（ BMBF， 2021）。世界上迄今为止最大的电解厂正在莱比锡附近建设。它的计划装机容量为 24 兆瓦，将主要通过管线为当地产业提供氢能。在汉堡，一个更大的 100 兆瓦工厂将于 2025 年完工（ Godske， 2021b）。在德国北部，一列由氢燃料电池驱动的火车在 100 公里长的轨道上运行。该列车由法国铁路运输制造商阿尔斯通公司建造，一罐氢气的续航里程达 1000 公里，不直接使用的能量被储存在电池中（ WEF， 2018）。 2020 年，类似的列车在荷兰格罗宁根测试成功，表明它可以成为在同一路网运行的柴油列车的完全可持续的替代品（阿尔斯通， 2021）。 7 奥地利于 2019 年开设了一个 6 兆瓦水解厂（ Godske， 2021b）。巴黎有 600 辆燃料电池出租车。丹麦拥有世界上第一个全国性加氢站网络，现在有一半的人口居住在距任一加氢站 15 公里的范围内（彭博社， 2021）。丹麦能源巨头沃旭正在领导一个联合体，计划在 2030 年前使哥本哈根氢气生产的装机容量达到 1.3 吉瓦（ Godske， 2021b）。丹麦大型石化公司哈尔德托普索公司计划修建一个新的工厂来生产电解装置。该工厂将每年生产装机容量达 500 兆瓦的机组。欧盟决定在 2024 年前支持建造至少 6 吉瓦的电解装机容量，在 2030 年前支持建造至少 40 吉瓦，这是丹麦发展背后的动力之一（ Andersen， 2021）。但丹麦尚未制定一个全面的氢能政策和路线图。在挪威，大型化肥公司雅苒正与挪威公用事业公司国家电力联手，利用水电在波斯格伦建造一个大型商业氨厂。该项目计划利用电解制氢工艺来生产无排放的氨，以用作船舶燃料、肥料，并进行工业应用。重新利用现有氨厂使该项目的资本投资大幅减少，并且该项目可以为具有商业竞争力的绿色氨铺平道路。除了生产氨这一重要的出口产品外，该工厂还可能有助于该国的海运业获得早期竞争优势（ Casey， 2021，雅苒， 2021）。丹麦埃斯比约的汽车加氢站， 2021 年 3 月（图 Peter Oksen） 8 中国十分重视氢能及燃料电池的发展在中国，氢能和燃料电池已经成为了政府、企业以及研究机构的重点关注领域。作为全球最大的电动汽车市场（到 2020年累计约为全球市场规模的 50 ）（ IEA， 2021），中国也将氢能和燃料电池视为关键的战略能源创新方向。中国的低碳发展承诺以及空气污染防治行动加速了氢能及燃料电池的发展，相关领域的科技研发和应用也在中国得到了快速的推进。在 2018 年，中国申请人提交了近 4000 件燃料电池相关的专利申请，在数量上超过了一直主导燃料电池专利申请的日本。碳达峰及碳中和目标的驱动 2020 年 9 月，中国国家主席习近平在联合国大会上提出了中国将在 2030 年实现碳达峰、 2060 实现碳中和的宏伟目标。在 2019 年，中国的清洁能源生产量约占一次能源总生产量的四分之一（国家统计局， 2020a）。中国需要降低对化石能源的依赖，提高清洁能源的占比。氢能作为一种能量密度高、零排放的新能源已经引起了中国各级政府的重视，尤其是氢能在燃料电池中的应用。此外，在钢铁、化工原料、高品位热力需求等领域的深度脱碳过程中，可再生能源与电气化也难以取代化石燃料的作用，而氢能可以扮演非常重要的作用。未来的中国，随着大比例间歇性可再生能源电力接入电网，保证电力系统的安全稳定运行则需要一系列技术创新的支撑，如大规模储能技术、智能电网技术、分布式可再生能源等。利用氢燃料作为跨季节、跨地区的储能手段将会拥有较大的潜力。相关预测显示，到 2050年氢能在中国能源结构的占比或超过 10（中国电动汽车百人会， 2020）。交通在交通行业，以电力和氢能取代化石燃料是一条必经的深度脱碳路径。 