政策引擎+市场动能！中国氢能全链布局全球赛道
发布日期：2025/3/15
研究发展新型低碳能源产业链是推动碳中和进程、保障能源安全的重要途径之一。
本文以WOS 数据库 26169 篇文献为数据源,借助 CiteSpace 构建“氢能产业链”研究知识图谱,分析全球氢能源及产业链研究演进、研究热点以及前沿趋势,并结合国内氢能源产业发展建设情况进行分析。结果表明.全球对氢能源产业的研究关注度日益提升,中国,美国,日本,韩国,西欧等能源消耗大国及经济体量大国是该领域的研究地区,中国在研究数量、研究人员,研究影响力方面处于领先地位。同时,本文从制氢、氢储运、加氢(站)、氢燃料电池全产业链出发,分析中国氢产业现有技术水平和主流应用方式。但中国目前实际氢能源产业链相对落后,受制于技术难题、成本等制约因素,氢能源产业发展市场化、规模化发展不足,需要政府、企业、社会多方发力,协调推动产业链构建。
一、引言
在全球气候变暖和碳减排的趋势背景下，加快传统化石能源向清洁能源转型已成为全球经济绿色增长的重要引擎。作为一种绿色高效、来源丰富、应用广泛的清洁能源，氢能已被世界各国视为重要的国家能源战略。截至目前,全球已有近 20 个国家(包括欧盟)发布国家级氢能战略或相关路线图。基于能源结构和科学技术水平的差异，各国在能发展的政策目的上各不相同。欧洲各国以碳减排为首要驱动力,重点推广天然气管道掺氢,在实现深度脱碳的道路上着力改变过度依赖化石的能源结构。日本、韩国以丰富能源供给结构,保障能源安全为目的,专注于车用和家用领域的燃料电池应用。美国将氢能作为中长期战略技术储备,不断加大科技研发力度,确保在新兴技术领域的领先地位。澳大利亚、俄罗斯及沙特等国凭借化石能源禀赋,推动氢气出口贸易,拓宽出口渠道,创造经济增长新动能。
氢能产业链涵盖了上游制氢、中游储运氢以及下游氢燃料电池及其应用三个方面。据不完全统计，截至2021年末，中国已经实现氢气产能约为4000 万吨/年,产量约为 3300万吨/年。已初步掌握氢产业链上、中、下游所涉及的核心技术及生产工艺,逐渐形成以京津冀、长三角、珠三角为主的氢能产业,西南成都、中部武汉和山东氢能产业并跑的氢产业布局。现阶段中国对能源转型升级和环境保护日渐重视,将氢能视为解决环境污染问题的长期战略发展方向,初步建立了氢能产业链。但是中国在燃料电池、氢能冶金及制氢技术等领域仍然落后于国外,不能满足当下市场的规模化应用需求。为促进中国实现碳达峰与碳中和的目标,缩小在氢产业链建设中与国外的技术差距、发展差距,需要着眼于氢能产业研究的前沿,了解并掌握最新发展动向,为中国氢能产业链战略制定与方向建设确立正确导向。基于此,本研究应用 CiteSpace 的可视化分析功能梳理 WOS 数据库中相关氢能及氢产业链研究文献,探究近年来全球氢能发展态势,并结合中国氢产业链发展情况,为国内产业链建设、形成全球竞争优势提供参考。
二、数据来源与研究方法
2.1 (一)数据来源
在氢能产业相关文献收集中,为了确保源数据的科学权威性及覆盖全面性，本文以 Web of Science 数据库核心合集为数据来源。根据已有学者研究,通过主题词检索(TS)确保检索结果的查全率设定检索式为 1S=(“hydrogen energy"and“hydrogenindustry”)。检索时间范围为 2012-2021年,检索结果共计 26169 篇文献。
2.2 (二)研究方法与工具
1.研究方法。为实现对氢能源产业链研究重点及趋势分析,本文使用文献计量分析方法对收集的氢能与氢产业链领域有效文献从统计学的角度定量研究,包括发文数量、发文年份、发文作者、发文机构等数据特征。通过发文分布(包括国家/作者/机构合作网络)关键词共词聚类、突发词检测等多种分析方法，梳理近10来全球氢产业领域的研究趋势和热点。
