“氫氣的規(guī)模化低成本儲運是當前氫能利用的瓶頸問題，此外，還需要滿足儲運的高安全性，因此急需開發(fā)新型的儲運氫技術(shù)。而固態(tài)儲氫技術(shù)在安全性、儲氫密度方面具備明顯優(yōu)勢。”

 

“由于過去五年的燃料電池技術(shù)的快速進步，燃料電池系統(tǒng)的成本現(xiàn)階段的成本和十年前相比已經(jīng)下降了約90%，而且隨著生產(chǎn)銷售規(guī)模的進一步擴大，燃料電池系統(tǒng)的成本完全可以達到和內(nèi)燃機相當?shù)乃剑⑶绎@著低于實現(xiàn)同等功能的鋰電池。”

 

6月28-29日，2023氫能專精特新創(chuàng)業(yè)大賽首場預(yù)賽開幕式的現(xiàn)場，中船（邯鄲）派瑞氫能科技有限公司總經(jīng)理張玉廣，上海交大教授鄒建新，中國氫能聯(lián)盟副秘書長、同濟大學教授馬天才等嘉賓針對氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、技術(shù)路線的應(yīng)用與挑戰(zhàn)等，圍繞氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制、儲、運、用等多個環(huán)節(jié)分別做主題演講。

 

演講指出，氫能有助于豐富我國的多元化能源供應(yīng)，保障能源供需安全。我國應(yīng)該結(jié)合氫能在燃料電池、綠色化工和綠色鋼鐵領(lǐng)域的應(yīng)用，以氫代油、以氫代煤推動終端用能多元化、清潔化，同時攻克氫存儲技術(shù)難題，共同推動雙碳目標的實現(xiàn)。

 

綠色制氫：“碳中和”的重要一環(huán)

 

目前，全球興起氫能發(fā)展熱潮，氫能已進入產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展新階段。

 

“氫能已經(jīng)成為國際議程的新焦點，許多國家和地區(qū)制定了‘碳中和’目標。”中船（邯鄲）派瑞氫能科技有限公司總經(jīng)理張玉廣表示，全球共有136個國家、115個地區(qū)、200多個城市在布局、規(guī)劃氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，比如歐盟的計劃是2030年綠氫產(chǎn)量達到1000萬噸，2050年實現(xiàn)氣候中立、零污染的目標。

 

 

圖 | 中船（邯鄲）派瑞氫能科技有限公司總經(jīng)理張玉廣演講現(xiàn)場

 

作為氫能大國，中國的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也十分迅速。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，2025年，中國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達到1萬億元；2050年，氫在中國終端能源體系占比約10%，2060年將達15%，成為中國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。屆時氫能將與電力協(xié)同互補，共同成為中國終端能源體系的消費主體，帶動形成十萬億級的新興產(chǎn)業(yè)。

 

然而，目前制氫的主流方式仍然是以煤、天然氣為代表的化石能源重整制氫，想要實現(xiàn)可再生能源電解制氫的主流局面，仍然還有很長一段路要走。“當電價接近每千瓦時0.25元，堿性電解水制氫才接近煤制氫成本。”張玉廣表示。

 

為進一步提高綠氫的開發(fā)與應(yīng)用，目前我國已在加快綠氫市場的布局。一方面，我國各地政府紛紛出臺氫能相關(guān)支持政策，鼓勵開展源網(wǎng)荷儲、風光氫等可再生能源示范項目，比如在寧夏、內(nèi)蒙古、新疆等地規(guī)劃建設(shè)了以中石化庫車、寧夏寶豐等為代表的綠氫示范項目，開展規(guī)模化示范應(yīng)用；另一方面，各大央企積極以應(yīng)用示范為抓手，推動氫能全產(chǎn)業(yè)布局。

 

“2030年之前，堿性、PEM 電解制氫技術(shù)仍然作為市場主流廣泛應(yīng)用。堿性制氫裝備市場容量保持在85%以上；陰離子交換膜（AEM）與固體氧化物（SOEC）制氫技術(shù)由實驗階段轉(zhuǎn)為小型化應(yīng)用階段。而在2060年之前，圍繞清潔化、低碳化、低成本的需求，各類制氫技術(shù)將會結(jié)合應(yīng)用場景形成多元制氫體系。”張玉廣在談及綠氫制備技術(shù)發(fā)展趨勢時表示。

 

技術(shù)的發(fā)展加速綠氫的升溫，另一方面，綠氫降本潛力巨大，同樣增強了其發(fā)展的生命力。對此，張玉廣總結(jié)了中國的綠氫降本潛力四個要點。

 

第一是設(shè)備成本。規(guī)模化和標準化生產(chǎn)，以及持續(xù)的研發(fā)投入和技術(shù)進步，可在2030年使制氫設(shè)備固定成本有望降低50-60%。

 

第二是用電成本。技術(shù)創(chuàng)新降低電解槽及系統(tǒng)能耗，可進一步降低可再生能源發(fā)電成本。

 

第三是設(shè)備利用率。合理設(shè)計可再生能源與制氫容量配比可提升設(shè)備利用率；同時，降低儲電成本，也可通過儲電進一步提升設(shè)備利用率。

 

第四是產(chǎn)業(yè)鏈降本。通過制、儲、運、加全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)進步實現(xiàn)成本下降。

