氢能产业链大挖掘：制、储、用氢是如何落地？

 

“氢气的规模化低成本储运是当前氢能利用的瓶颈问题，此外，还需要满足储运的高安全性，因此急需开发新型的储运氢技术。而固态储氢技术在安全性、储氢密度方面具备明显优势。”

 

“由于过去五年的燃料电池技术的快速进步，燃料电池系统的成本现阶段的成本和十年前相比已经下降了约90%，而且随着生产销售规模的进一步扩大，燃料电池系统的成本完全可以达到和内燃机相当的水平，并且显著低于实现同等功能的锂电池。”

 

6月28-29日，2023氢能专精特新创业大赛首场预赛开幕式的现场，中船（邯郸）派瑞氢能科技有限公司总经理张玉广，上海交大教授邹建新，中国氢能联盟副秘书长、同济大学教授马天才等嘉宾针对氢能产业的发展、技术路线的应用与挑战等，围绕氢能产业链的制、储、运、用等多个环节分别做主题演讲。

 

演讲指出，氢能有助于丰富我国的多元化能源供应，保障能源供需安全。我国应该结合氢能在燃料电池、绿色化工和绿色钢铁领域的应用，以氢代油、以氢代煤推动终端用能多元化、清洁化，同时攻克氢存储技术难题，共同推动双碳目标的实现。

 

绿色制氢：“碳中和”的重要一环

 

目前，全球兴起氢能发展热潮，氢能已进入产业化快速发展新阶段。

 

“氢能已经成为国际议程的新焦点，许多国家和地区制定了‘碳中和’目标。”中船（邯郸）派瑞氢能科技有限公司总经理张玉广表示，全球共有136个国家、115个地区、200多个城市在布局、规划氢能产业发展，比如欧盟的计划是2030年绿氢产量达到1000万吨，2050年实现气候中立、零污染的目标。

 

 

图 | 中船（邯郸）派瑞氢能科技有限公司总经理张玉广演讲现场

 

作为氢能大国，中国的氢能产业发展也十分迅速。根据中国氢能联盟预测，2025年，中国氢能产业产值将达到1万亿元；2050年，氢在中国终端能源体系占比约10%，2060年将达15%，成为中国能源战略的重要组成部分。届时氢能将与电力协同互补，共同成为中国终端能源体系的消费主体，带动形成十万亿级的新兴产业。

 

然而，目前制氢的主流方式仍然是以煤、天然气为代表的化石能源重整制氢，想要实现可再生能源电解制氢的主流局面，仍然还有很长一段路要走。“当电价接近每千瓦时0.25元，碱性电解水制氢才接近煤制氢成本。”张玉广表示。

 

为进一步提高绿氢的开发与应用，目前我国已在加快绿氢市场的布局。一方面，我国各地政府纷纷出台氢能相关支持政策，鼓励开展源网荷储、风光氢等可再生能源示范项目，比如在宁夏、内蒙古、新疆等地规划建设了以中石化库车、宁夏宝丰等为代表的绿氢示范项目，开展规模化示范应用；另一方面，各大央企积极以应用示范为抓手，推动氢能全产业布局。

 

“2030年之前，碱性、PEM 电解制氢技术仍然作为市场主流广泛应用。碱性制氢装备市场容量保持在85%以上；阴离子交换膜（AEM）与固体氧化物（SOEC）制氢技术由实验阶段转为小型化应用阶段。而在2060年之前，围绕清洁化、低碳化、低成本的需求，各类制氢技术将会结合应用场景形成多元制氢体系。”张玉广在谈及绿氢制备技术发展趋势时表示。

 

技术的发展加速绿氢的升温，另一方面，绿氢降本潜力巨大，同样增强了其发展的生命力。对此，张玉广总结了中国的绿氢降本潜力四个要点。

 

第一是设备成本。规模化和标准化生产，以及持续的研发投入和技术进步，可在2030年使制氢设备固定成本有望降低50-60%。

 

第二是用电成本。技术创新降低电解槽及系统能耗，可进一步降低可再生能源发电成本。

 

第三是设备利用率。合理设计可再生能源与制氢容量配比可提升设备利用率；同时，降低储电成本，也可通过储电进一步提升设备利用率。

 

第四是产业链降本。通过制、储、运、加全产业链技术进步实现成本下降。

 

储氢：镁基固态储运技术与应用

 

氢能作为清洁能源，其成为“实现碳中和的必要途径”一点几乎已是业内共识。然而，目前氢能想要得到广泛应用，其实还存在一个不得不面对的行业挑战：氢的储运难题。

 