2020 年，中国汽车工程学会发布了节能与新能源汽车技术路线图 2.0，该路线图提出计划在 2025 年实现 10 万辆燃料电池汽车的运行，在 2035 年将燃料电池汽车的保有量提升至 100 万辆。截至 2020 年底，已有数百款燃料电池商用车进入国家工业和信息化部发布的新能源汽车推广应用推荐车型目录，综合来看，当前燃料电池系统及电堆技术已可以满足车用要求，燃料电池车辆性能也已满足商业化推广的需求，燃料电池客车、卡车也进入了示范运行阶段，未来随着技术成熟和成本的降低，氢燃料电池车有望成为中国交通领域的重要组成部分。工业在中国的工业部门中，氢气同样拥有较大的减碳潜力。在许多行业尤其是钢铁行业中，氢气可以作为清洁燃料和清洁原料应用。 2019 年，中国的粗钢产量占全球的 50 以上（ World Steel Association， 2020）。在生铁和粗钢的生产过程中，以基于氢气直接还原技术取代焦炭是钢铁生产过程深度脱碳的革命性技术。建筑 2018 年，包括主要建筑材料生产（钢铁、水泥、玻璃等）、建筑施工和建筑运营在内的建筑领域相关能耗占中国总能耗的 46.5（包括一次能源消耗和二次能源能耗），同时建筑领域相关二氧化碳排放量占比也达到了全国二氧化碳排放总量的 51（中国建筑节能协会， 2020）。因此，提高建筑领域的能源效率并在建筑领域使用清洁可再生能源，是实现中国的碳中和目标的重要一环。而氢能在建筑领域同样拥有较为广阔的应用潜力。 9 空气质量改善目标的推动在碳中和目标的推动作用以外，空气污染防治的需求同样会加速中国氢能及燃料电池的发展。在 2013 年，中国启动了蓝天保卫战，以前所未有的力度，开展空气污染防治。中国的空气质量总体较之前得到了显著的改善。从全国的监测数据来看，被监测城市 2 的 PM2.5 平均浓度从 2013 年的 72μg/m3 降至了 2020 年的 33μg/m 3 （生态环境部， 2014，生态环境部， 2021）。其中北京市的 PM2.5 年均浓度从 2013 年的 89μg/m 3 （北京市生态环境局， 2014）降至 2020 年的 38μg/m 3 （北京市生态环境局， 2021），降幅约 57。然而，空气污染仍然是中国城市面临的主要环境挑战之一。截止到 2020 年，全国 337 个地级及以上城市中仍有 135 个城市的环境空气质量超过国家标准，达标率约为 60（生态环境部 , 2021）。在中国的大城市中，空气污染有多种来源，而机动车往往成为其中影响最大的污染源。以上海和北京为例，移动源的污染贡献占比分别达到了 29（上海市环境监测中心，上海市环境科学研究院 , 2016）和 45（北京市生态环境局， 2018），机动车减排压力依然较大。目前，推广新能源汽车已经成为了许多城市一项重要的空气质量改善措施。除颗粒物外，机动车同样是氮氧化物的重要排放源（如图 4 所示）。氮氧化物通常是由氧气和氮气在内燃机中反应所产生的，且容易导致烟雾和酸雨的形成。此外，氮氧化物还是一种重要的温室气体。颗粒物通常指在空气分散的固体或液体微粒，当体积较大或颜色较深时，人们可以通过肉眼观测到颗粒物。从全国范围来看， 2019 年由机动车排放的氮氧化物占中国氮氧化物排放总量的 51（生态环境部， 2020a）。其中，重型车辆尤其卡车的氮氧化物和颗粒物排放占比最高，分别达到 74和 52（生态环境部， 2020b）。现有的机动车电气化手段，由于所需的电池重量可能过大等因素，无法满足重型车这种长距离和大载重量的应用场景，因此拥有更高能量密度的氢燃料电池车可成为减少大型车辆排放的一个重要解决方案。 2 2013 年，有 74 个城市被纳入空气质量新标准第一阶段监测实施方案进行监测。 2013 年之后，全国 338 个地级及以上城市被纳入了监测范围。图 3-2015 年上海市（左）和 2018 年北京市（右） PM2.5 源解析结果。