氫能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)分析及對(duì)策建議

◎文/韓秀棟

2022年3 月23 日，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃 （2021—2035年）》，明確到2025年，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系； 燃料電池車輛保有量約5 萬輛， 部署建設(shè)一批加氫站； 可再生能源制氫量達(dá)到10 萬噸/年～20 萬噸/年，成為新增氫能消費(fèi)的重要組成部分， 實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排100萬 噸/年～200 萬 噸/年。 到2030年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系， 產(chǎn)業(yè)布局合理有序， 可再生能源制氫廣泛應(yīng)用， 有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。 到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系， 構(gòu)建涵蓋交通、儲(chǔ)能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)； 可再生能源制氫在終端能源消費(fèi)中的比重明顯提升， 對(duì)能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。

一、氫能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游制氫、中游儲(chǔ)運(yùn)氫和下游氫應(yīng)用， 就我國產(chǎn)業(yè)鏈成本來看，制氫成本占比最重，達(dá)到了55%， 儲(chǔ)運(yùn)氫成本占30%。 目前氫能產(chǎn)業(yè)還不具有經(jīng)濟(jì)性， 燃料電池是高效清潔利用氫能的最佳工具，相關(guān)技術(shù)在國際范圍內(nèi)已取得重大突破， 想要實(shí)現(xiàn)燃料電池的產(chǎn)業(yè)化， 必須要保證氫能產(chǎn)業(yè)的同步發(fā)展。

（一）上游制氫：以工業(yè)副產(chǎn)氫為主

氫的制取產(chǎn)業(yè)主要有以下三種較為成熟的技術(shù)路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫；二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫；三是電解水制氫，投資和運(yùn)行成本高， 質(zhì)子交換膜電解水是未來的主流方向。天然氣制氫是國外主流制氫方式，綜合考慮成本、排放、原料充足程度和轉(zhuǎn)換效率等多重因素， 我國以工業(yè)副產(chǎn)氫為主，達(dá)到化石燃料（尤其是煤炭）清潔化利用的目標(biāo)，關(guān)鍵核心技術(shù)是利用變壓吸附（PSA）等手段提純出符合燃料電池用氫要求的高純度氫氣。

（二）中游儲(chǔ)運(yùn)氫：以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為主

儲(chǔ)氫技術(shù)分為物理儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫。 物理儲(chǔ)氫主要包括常溫高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液化儲(chǔ)氫； 化學(xué)儲(chǔ)氫主要包括金屬氫化物儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫，尚處于研發(fā)階段。我國當(dāng)前已建成的加氫站都是采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，技術(shù)較為成熟。 車載儲(chǔ)氫容器是當(dāng)前氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的研究熱點(diǎn)， 日本豐田汽車開發(fā)的70MPa 鋁合金內(nèi)膽纖維纏繞瓶幾乎無氫脆問題，國內(nèi)商用儲(chǔ)氫容器主要是35MPa 碳纖維包覆鋁合金內(nèi)膽儲(chǔ)氫瓶。 實(shí)現(xiàn)高性能碳纖維及纏繞設(shè)備、高壓罐體加工設(shè)備的國產(chǎn)化， 是氫能儲(chǔ)運(yùn)亟待解決的問題。

（三）下游氫應(yīng)用：以氫燃料電池汽車為主

氫氣下游應(yīng)用領(lǐng)域包括化工、交通、電力、建筑、醫(yī)療、食品等行業(yè)，當(dāng)前氫燃料電池汽車是主要應(yīng)用場景，美國、日本、韓國主推的是氫燃料電池乘用車， 中國則以氫燃料電池商用車為主。 質(zhì)子交換膜燃料電池是車用主流技術(shù)， 而膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池最核心部件，由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層三個(gè)部件組成。 其中的關(guān)鍵核心材料Pt 基催化劑的成本最高， 占到了燃料電池電堆成本的53%，占整個(gè)電池系統(tǒng)總成本的32%。 因此，開發(fā)低成本長壽命的催化劑是實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵。

二、天津氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

天津于2020年1 月印發(fā)《天津市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案 （2020—2022年）》，提出到2022年，力爭建成至少10 座加氫站，累計(jì)推廣氫燃料電池車輛1000 輛以上，氫能產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值突破150 億元。

（一）上游制氫：工業(yè)副產(chǎn)氫資源豐富

天津氫能資源豐富，聚集了包括渤化集團(tuán)、大陸制氫、中石化天津分公司等制氫企業(yè)。渤化集團(tuán)及其子公司擁有豐富的氫能資源，現(xiàn)有生產(chǎn)氫能的化工裝置主要為煤氣化爐、脫氫裝置和電解裝置，擁有4.5 萬噸/年的工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能。大陸制氫是一家制氫設(shè)備和氣體純化設(shè)備公司，主營電解水制氫設(shè)備、氣體純化設(shè)備、變壓吸附設(shè)備和氫氣回收設(shè)備， 制氫純度高達(dá)99.999%以上。中石化天津分公司通過提煉石油制取氫氣，年產(chǎn)量高達(dá)27.2 萬噸，主要用于化工使用。