2.研究工具。本文使用 CiteSpace(5.8.R3 版本)和 Excel 软件工具进行量化分析。CiteSpace 目前被广泛使用于文献知识图谱分析中,通过该数据工具抽取关键词和研究主体(机构、作者、国家)。计算不同研究主体的发文量和总被引次数,然后通过关键词聚类和突发词检测将近十年氢产业领域的研究热点进行分类。
三、研究结果与分析
3.1 (一)全球氢产业发展态势
文献发表数量在一定程度上可以反映出某一学科在一定时期内的发展水平和速度。根据 2012-2021 年全球氢产业发文量年度趋势图(图1),近十年来,全球氢产业领域发文量总体呈现波动上升趋势，尤其在2014年日本取得氢燃料电池领域的重大技术突破后,世界各国纷纷将能源目光聚焦到氢能。近三年来,在化石能源的减少和全球气温升高的发展趋势下，诸多国家将氢能发展纳入国家战略,对氢能源的布局推动了各国研究者对氢产业研究领域的进一步关注，氢产业研究发文量高速增长。2019-2021年,全球氢产业发文量从2961篇增至 3338 篇,增长率为 12.7%,发文量达历史峰值。在此期间，多个国家颁布了有关氢能源的发展规划如 2019 年澳大利亚发布了《国家氢能战略》;2020年美国发布了《氢能项目计划》:英国以建设氢气供应管道网络为核心制定氢气网络计划。中国从2016年开始将氢能纳入能源技术革命,逐步发展氢产业链核心技术,推动新能源汽车产业的发展。
3.2 (二)科研合作网络
学知识,这种合作方式即为科研合作网络。文献计量学中主要对论文合作方的关联性进行测度来形成科研合作网络,帮助了解相关领域内的文献研究合作情况及突出的研究主导者或主要机构。截至目前,Citespace 中科研合作网络分析主要包括作者机构和国家合作网络,分别对应微观、中观、宏观的合作网络分析。这种分析可以直观地了解相关领域的研究“领头羊”为不同的机构、国家寻找和引进学术资源提供参考。
该图谱中不同的节点(圆圈)代表不同的作者,圆圈越大表明作者的发文量越高。不同节点之间的连线表明作者之间的合作情况，从同一节点发出的连线越多,表明该作者与其他作者的合作频次越高。图2为氢产业领域作者合作网络图,通过调整值,图2中显示除了该领域发文量前10名的作者，圆圈最大的作者为 Ⅲbrahim Dincer,表明该作者在氢产业领域的发文量最多,其次是 Lie jinGuo。
通过深度挖掘并统计发文量排名前10位作者信息,用生产力和影响力两个指标来衡量作者在氢产业领域内的发文质量。其中,生产力包含发文量和年均发文量两个统计量,影响力包括总他引次数和篇均他引次数两个统计量。从发文数量上看,排名前三位的依次是来自加拿大的 Ibrahim Dincer，来自中国的Liejin Guo 和 Wang Hui，他们的发文量依次是132、121、61篇。从篇均他引次数上看,Ibrahim Dincer,JinHui,Li Zhang 分别以 29.22、28.98、24.73 次的篇均他引次数排名前三。这组数据表明了这三位作者在氢产业领域的学术认可度和权威性。从所属国别上看,发文量排名前 10位的作者中有8名是中国作者，这表明中国学者在氢产业领域研究成果丰硕。2.国家合作网络。在科技创新和难点技术攻关上,国家间的合作有利于加快科学技术突破和增强科技创新能力。图3为氢产业领域国家合作网络图,展现了发文量全球排名前10位的国家。圆圈节点代表不同的国家，节点越大表明该国发文量越高,连线代表国家间的合作。从节点大小看,中国的发文量遥遥领先。但从连线上看,国家间的合作频次不高,这从侧面反映了新能源国运之战使世界各国在氢能及相关技术研究上处于竞争关系。
3.3 (三)关键词分析