其中扬尘包括道路扬尘及裸地扬尘，生活面源是指生活中包括烹饪、取暖、喷涂等来源。 29 14 29 13 15 45 12 3 12 12 16 上海市北京市移动源 – 29 扬尘 – 13 工业源 – 29 煤炭源 – 14 其他源 – 15 移动源 – 45 扬尘 – 16 工业源 – 12 煤炭源 – 3 生活面源 – 12 其他源 – 12 52 7 1 30 8 2 74 12 5 5 4 0.1 重型货车 – 74.0 中型货车 – 5.0 小型客车 – 4.0 轻型货车 – 4.5 大型客车 – 11.7 中型客车 – 0.1 微型客车 – 0 重型货车 – 52.4 中型货车 – 7.2 中型客车 – 0.8 轻型货车 – 30.5 大型客车 – 7.6 小型客车 – 1.5 微型客车 – 0 氮氧化物颗粒物图 4-2019 年中国各类型车辆排放氮氧化物及颗粒物占比 29 14 29 13 15 45 12 3 12 12 16 上海市北京市移动源 – 29 扬尘 – 13 工业源 – 29 煤炭源 – 14 其他源 – 15 移动源 – 45 扬尘 – 16 工业源 – 12 煤炭源 – 3 生活面源 – 12 其他源 – 12 52 7 1 30 8 2 74 12 5 5 4 0.1 重型货车 – 74.0 中型货车 – 5.0 小型客车 – 4.0 轻型货车 – 4.5 大型客车 – 11.7 中型客车 – 0.1 微型客车 – 0 重型货车 – 52.4 中型货车 – 7.2 中型客车 – 0.8 轻型货车 – 30.5 大型客车 – 7.6 小型客车 – 1.5 微型客车 – 0 氮氧化物颗粒物 10 专利视角下的中国燃料电池领域发展燃料电池产业的发展离不开相关技术的研究与创新。近年来，在国家一系列重大项目的支持下，中国的燃料电池技术取得了一定的进展。锂电VS燃料电池目前替代燃油车的主流技术路线是锂电池车和燃料电池车。在中国，自“十城千辆”工程实施以来，中国的锂电池新能源电动车得到了较好的发展，已经从应用示范阶段进入到了商业化发展过程中。到 2019 年底，中国锂电池新能源汽车保有量已达到约 380 万辆，约占汽车总保有量的 1.5，且连续两年增量超过 100 万辆（生态环境部， 2020b）。目前，锂电池汽车的整车成本相对于燃料电池车较低。然而，对于行驶里程长、燃料加注时间短、功率需求大的应用场景（如重型卡车），具有更高能量密度的氢燃料电池车则更具有优势和发展机遇。专利申请数据的统计可以作为评价各技术领域创新水平的粗略指标，本节对中国一段时间以来燃料电池领域专利的申请进行了基本分析。从图 5 中可以看出，与日本和美国相比，中国申请人在燃料电池方面起步较晚 3 。然而到 2018 年，中国申请人在燃料电池领域的年度专利申请量已经超越了日本成为了世界第一。专利数据分析会受到其他因素的影响，如国家专利政策和流程、企业或大学的专利战略等，但图 5 的数据可以指示性的表明，虽然中国燃料电池创新起步相对较晚，但目前的创新热度已经赶上甚至超过了其他正在开展燃料电池创新的国家。 3 该分析由中关村创蓝清洁空气产业联盟的分析基于智慧芽（ PatSnap）的专利数据库开展。图 6 显示了来自不同国家的专利申请人的申请情况。各国的申请人包括各国本土的机构申请者及个人，这些人在海外申请的专利也会被统计在该国的数据中。作为潜在的世界上最大的燃料电池市场，中国吸引了国际上多家燃料电池行业巨头的积极布局。如图 6 所示， 1980-2019 年间，在中国国家知识产权局受理的燃料电池专利申请量最多的 10 家机构中，有 6 家是外资企业，其中包括丰田、松下、日产三家日本燃料电池领域的领跑企业，这也充分显示了中国市场在全球的重要性。结合图 5 分析，可以看出近年来中国的创新者在燃料电池领域扮演着越来越重要的角色。