（二）中游儲(chǔ)運(yùn)氫：儲(chǔ)氫加氫環(huán)節(jié)缺失

天津儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)缺失，加氫站建設(shè)緩慢， 僅聚集了亞力氣體、比歐西氣體、法國液化空氣等少數(shù)具備專業(yè)氫氣運(yùn)營資格的運(yùn)氫企業(yè)。 亞力氣體在氫氣運(yùn)輸方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)， 管束拖車可用作輔助儲(chǔ)氫容器， 其設(shè)計(jì)工作壓力為20MPa， 約可充裝氫氣3500m。 比歐西氣體是林德集團(tuán)旗下子公司， 是工業(yè)氣體、工藝與特種氣體的供應(yīng)商，業(yè)務(wù)遍布華北地區(qū)。法國液化空氣集團(tuán)是世界上最大的工業(yè)氣體服務(wù)供應(yīng)商之一， 在氫氣運(yùn)輸與加氫站建設(shè)方面技術(shù)成熟。

（三）下游氫應(yīng)用：基礎(chǔ)研究國內(nèi)領(lǐng)先

天津擁有天津大學(xué)、南開大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)知名的雙一流高校，在燃料電池、催化劑領(lǐng)域， 有著很好的研究基礎(chǔ)和眾多的科研成果。 天津大學(xué)在催化劑基礎(chǔ)研究及電池仿真技術(shù)方面國內(nèi)領(lǐng)先。 中汽中心建立了燃料電池汽車測評(píng)核心團(tuán)隊(duì)， 專業(yè)領(lǐng)域覆蓋燃料電池汽車全技術(shù)鏈，具有完備的檢驗(yàn)檢測設(shè)備和能力， 是國內(nèi)首家具備70MPa 氫氣加注能力的汽車檢測機(jī)構(gòu)， 擁有國內(nèi)首個(gè)燃料電池汽車專用性能轉(zhuǎn)鼓環(huán)境艙。

三、天津氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

（一）打造資源生產(chǎn)供給基地

充分利用渤化集團(tuán)、中石化天津分公司現(xiàn)有工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能， 加大對(duì)包括催化劑在內(nèi)相關(guān)提純技術(shù)的研發(fā)投入，開發(fā)耐腐蝕、高催化活性的非貴金屬催化劑， 提出更優(yōu)的變壓吸附解決方案，設(shè)計(jì)提高吸附周期的閥門等裝置，進(jìn)一步提升氫氣質(zhì)量，達(dá)到氫燃料電池應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，加 快 推 進(jìn) 渤 化 永 利2000Nm/h 加氫母站項(xiàng)目建設(shè)，將資源轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，為天津加氫站建設(shè)以及氫燃料電池汽車示范運(yùn)營提供充足可靠氣源保障， 打造京津冀重要?dú)淠苜Y源供給基地。

（二）聚焦核心材料及設(shè)備攻關(guān)

通過“揭榜掛帥”科技重大專項(xiàng)等扶持手段， 加大對(duì)氫能高效存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、氫燃料電池催化劑等關(guān)鍵核心技術(shù)的支持力度， 突破 “卡脖子” 技術(shù)壁壘， 打破日美壟斷。推動(dòng)昂林貿(mào)烽、航天長征睿特與浙大濱海院、中船重工707 所在高性能碳纖維編織、纏繞設(shè)備開發(fā)、氫能儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)集成等方面的合作；推動(dòng)天海高壓容器等氣瓶廠商對(duì)高壓罐體加工設(shè)備的提升改造， 實(shí)現(xiàn)核心材料及設(shè)備的國產(chǎn)化， 助力天津打造自主創(chuàng)新重要源頭和原始創(chuàng)新主要策源地。

（三）構(gòu)建氫能創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)圈

鼓勵(lì)企業(yè)積極與清華高端院、中汽中心等科研院所和行業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)接， 聯(lián)合開展氫能及氫燃料電池創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)， 引進(jìn)培育行業(yè)優(yōu)勢(shì)研發(fā)力量， 加速推進(jìn)氫能領(lǐng)域科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化。 推動(dòng)中汽中心加快國家燃料電池汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)， 加快建設(shè)氫燃料電池車輛測試基地和試驗(yàn)場。開展綜合氫能示范應(yīng)用，以氫燃料電池叉車、物流車、重卡等車輛示范應(yīng)用帶動(dòng)核心部件龍頭企業(yè)項(xiàng)目落地，構(gòu)建涵蓋材料、零部件、系統(tǒng)、整車的氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。