氫能產業鏈大致可以劃分為上游（氫的制取）、中游（氫的儲運）和下游（氫的應用）三個部分，產業鏈三個部分之間相互聯系，相互影響，并且在許多細分領域都有著對應的供需關系。

氫能產業鏈圖譜

 

 

* 數據來源：洛克資本

近年來，我國氫能產業發展較為迅速。2021 年，中國制氫的總產量突破了 3300 萬噸，同比增長 32%，排名世界第一。中國氫能產業聯盟認為，雙碳目標的落實將給我國氫能產業的發展帶來巨大的發展機遇，據預測，到 2030 年碳達峰期間，我國氫氣的年需求量將達到約 4000 萬噸，在終端能源消費中占比約為 5%；到 2060 年碳中和的情境下，氫氣的年需求量將增至約 1.3 億噸，在終端能源消費中的占比約為 20%，其中 70% 為可再生能源制氫。

中國氫氣產量走勢及需求預測

 

 

* 數據來源：中國氫能聯盟

氫能產業鏈上游 · 生產

氫的制取

氫氣的主流制取方式可以分為三種：化石原料制氫、工業副產品制氫以及電解水制氫。其中，主流的化石原料制氫方式有天然氣制氫和煤制氫，天然氣制氫主要通過甲烷蒸汽重整，在催化劑的作用下生成 H2 和 CO，分離后再對 CO 變換，與水蒸氣反應生成 CO2 和 H2。

天然氣蒸氣重整制氫是傳統制氫工藝，技術成熟，廣泛應用于生產煉廠氫氣、純氫、合成氣和合成氨原料，是工業上最常用的制氫方法。煤制氫是煤炭主要以水煤漿或煤粉的形式，經氣化爐在 1000 ℃以上的高溫條件下與氣化劑反應生成合成氣（H2+CO），CO 與 H2 分離后 CO 經水蒸氣變換轉變為 H2 和 CO2，再經過脫除酸性氣體（CO2+SO2）以及 PSA 提純等工藝流程，得到高純度的氫氣。

近些年從原料的易得性和成本角度出發，越來越多的制氫企業，如煉廠和尿素廠選擇煤制氫工藝，同時近幾年煤制油和煤制烯烴等煤化工行業的迅速發展也使煤氣化技術獲得了更大發展空間，技術研發、工程設計和操作水平獲得了較大提升。

工業副產氫是指工業過程中所產氫氣并非目標產品，而是副產品，主要包括煉廠的催化重整、丙烷脫氫、焦爐煤氣及氯堿化工等。雖然明面上存在著許多可以制氫的工業副產品，但由于技術水平、產需空間分離等原因，工業副產制氫更多地是充當一個 " 過渡 " 的角色，而非未來氫能生產的主流。

電解水制氫是最為綠色環保的制氫手段，且產品純度高，利用風電、光伏等可再生能源制氫，既能實現氫氣的大規模生產，又能將波動大的風能光能轉化為穩定的氫能源，供未來隨時隨地使用。根據電解質的不同，可以分為堿性電解水制氫（AWE）、質子交換膜電解水制氫（PEM）、固體氧化物電解水制氫（SOEC）。

中國制氫結構占比圖

 

 

世界制氫結構占比圖

 

 

根據制氫過程中碳排放量的不同，可以將制取的氫氣分為灰氫、藍氫和綠氫三種。

化石原料（包括煤炭、天然氣等）以及工業副產品（焦爐煤氣、氯堿化工、輕烴利用等）為原料制取的氫氣在生產過程中會產生碳排放，因此被稱為 " 灰氫 "，這類制備方式是目前技術最成熟的制氫路線，也是成本最低，最為普遍和主流的制氫路線；另外的一種常見的制取方法為在灰氫制取的過程中輔以碳捕捉技術有效減少制氫過程中的碳排放，這種方式所得到的氫為 " 藍氫 "，但涉及成本問題，保守估計會使得制氫成本上升 15% 且仍舊無法完全解決碳排放問題；最后一種制氫的常見路線是利用清潔能源采用電解水的方式制備得到的 " 綠氫 "，以這種方法制氫不會產生任何碳排放，是未來理想的制氫方式，但目前綠氫制取的技術不如化石燃料制氫成熟，且成本較高，仍存在著較大的發展空間。

不同制氫方式制氫成本區間

 

 

2020-2050 中國氫氣結構及預測

 

 