锂电池电动汽车图 Getty Images / athima tongloom 案例一中科院大连化学物理研究所中科院大连化学物理研究所是中国最早开展燃料电池研究的科研机构之一，承载了多项国家氢能及燃料电池重点研发项目。中关村创蓝清洁空气产业联盟分析，结合至 2020 年底的公开数据，大连化物所已在燃料电池关键材料、核心部件、电堆系统等方面申请专利 900 余件，是中国本土燃料电池领域专利申请数量最多的机构，主导制定了半数以上的燃料电池国家标准，为推动中国燃料电池产业发展作出了重要贡献。目前，大连化物所在质子交换膜燃料电池 PEMFC关键材料及关键部件、燃料电池系统、储氢材料等多个氢能及燃料电池细分技术领域正在持续开展技术攻关（大连化物所 , 2021）。 11 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 19 8 0 19 8 1 19 8 2 1 983 19 8 4 19 8 5 19 8 6 19 8 7 1 988 19 8 9 19 9 0 19 9 1 19 9 2 19 9 3 19 9 4 19 9 5 19 9 6 19 9 7 19 9 8 1 999 2 000 2 0 01 2 0 0 2 20 0 3 20 0 4 20 0 5 20 0 6 2 0 07 20 0 8 20 0 9 2 0 10 2 0 11 2 0 12 2 0 13 2 0 14 2 0 15 2 0 16 2 0 1 7 2 0 18 2 0 19 日本美国中国德国法国英国加拿大瑞士意大利韩国丰田自动车株式会社通用汽车环球科技运作有限责任公司现代自动车株式会社松下电器产业株式会社日产自动车株式会社上海神力科技有限公司新源动力股份有限公司清华大学三星SDI株式会社中国科学院大连化学物理研究所 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 图 5-1980 至 2019 年间前十位技术来源国专利数量趋势图 6-1980-2019 年间在华申请人排名前十名中国的燃料电池大巴（图 Getty Images 12 中国氢能与燃料电池发展概况现状近年来，尽管氢能和燃料电池的技术及应用所受到的关注迅速增加，但燃料电池电动汽车在全球的部署仍处于起步阶段。截止到 2020 年底，全球已上路的燃料电池汽车约有 35000 辆，其中中国的保有量为 8500 辆，主要以客车和物流车为主（ IEA,2021）。截至 2021 年年中，中国已在全国范围内建成超过 140 座加氢站（王子缘, 2021）。在政策层面上，截止到 2021 年 5 月中国政府已在超过 30 个国家级发展规划中提到了支持氢能及燃料电池产业的建设与发展，在中国大陆的 31 4 个省级行政区中，已有 13 个发布了相应的规划（创蓝联盟， 2021）。伴随着相关支持政策的密集出台，产业投资及支持力度的不断增加，中国氢能和燃料电池行业有望快速发展。 2019 年，中国年产氢量约 2200 万吨，约占世界氢产量的三分之一，已经成为了世界第一大产氢国（中国经济网， 2019）。在中国目前的产氢结构中，绿氢的占比较少，但中国的西南、西北等地拥有丰富的可再生水力、风电、光伏的能源储备，预计未来以可再生能源发电，并进行电解水制氢的路线将会有巨大的发展潜力。 2020 年 12 月，为了更好的落实“碳达峰、碳中和” 的愿景，中国产学研合作促进会发布了全球首个“绿氢”标准低碳氢、清洁氢与可再生能源氢的标准与评价。该标准定义了生产各种类型氢气的碳排放限值，例如清洁氢及可再生氢的排放限值为小于等于 4.9kgCO2e/kgH2。以下将会展示部分绿氢生产的案例。 4 本报告关于中国大陆的统计工作不包括中国香港和澳门。