关键词是作者对文章研究内容的高度凝练与括，通过对 26169 篇文献进行关键词共现和聚类分析，展示出近 10年来全球氢产业领域的研究热点表1统计了近10年全球氢产业领域排名前10的关键词。从表1可以看出，氢产业领域前5名依次是hydrogen production ,fuel cell ,catalyst ,methane hydrogen storage。通过聚类分析,调整阈值,将众多关键词中节点最大处设定为聚类名称。
3.4 (四)突发词探测
突发词指某个变量在短时间内成为学术研究的热点,这个变量不仅仅限于文献中的关键词,还可以是研究主体或文献被引频次。突发词探测的作用在于分析大量文献中的研究热点以及这一热点被研究的起止时间，在一定程度上可以预测未来的研究趋势。利用 CiteSpace 软件进行突发词探测时,调整参数γ的值,γ的取值为[0,1],γ值越大表示突发词的数量越多。参数 Minimum 表示突发词起止时间的最小年数,该参数越小,显示的突发词越多,由于本文数据量较大,故所设参数 Minimum 值为5。图4为近10年来全球氢产业领域前18的突发词，图中每个小横条表示一年，红色区域表示该突发词出现的起止时间。例如:“steam electrolysis”一词在 2013 年成为研究热点,终止于 2017 年,突变时长为5年。
四、中国氢产业链发展现状
4.1 (一)制氢
在氢产业链中,制氢环节位于首位,是整个氢能产业链发展利用的源头。制氢技术以及规模装备的发展水平对中下游产业链建设和运营成本具有直接的影响,最终会影响氢产业链末端的氢燃料电池的经济型性。氢工业中的灰氢指通过化石燃料燃烧产氢或工业副产品氢,生产工艺为蒸汽甲烷重整(SMR)或煤气化。由于制取工艺技术成熟和成本低廉,灰氢是当前世界上产量最高的氢气,但因产生的 CO2 过多,只能暂时为氢能需求提供保障,不适宜作为长期制氢方式。蓝氢是在灰氢制取的基础上融合了碳捕捉、碳利用和碳封存技术(CCUS)来处理清洁程度,但由于CCUS技术成本高昂,同时也增加了氢气的制取成本。绿氢是指通过可再生能源(太阳能、风能、核能等)与电解槽结合电解水制氢。绿氢的制取从源头上根除了碳排放问题,使氢能的有效利用形成了氢循环。
中国目前制氢产业星现“三低两高"发展态势即氢能利用量低,制氢技术水平低,制氢方式中低碳绿色化程度低、氢产量和生产成本高。在制氢技术水平与方式方面,目前中国已有制氢技术包含水解制氢,化石燃料制氢,核能制氢等,电解制氢仅占1%。一方面,氢能属于二次能源,由于中国目前以化石能源为主的能源结构,使得制氢本身需要消耗较多的化石能源,产生较多二氧化碳,绿色低碳的目标不能有效实现。另一方面,中国电解氢技术水平相对较低,同时相对于绿氢,灰氢(化石能源制氢)制造成本更低，由于成本与技术方面的因素限制灰氢为氢能源的主要来源。相对比之下,日本的电解制氢在总产能中占比63%。此外,中国在太阳能光解水技术与生物制氢技术方面还处于发展初期太阳能光解水技术还存在原料成本高，转换效率低,高温材料研发难等问题。同时,生物质制氢技术也面临开发高活性的催化剂以及对传统催化剂进行改性的技术难题。
4.2 (二)氢储运
储氧可解决可再生能源的间歇性和波动性问题,减少弃风弃光现象,将电网低负荷时的电能转化为氢能储存起来。氧气在常温常压下成为气态密度为0.0899kgm3。作为分子最小的化学元素,普通金属储存易产生氢脆、氢气泄露等问题。目前的存贮技术在技术成熟度,储存密度,安全性,成本方面各有差异。其中,低温液态储与有机液态储质最密度高,但成本与技术要求相对更高:高压气态储氢成本低但储存密度低:固态储氧安全高但技术要求较低,在成本与储氢密度上不具有优势。