“目前氢能储运已成为我国氢能发展的瓶颈。”上海交大教授邹建新指出，为了攻克该难题，他带领自己的团队一门心思“扎进”了镁基储运材料的研究当中。

 

 

图 | 上海交大教授邹建新演讲现场

 

经过长时间的调研，邹建新发现了镁基材料的几大优势。第一是资源优势，我们国家的镁占全球产量的90%以上；同时镁作为常见金属，价格便宜，不限制进出口。第二是性能优势，镁基材料的储氢密度最大可达7.6 wt% (110 g/L) ，安全指数高；同时还可实现多种方式放氢。第三是技术优势，其释放氢的过程属于简单反应，无副产物，控制性良好；还可以实现高纯度释放。第四是环境优势，镁是一种可回收材料，对环境友好，无三害产生。

 

然而，镁金属固然“物美价廉”，然而其作为一种活泼金属，同样也存在一些问题，比如在吸放氢过程中会长大、在比较高的温度下容易膨胀粉化等，容易降低吸放氢的容量和速度。为保持稳定性，邹建新在通过“材料设计-材料试验-小型装置原型试验-中大型储氢装置”等一系列开发流程后，终于研发出了可量产的镁基固态储氢材料。

 

第一种是氢化镁粉末，目前的年产能力是10吨，特点是适用于高产氢密度（15.2wt.%），可长期储存，主要用于水下潜航器、无人机等应用场景。

 

第二种是多孔镁基储氢颗粒，可年产100吨。目前能实现储氢密度大于6%，循环使用寿命大于3000次，能有效净化含CO、H2S等杂质的氢气，可用于氢气规模储运等应用场景。

 

“我们目前已实现了吨级镁基固态储氢车的生产。它操作简单且具备显著的灵活性，同时还具备高安全、成本低等优势，储氢量也非常高，单车储存1吨以上的氢气，是传统车的3倍，循环寿命也达到了3000次以上，属于国际领先的水平。”邹建新自豪的表示，未来，镁基固态储氢必然会发挥巨大作用，帮助氢能源实现长期、高效、安全的存储。

 

用氢：燃料电池的“瓶颈”在于商业闭环

 

低碳的绿氢，高效安全的储氢，事实上都是为了抵达产业链的最后一步——更好地把氢“落地”。

 

目前，燃料电池产业链发展形势大好，我国已形成具备国际竞争力的集群化燃料电池技术产业链；政策、法规、标准体系也已初步建立，正在进一步快速完善中；同时，制氢、加氢产业与基础设施也在高速增长。数据显示，2022年，中国新增氢燃料电池汽车4715辆，累计保有量13,249辆；随着五个燃料电池汽车示范城市群获批与启动，氢燃料电池汽车产业化更是即将步入快速发展新阶段。

 

“氢能‘落地’托起了燃料电池产业发展，然而未来是光明的，道路是曲折的。”同济大学教授马天才表示，从氢能走到燃料电池，因为还没有形成一个完整的商业闭环模式，所以仍然存在很多生存与发展的考验。“燃料电池系统面临的核心挑战，其实就是如何提高全生命周期的性价比。”

 

 

图 | 中国氢能联盟副秘书长、同济大学教授马天才

 

针对该点，马天才给出了一个经济性挑战解决方案：一方面是合理选择额定功率，因为合理选择工作点是系统匹配的核心，轻载运行是提升效率、寿命的可行解决方案之一；另一方面，就是关注重载条件下的健康状态与衰减，因为研究表明，虽然轻载方式确实可以提升耐久性，但是在重载模式下，耐久性未必会衰减，因为可以建立较好的燃烧电池内部观测和内部健康的控制方法。

 

最后，对于燃料电池产业未来的发展，马天才认为有几点技术需要特别关注，比如高性能的扩散层技术、在线含水状态识别技术、健康状态预测技术、高性能压缩-膨胀一体机技术等。

 

“行业发展尤其需要注意一些之前不是短板、现在是短板的地方。比如以前大家关注的是膜电机的电流密度有多高，但当现在催化剂性能、膜的性能提高以后，大家就会忽然发现，制约燃烧电池性能的却是传置过程。”马天才表示。

 

“二氧化碳排放将于2030年前达到峰值，我们要努力争取2060年前实现碳中和。”上海交大教授邹建新在2023氢能专精特新创业大赛首场预赛开幕式上直言，氢能是实现双碳目标的必要途径。