氫的純化

氫氣的生產過程中還會伴隨著少量的氨氣等副產品的生成，由于氫氣的爆炸極限范圍大（在空氣中 18.3％-59％），氫氣中的雜質帶來了安全隱患，使氫氣可能發生爆炸。此外，不同的儲運方式以及應用需求對氫氣的狀態和純度提出了不同的要求，比如半導體生產工藝需要使用 99.999% 以上的高純氫，這就要求對生產制成的氫氣進行純化。

氫氣的純化主要采取變壓吸附 PSA 法，根據吸附原理的不同，可以分為物理吸附和化學吸附兩種方法。物理吸附的原理是使制取后的氫氣混合氣通過相應的一些物理材料，利用這些物理材料對氫氣和其他氣體的吸附能力不同，從而達到提純氫氣的作用。化學吸附的原理是利用一些化學反應，對氫元素進行捕捉，之后再通過還原反應還原成高純度的氫氣。通常 PSA 系統通過一個循環系統，由許多裝有吸附材料的容器經過相繼的升壓及降壓，以產生凈化氣體。

變壓吸附示意圖

 

 

* 數據來源：CNKI

氫的液化

受限于氫的物理特性（標準狀態下氫氣的體積能量密度很低，僅為汽油的 1/3000），實現高體積能量密度儲運是實現氫經濟的一個先決條件。而氫的液化技術是實現這一條件的有效手段。目前，氫氣的液化方式主要分為兩種，即低溫液化和有機液化。

氫的低溫液化的基本原理是將氫氣壓縮冷卻至 -253 ℃使其液化并儲存在絕熱裝置中。該方式的優點是氫的體積能量高，液氫密度達到 70.78kg/m3，是標準情況下氫氣密度的 850 倍左右，體積能量密度約為 35MPa 高壓氣氫的 3 倍，約為 70MPa 高壓氣氫的 1.8 倍。

此外，液氫還有儲運壓力低（液氫儲運壓力＜1MPa，高壓氣氫儲運≥ 20MPa），汽化純度高（5N-6N），長距離運輸成本低，設備體積小，以及使用安全性好等特點。但是液氫的沸點極低，與環境溫差極大，對儲氫容器的絕熱要求很高。

氫的低溫液化技術在美國、日本、德國等以及完成了商業化，其運輸成本為高壓氫氣的 12.5%-20.0%，在規模化運輸方面具有明顯經濟優勢。但由于以美國為首的西方國家一直對中國采取 " 嚴格禁運，嚴禁交流 " 的策略，中國無法從國際上掌握先進的液氫技術的公司獲得規模化制取液氫的技術和設備。

目前的國際合作主要集中在應用端，特別是加氫站和氫燃料電池方向展開了相關的液氫合作，對于液氫的規模化制取，相關技術距離世界先進水平差距仍然非常大。除了制作工藝外，我國對液氫環境下材料的低溫組織、性能等研究還不夠完善，材料選擇缺乏理論支撐和統一標準，綜合導致我國液氫的制造成本極其高昂，目前主要用于航天等領域，民用方面剛剛起步。

目前，國內液氫項目正加速落地，如北京航天 101 所研發的液氫工廠產能達到了 2t/ 天，雖然和國外先進水平差距仍非常大，但擺脫了航天領域液氫燃料的對外依賴，緩解了燃眉之急。未來，國內的大型氫液化裝置主要需要突破低溫氫工況材料選用，氫、氦透平膨脹機研制和正仲氫轉化催化劑等技術難題，如果未來技術突破，大型氫液化裝置的國產化將快速推進液氫成本下降。

此外，中國近年新建加氫站絕大多數采用液氫技術路線（已占加氫站總量 30%），有多家企業涉足液氫裝備市場并取得一定突破，但我國裝備的性能、成本控制等方面仍有差距，仍需進一步加大研發力度，加速相關設備、零部件的國產化進程。

在目前的實際應用中，液化 1kg 氫氣需要消耗 11-15 度電左右，這是制約液氫發展和商業化利用的最主要的因素，如果未來可以降低到 6-9 度電左右，將推動液氫成本的大幅下降。此外，液氫的儲運和應用的環節對密封工藝也有較高的要求，要防止水蒸氣、氮氣、氧氣等可能聚集于液氫罐內的物質的混入。

低溫液氫的產業鏈

 

 

氫的有機液化是指利用氫和液態有機物進行化學反應，主要是借助和某些烯烴、炔烴或芳香烴等不飽和液體有機物和氫氣的可逆反應。其中，加氫反應實現氫的儲存，脫氫反應實現氫的釋放，質量儲氫密度在 5％-10％，目前主要的液態載體有氨（NH3）、甲醇（CH3OH）和液態有機氫載體（LOHC）。