运氧产业方面,受限于氧气应用规模和不同的物理形态,目前的运输方式包括以长管拖车和集装格为主的高压气(态运输:以铁路、航运,槽罐车为主的液氧运输:以气态管道和液态管道运输为代表的管道运输。其中,液氢运输的能量效率较高,但氢气(液化过程能耗较高,仅适用于短途运输。固态氢运输虽技术要求低,但由于固态氧气密度较小,导致运输能效低下。国内目前主要以高压气氢车辆运轮方式为主,随着氢气使用规模的扩大,管道运输与海上运氢未来将成为主流方式。
中国在储氢技术研发与应用上还处于起步阶段,整体相比日本与美国还有较大差距。基于现有的氢气供应需求,国内主要采用成本低,充放气速度快的高压气态储氢技术,但该技术存在储氢密度低、远距离运输成本高的劣势,无法适应未来氢能大范围的应用。在管道运氢方面,虽然原始投资成本较高,但未来明显具备大规模、远距离运输的显著优势。在全球氢气管道网分布中，美国占据2700km,欧洲占据 1600km,中国仅有约 100 公里。由于国内氢气主要来源于工业副产氢,产地集中在煤炭资源丰富的北部地区,与氢能需求量和发展程度高的东部地区形成错位分布。目前已有大型国企(中石油、中石油、国家电投)开始探索天然气管道掺氢技术,在纯氢掺氢天然气管道及输送核心技术上进行研发。低温液态储运氢技术受制于技术、法规与成本等因素，国内长期只运用于航天事业,短时间内该技术仍会处于缓慢发展态势。目前,由于产业规模 、运营成本、技术开发水平等影响因素,氢能储运产业规模发展受到限制,市场化的储运方式停留在技术成本偏低、运储能效低、安全性偏低的“三低”状态。
4.3 (三)加氢(站)
加氢站具备储氢或为氢能利用装置加注氢气的功能,根据氢气的来源可分为外供式和站内式两种外供式加氢站类似于加油站的运营模式，外运来的氢气经压缩机增压后储存于高压气态储罐中，然后通过氢气加注机输出氢气。内供式加氢站即具备制氢能力的外供式加氢站，流程上减少了氢气运输环节。根据氢气储存的物理形态,加氢站也可分为气态加氢站和液态加氢站两种模式。其中,气态加氢站是指将外来或自制的氢气在调压干燥系统的处理下经干燥和压缩后进入高压储氢罐储存的形式。液态加氢站又可细分为储存型和加注型两种形式，液氢储存型加氢站指站内氢气以液态的形式储存，然后利用“先增压后气化”或“先气化后增压”的形式来为氢能利用装置加注氢气;液氢加注型加氢站即直接为携带有车载液氢系统的车辆加注液氢。
从发展历程看,国内加氢站建设起步晚,但发展速度较快。通过据不完全统计，截至2022年6月,全国已建成加氢站超270座,占全球近四分之一比例,主要集中于广东、上海两地。目前国内加氢站均属于高压气态加氢类别,储氢容量在 500kg左右,以商用车 30kg/天的日用氢量计算,该种加氢站每天最多仅能为 17 辆商用车提供加氢服务。虽然近年来国内加氢站建设速度较快,但仍存在诸多可见的发展问题:一是供给与实际需求不相匹配,相对于目前氢能燃料电池的需求,加氢站的布局还存在较大供给缺口。二是加氢站建设核心技术国有化率低,在建设过程中,不少核心部件依赖于进口,国产化不足,产业发展的话语权低。三是建设成本高政策力度不足,难以在短期内形成规模化发展。据已有研究数据，国内建设一座加氢能力超过200kg标准加氢站需要1000-2000万元成本费用，但政策支持上仅为400万元座。因此,加站建设与普及的最大难点在于建设成本过于高昂,无法依靠社会力量大规模推广。目前全球大多数液氢加氢站主要分布在美国和日本，而中国由于氢液化技术的制约,交通运输的限制,再加上缺少相关标准规范与政策规划,导致中国现阶段建设液氢加氢站的各方面条件不够成熟。
4.4 (四)燃料电池