案例二兰州新区液态太阳能燃料合成示范项目作为全球首套大规模太阳燃料合成示范项目，该项目采用氢气和二氧化碳制甲醇的技术路线，其中氢气由太阳能电解水制得，二氧化碳则通过工业排放收集。项目由太阳能光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢合成甲醇三个基本单元构成，总占地约 289 亩，总投资约 1.4 亿元。项目配套建设总功率为 10MW 光伏发电站，为两台电解水制氢设备提供电力，总功率为 2000 标方/ 小时。该项目基于中科院大连化学物理研究所李灿院士团队开发的两项关键创新技术。第一项关键技术采用碱性电解水制氢技术，制造了规模化的电解水制氢设备，单位制氢能耗降低至 4.0-4.2 度电 / 方氢，大幅降低了电解水制氢的成本，是目前世界上规模化碱性电解水制氢的最高效率。第二项关键技术是固溶体双金属氧化物催化剂（ ZnO-ZrO2），该催化剂可实现二氧化碳高选择性、高稳定性加氢合成甲醇，催化剂运行 3000 小时性能衰减小于 2（大连化物所 , 2020）。 13 国家政策分析近年来，中国各级政府对氢能的重视程度不断提高，对相关产业发展及技术研发的支持政策也在不断出台。目前中国已在包括国家整体规划、能源发展、技术创新等多项政策中明确提出要支持氢能及燃料电池产业的发展。各相关部委也在不断跟进制定具体的产业政策规划与指导意见。从时间上看，目前中国氢能及燃料电池政策的出台主要分为三个阶段， 2000 年到 2014 年中国开始将氢能及燃料电池列入发展规划之中。 2014 年到 2018 年主要处于氢能产业规划阶段，在此期间中国发布了多项与氢能产业相关的重要国家政策，其中由国务院发布的能源发展战略行动（ 2014-2020 年）正式将 “氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略方向。自 2019 年开始，中国进入了氢能与燃料电池的产业推动阶段，期间由工信部发布的新能源汽车产业发展规划（ 2021-2035）年提出要继续推广氢燃料电池车，推进加氢基础设施的建设，此外由国家能源局发布的中华人民共和国能源法（征求意见稿）则首次在国家层面将氢能列为能源范畴。进入 2021 年，相关政策频繁出台， 2 月国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见中提出加强新能源汽车充换电、加氢等配套基础设施建设； 3 月在中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要中氢能与储能被纳入战略性新兴产业。图 7 展示了中国部分重点政策的发布时间线。二氧化碳加氢制甲醇装置（中国日报， 2020） 14 标准分析对于生产企业以及其他相关方而言，完善的标准制定是促进氢能及燃料电池产业迅速扩大规模并成为主流应用的一个先决条件。在中国，氢能及燃料电池的相关标准主要分为国家标准和团体标准。到 2021 年 6 月，中国已经制定并实施的氢能及燃料电池国家及团体标准已达 100 多项。在国家标准方面，目前中国的氢能及燃料电池技术标准体系主要包括 8 个标准子体系，分别是氢能基础与管理方面的标准、氢质量方面的标准、氢安全方面的标准、氢工程建设方面的标准、氢制备与提纯方面的标准、氢储运加注方面的标准、氢能应用方面的标准、氢相关检测方面的标准。截止到 2021 年 3 月，中国共发布氢能及燃料电池相关国家标准 87 个，其中与燃料电池相关的标准有约 54 个，占相关标准总数的 60以上（创蓝联盟， 2021）。如图 9 所示，自 2009 年以来，与氢能及燃料电池相关的国家标准被密集发布，其中 2017 年发布的数量最多，这也反映出了中国对氢能领域标准框架建设重要性的关注。团体标准是由相关行业协会或联盟发布