但這種方法有一定幾率發生副反應，產生雜質氣體，而且催化劑易被中間產物毒化。此外，液氫儲存壓縮能耗過大，需配備相應的加氫、脫氫設備。未來的技術發展方向有提高低溫下有機液體儲氫介質的脫氫速率與效率、增強催化劑反應性能等。

總之，氫的有機液化技術要求較高，目前已有國內部分通過和日本等國外公司的合作開展商業化利用，但距離真正的大規模商業化應用還存在著較遠的距離。

氫能產業鏈中游 · 儲運

儲運是氫能產業鏈中連接生產端與應用端的關鍵橋梁。由于氫氣具有常溫常壓下性質活潑、燃燒迅速、爆炸極限范圍大等特點，這導致氫能的安全高效輸送和儲存難度較大。因此，發展安全、高效、成本可控的儲運氫技術是氫能大規模商業化發展的前提。

目前絕大部分的氫氣都被用作化工原料，作為一種作為一種工業生產流程的附屬或中間產品，其生產制造和應用大都是就近發生。但如果將氫視為未來的重要能源，其應用場景和規模將遠超現在，氫的制取與應用將不局限于就近制取就近應用。

由于我國氫能資源呈逆向分布，在資源上 " 西富東貧、北多南少 "，而在需求上則恰恰相反，因此大規模氫能儲運體系的建立是發展氫經濟體系的基礎，這也就意味著未來氫能否實現大規模的商業化應用的關鍵在于能否實現具有經濟性的規模化儲運。

氫的儲存

氫在常態下是氣體，它的儲存要比固體的煤以及液體的石油更加困難。由于氫原子半徑很小，氫氣能穿過大部分肉眼看不到的微孔，在高溫高壓下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。而且氫氣性質活潑，穩定性差，泄露后易發生燃燒和爆炸，這些因素都對氫氣的儲運技術提出了挑戰。此外，氫的 " 氫脆特性 " 也對儲存氫的容器以及相應的密封工藝提出了較高的要求。

通常情況下，氫氣可以氣體、液體、化合物等形態儲存，儲存方式按照原理可以分為物理儲存和化學儲存，主要包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固體儲氫材料儲氫等，其中高壓氣態儲氫書目前技術最成熟、應用最廣泛的儲氫方式，而固態儲氫材料儲氫技術門檻較高，目前還停留在實驗室階段，國內已有的項目多為示范工程，未被大規模商業化利用。

氫的儲存方法分類

 

 

* 資料來源：CNKI

高壓氣態儲氫是目前主要的儲氫方法，其優點是技術成熟、成本較低，缺點是體積儲氫密度小，效率較低，未來的技術重點在于提高單位體積儲氫密度。

低溫液態儲氫的優點是體積儲氫密度高，且液氫純度較高，缺點是液化過程耗能較大，成本較高，主要用于航空航天領域，未來的技術重點在于降低生產能耗和提高儲氫設備的隔熱材料特性以及密封效率。

有機液態儲氫的優點在于儲氫密度高、儲運安全方便、可循環使用，而且可以和傳統的是由基礎設施通用進行運輸和加注，缺點在于操作條件較為苛刻且有幾率發生副反應，未來技術重點在于提高相關可逆化學反應效率以及減少副反應產物生成。

固體儲氫的優點在于純度較高、操作便捷安全，但技術條件過高，目前主要處于實驗室階段。固態儲氫是以金屬氫化物、化學氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學吸附和物理吸附的方式實現氫的存儲，國外固態儲氫已在燃料電池潛艇中商業應用，在分布式發電和風電制氫規模儲氫中得到示范應用；國內固態儲氫已在分布式發電中得到示范應用。

主要儲氫方式特征對比

 

 

* 數據來源：曹軍文《氫氣儲運技術的發展現狀與展望》

氫的運輸

氫的主要運輸方式有高壓長管拖車運輸（氣）、液態槽車運輸（液）、管道運輸（氣）等。從終端氫氣價格組成來看，氫氣儲運成本占總成本的 30% 左右，經濟、高效、安全的儲運氫技術已成為當前制約氫能大規模應用的主要瓶頸之一。

長管拖車運輸是目前技術最為成熟的運輸方式，通常做法是將壓縮后的高壓氫氣輸入運氫長管拖車進行運輸，目前國內的長管拖車的工作壓力一般為 20MPa，而國外的長管拖車的工作壓力可達到 45MPa-70MPa，運輸效率更高。