氢燃料电池是氢能终端应用的重要产品,也是支撑氢能源汽车产业发展的重要环节。能量转化上直接将氢气中的化学能转化为电能,不存在其他形式的能量转化。因此,能量转换效率较高,同时在整个反应过程中,只释放热量和水,无环境影响。氢燃料电池在工作时，电堆与电池协同为电机提供电能,电机则作为动力源驱动车辆行驶。由于氢燃料电池拥有体积小,容量大,无污染、无噪声,高效率等独特优点,被广泛认为是未来具有极大前景的发展行业。
中国的燃料电池行业还处在起步阶段,无论是从总体性能还是从成本上来看,都存在较大的提升空间。国内主攻质子交换膜燃料电池相关技术的研究，在部分关键材料与和核心组件上如膜电极BPs、氢气循环泵、空气压缩机、GDL 等核心组件PEM,催化剂等均已实现小规模自主生产。在产业布局上,氢燃料电池企业主要分布在长三角、珠三角和京津冀等地区,其中的北京亿华通、青岛海卓动力、上海杰宁等公司氢燃料电池装机量位居行业领先地位。目前,国内燃料电池行业的主要问题表现在核心零部件及材料依赖进口，综合寿命短，系统可靠性差,体积大,耐久性低。技术问题不仅关联氢燃料电池的生产成本,同时也限制了燃料电池行业的发展。
五、政策建议
5.1 (一)完善制氢产业布局,强化多方协同参与
针对目前中国制氢产业面临的规模小、成本高以及技术困难多等发展问题,需要政府、社会、企业多方面共同参与,发挥各自优势,协同促进制氢产业发展。方向上,一方面需要着眼国际前沿制氢技术研究,确保中国在未来氢产业国际竞争中形成一定优势。另一方面,遵循市场发展规律,通过政策支持推动,在制氢成本不断优化下降的同时促进制氢产业由灰氢向蓝氢,绿氢方向转型升级。从具体协同看,政府方面应根据制氢产业的发展特点制定排完善发展规划与激励政策,完善制氢各个环节的标准与规范,提供方向引导与资金支持。高校及科研机构应加强制氢技术的研究,降低制氢成本。企业方面应做好制氢产业布局,促进制氢产业链的市场化运营。
5.2 (二)探索天然气管道掺氢技术,建立多点供应的氢能管网
着眼于未来氢能产业发展,实现氢能的规模化应用以及形成国际技术水平的竞争优势,储技术方面应着眼于周态与液态方面的攻坚与应用,实现更高密度,更高安全性的储。而运技术方面应着眼于管道运输及海运的应用,中国已建成相对完善的天然气管道运输体系,通过改造和掺氢,实现氢气的管道运输可降低成本，实现全国大范围迎达。此外,根据中国的经济布局,东部沿海省份及长江航运经济带人口更为密集,经济水平更高,对能源的需求量更大,实现规模化的氢能航道运输与中国的经济布局、能源需求分布是相吻合的。
5.3 (三)加快加氢站关键材料和核心组件技术攻
作为氢产业链中链接终端产品的重要一环,加氢站建设关系着氢能源使用产品在消费者端的普及情况。因此,对加氢站的建设应作为一项重点工程推进。根据目前国内发展情况,加氢站建设一方面需要加强自主技术攻关,掌握核心技术,提高国产化率,推动关联产业布局,逐步降低加氢站建设成本。另一方面,要强化政策支持倾斜,完善技术创新与典型示范的激励机制,帮助企业在发展初期有能力有资金投入建设。在此基础上,进行市场化引导,促进氢能利用全产业链发展。
5.4 (四)构建氢燃料电池政策保障体系
从氢燃料电池汽车发展的四大瓶颈问题出发根据已有研究来看,由于高成本,高技术门槛限制短时间内难以通过市场化实现产业化发展标准,需要政府层面子以支持引导,从燃料电池制造、整车车厂建设,配套基础设施,终端消费激励补贴四个环节人手子以恰当的补贴与政策引导,推动产业链建设。此外,加强合作和技术引进也是重要的促进措施。目前国内已有汽车公司制造出了氢燃料电池汽车,但发展成熟度与丰田、现代等日韩氢能源汽车还存在一定差距,也尚未实现产业化。需积极引进优秀的外资氢能源汽车品牌参与项目建设合作,促进本国氢能源电池汽车产业的快速提质升级。
来源：商经管理，迈爱德编辑整理 作者：周 伟,余帅均