在運輸過程中，通常使用灌裝壓力為 15.2MPa 的儲氫鋼瓶當作充放氫的介質容器。這種運輸方法的優點是儲氫成本低，充放氣速度快，在常溫下就可以進行，且在輸送、儲存、消費過程中不發生相變，能量損失小。

但是它的弊端也很顯著，由于氫氣密度小，而儲氫壓力容器自重大，單位質量的儲氫密度只有 1%（質量分數）左右，國內常見的單車運氫量僅為 260-460kg。而且雖然儲氫瓶充放氫速度快，但氫氣瓶卸車時間較長，需要 2-6h，總體運輸效率較低。

此外，其運輸成本會隨距離增加而大幅上升，多數用于城市間短距離運氫，不適合大規模長距離運輸。隨著未來氫能產業的發展，氫氣的大規模長距離運輸需求會進一步上升，僅靠長管拖車氣態運輸將很難滿足需求。

長管拖車運輸成本構成

 

 

* 數據來源：EVtank

低溫液化運輸主要是指利用氫氣在低溫高壓的條件下（101kPa，-253 ℃以下）轉化為液態氫，通過特定容器進行運輸的方式。液化氫氣具有存儲、儲存效率高、能量密度大 ( 12-34MJ/kg ) 的特點，可以滿足氫氣的大規模長距離運輸需求。

但低溫液化運輸對容器的保溫性能要求很高，而卻將液態氫從液氫罐轉移到加氫站儲氫罐里時，由于要將配管冷卻到液態氫溫度，會有一定程度的蒸發損失。此外，防止水蒸氣、氮氣、氧氣等可能聚集于液氫罐內的物質的混入也是很重要的，對運輸過程的密封工藝也提出了較高的要求。

低溫液化儲氫成本構成

 

 

有機液化運輸是指利用氫和液態有機物進行化學反應，主要是借助和某些烯烴、炔烴或芳香烴等不飽和液體有機物和氫氣的可逆反應。

其中，加氫反應實現氫的儲存，脫氫反應實現氫的釋放，質量儲氫密度在 5％-10％，可以實現常溫常壓運輸，方便安全。但是儲氫載體的儲氫質量百分比意味著運輸相同質量的氫，載體的總質量會更大，而對于運輸過程而言，質量的重要性要高于體積，這是該方法的主要缺點。

此外，這種方法還存在著有幾率發生副反應、催化劑易被中間產物毒化、液氫儲存壓縮能耗過大等問題。未來的技術突破方向是：提高低溫下有機液體儲氫介質的脫氫速率與效率、催化劑反應性能、降低脫氫成本及操作難度。

目前主要的液態載體有氨（NH3）、甲醇（CH3OH）和液態有機氫載體（LOHC）。其中，液氨是最有效的長距離，特別是跨洋氫氣輸送的最佳載體。但在成本方面，甲醇和甲基己烷更有競爭力。

氫的四種液化運輸方式成本對比

 

 

* 數據來源：化工進展

液態管道運輸是指利用管道運輸液氫的運輸方式，這種方式可以保證液氫的高純度，但設備成本高昂，需要隔熱、強度性能優異的材料制作管道以維持液氫的低溫高壓狀態，不適用于遠距離運輸液氫。目前主要的液氫運輸管道基本都維持在 2km 以內，一般建在航天發射場內，用于服務航空航天項目。

氣態管道運輸無論在成本上還是在能量消耗上都有著獨特的優勢。氫的氣態管道運輸主要有兩種方法：一類是利用天然氣管道，和天然氣混合輸送；另一類是修建新的純氫管道。

天然氣摻氫管道運輸的優勢在于節約建設成本，由于純氫管道的高技術標準，新建純氫管道的成本十分高昂。目前氫氣長輸管道的造價約為 63 萬美元 / 公里，約為天然氣管道（25 萬美元 / 公里）的 2.5 倍。而天然氣摻氫項目可以利用我國現有的、已經具備大規模輸送能力的天然氣管道進行運輸。相關的研究表明，氫氣體積分數小于 20％的天然氣和氫氣的混合氣可以直接采用天然氣管道進行運輸，無需任何改造，可以大大節約前期的建設投入。

但這種運輸方式也有相應的缺點，首先，" 氫脆 " 效應會對天然氣管道造成一定的損害。

氫脆是指由于溶于材料中的氫，聚合為氫分子，造成應力集中，超過材料的強度極限，在材料內部形成細小的裂紋，進而導致脆化甚至開裂的現象。

摻氫天然氣混合了烷、氫氣、水、二氧化碳、氧氣等多種成分，這些混合氣體的協同反應對碳素鋼等材料的疲勞裂紋擴張速率比在純氫氣當中的還要快，這導致摻氫天然氣對管道材料的性能影響很大，而且目前的氫脆的學術研究主要是在 " 液相 " 方面，而天然氣摻氫面臨的 " 氣相 " 氫脆問題缺少充足的理論研究基礎，這使得國內外均未找到一種可行的技術材料解決這個問題。

其次，天然氣摻氫管道運輸會面臨分離難、提純難的問題。天然氣中的氫濃度為 5％-20％時，用氫地區采用膜分離方法從混合氣中提取氫，氫濃度低于 5％時采用混合氣重整制氫方法，這拉高了運輸過程的整體成本。最后，氫的活潑、能量大、爆炸極限范圍大等化學性質使得天然氣摻氫運輸的安全性考量成為了重中之重，對相關工藝提出了較高要求。

純氫管道可分為長距離輸送管道和短距離配送管道。長輸管道輸氫壓力較高，管道直徑較大，適用于制氫單元與氫氣站之間的高壓氫氣的點對點、長距離、大規模輸送。短距離配送管道輸氫壓力較低，管道直徑較小，適用于氫氣站與各個用戶之間的中低壓氫氣的配送。

氫氣配送管道建設成本較低，但氫氣長輸管道建設難度大、成本高。目前我國氫氣管道總里程約 400km，主要分布在環渤海、長三角等地區。盡管按照《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》預計，隨著對氫的大規模長距離的運輸需求的逐漸上升，到 2030 年，我國氫氣管道可能達到 3000km。但受限于氫氣管道極高的建設成本和較大的技術難關，即使是大規模運輸，其單位成本也很難實現經濟性，因此我們對氫氣管道的應用前景并不看好。

氫能產業鏈的下游 · 應用

氫能作為傳統的工業原料和新興的燃料能源，其應用十分廣泛，并且相關的產業鏈條還在不斷擴張中。綜合來看，目前氫的主要應用方向主要集中在交通領域、儲能領域和工業領域。

在交通領域，氫能主要應用于氫能源汽車、重型機械、飛機船舶等方面。氫動力汽車是氫能主要利用方式之一，氫的熱能高，每千克氫能產生 33.6kW/h 能量，是汽油的 2.8 倍，且氫的燃點很低，火焰的傳播速度較快，比汽油汽車具有更高的燃料利用率，也不會排出污染氣體、溫室氣體。

當前，大部分的氫能汽車都是汽油和氫氣混合同時燃燒的摻氫汽車，純氫汽車目前還在研發中。摻氫汽車相對而言，更少受到氫氣成本較高的影響，也有利于在貧油區推廣、改善發動機燃燒情況。我國的氫能應用遵循氫燃料電池商用車先于乘用車發展的特點，在產業補貼和國家政策支持下，中國氫燃料電池客車、物流車等商用車的應用領先于其他氫燃料電池車型。

氫燃料電池的成本是市場化應用的重要因素，未來 20-30 年，隨著質子交換燃料電池的技術突破與規模效應帶來的成本下降，氫燃料電池、乘用車等車型的市場化進程將加快，并成為氫能在中國交通運輸領域的重要組成部分。在非道路運輸領域，中國正在氫燃料電池重型工程機械、軌道交通、無人機等領域積極探索，探索拓展氫能的商業化應用范圍。

在儲能領域，隨著風力發電、光伏發電等可再生能源利用技術的快速發展，氫能將逐漸成為可再生能源電力系統中重要的儲能方式。風力、光伏等發電方式具有隨機性、間歇性及低能量密度特點，大規模可再生能源發電并網加劇了電力系統供需雙重波動性與不確定性。

可再生能源獲取的不連續的電力可以轉換為氫大規模、長期儲存起來并運輸到能源需求地，在需要的時候隨時隨地使用。以氫能為介質和紐帶，實現可再生能源與能源消費終端的有效連接，保障可再生能源大規模、可持續開發利用。

在工業領域，主要應用有氫能煉鋼、綠氫化工和天然氣摻氫等。氫能利用是工業領域深度脫碳的重要實現路徑，在很多傳統重碳工業中引入氫，既能高效地促進整個工業流程，又能減少含碳化合物的排放，如富氫還原的金屬冶煉技術、煤炭熱解制富氫燃氣技術等。

工業部門用氫需求大，因此能夠以規模效益來降低氫能供應鏈成本；同時，工業企業決策相對集中，可在基礎設施等方面率先行動，并帶動全社會氫能發展。未來氫能在工業領域的應用前景廣泛，氫能煉鋼、綠氫化工和天然氣摻氫將成為主要應用場景。