 

儲氫：鎂基固態(tài)儲運技術(shù)與應(yīng)用

 

氫能作為清潔能源，其成為“實現(xiàn)碳中和的必要途徑”一點幾乎已是業(yè)內(nèi)共識。然而，目前氫能想要得到廣泛應(yīng)用，其實還存在一個不得不面對的行業(yè)挑戰(zhàn)：氫的儲運難題。

 

“目前氫能儲運已成為我國氫能發(fā)展的瓶頸。”上海交大教授鄒建新指出，為了攻克該難題，他帶領(lǐng)自己的團隊一門心思“扎進”了鎂基儲運材料的研究當中。

 

 

圖 | 上海交大教授鄒建新演講現(xiàn)場

 

經(jīng)過長時間的調(diào)研，鄒建新發(fā)現(xiàn)了鎂基材料的幾大優(yōu)勢。第一是資源優(yōu)勢，我們國家的鎂占全球產(chǎn)量的90%以上；同時鎂作為常見金屬，價格便宜，不限制進出口。第二是性能優(yōu)勢，鎂基材料的儲氫密度最大可達7.6 wt% (110 g/L) ，安全指數(shù)高；同時還可實現(xiàn)多種方式放氫。第三是技術(shù)優(yōu)勢，其釋放氫的過程屬于簡單反應(yīng)，無副產(chǎn)物，控制性良好；還可以實現(xiàn)高純度釋放。第四是環(huán)境優(yōu)勢，鎂是一種可回收材料，對環(huán)境友好，無三害產(chǎn)生。

 

然而，鎂金屬固然“物美價廉”，然而其作為一種活潑金屬，同樣也存在一些問題，比如在吸放氫過程中會長大、在比較高的溫度下容易膨脹粉化等，容易降低吸放氫的容量和速度。為保持穩(wěn)定性，鄒建新在通過“材料設(shè)計-材料試驗-小型裝置原型試驗-中大型儲氫裝置”等一系列開發(fā)流程后，終于研發(fā)出了可量產(chǎn)的鎂基固態(tài)儲氫材料。

 

第一種是氫化鎂粉末，目前的年產(chǎn)能力是10噸，特點是適用于高產(chǎn)氫密度（15.2wt.%），可長期儲存，主要用于水下潛航器、無人機等應(yīng)用場景。

 

第二種是多孔鎂基儲氫顆粒，可年產(chǎn)100噸。目前能實現(xiàn)儲氫密度大于6%，循環(huán)使用壽命大于3000次，能有效凈化含CO、H2S等雜質(zhì)的氫氣，可用于氫氣規(guī)模儲運等應(yīng)用場景。

 

“我們目前已實現(xiàn)了噸級鎂基固態(tài)儲氫車的生產(chǎn)。它操作簡單且具備顯著的靈活性，同時還具備高安全、成本低等優(yōu)勢，儲氫量也非常高，單車儲存1噸以上的氫氣，是傳統(tǒng)車的3倍，循環(huán)壽命也達到了3000次以上，屬于國際領(lǐng)先的水平。”鄒建新自豪的表示，未來，鎂基固態(tài)儲氫必然會發(fā)揮巨大作用，幫助氫能源實現(xiàn)長期、高效、安全的存儲。

 

用氫：燃料電池的“瓶頸”在于商業(yè)閉環(huán)

 

低碳的綠氫，高效安全的儲氫，事實上都是為了抵達產(chǎn)業(yè)鏈的最后一步——更好地把氫“落地”。

 

目前，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展形勢大好，我國已形成具備國際競爭力的集群化燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈；政策、法規(guī)、標準體系也已初步建立，正在進一步快速完善中；同時，制氫、加氫產(chǎn)業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施也在高速增長。數(shù)據(jù)顯示，2022年，中國新增氫燃料電池汽車4715輛，累計保有量13,249輛；隨著五個燃料電池汽車示范城市群獲批與啟動，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化更是即將步入快速發(fā)展新階段。

 

“氫能‘落地’托起了燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，然而未來是光明的，道路是曲折的。”同濟大學教授馬天才表示，從氫能走到燃料電池，因為還沒有形成一個完整的商業(yè)閉環(huán)模式，所以仍然存在很多生存與發(fā)展的考驗。“燃料電池系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)，其實就是如何提高全生命周期的性價比。”

 

 

圖 | 中國氫能聯(lián)盟副秘書長、同濟大學教授馬天才

 

針對該點，馬天才給出了一個經(jīng)濟性挑戰(zhàn)解決方案：一方面是合理選擇額定功率，因為合理選擇工作點是系統(tǒng)匹配的核心，輕載運行是提升效率、壽命的可行解決方案之一；另一方面，就是關(guān)注重載條件下的健康狀態(tài)與衰減，因為研究表明，雖然輕載方式確實可以提升耐久性，但是在重載模式下，耐久性未必會衰減，因為可以建立較好的燃燒電池內(nèi)部觀測和內(nèi)部健康的控制方法。

 

最后，對于燃料電池產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展，馬天才認為有幾點技術(shù)需要特別關(guān)注，比如高性能的擴散層技術(shù)、在線含水狀態(tài)識別技術(shù)、健康狀態(tài)預(yù)測技術(shù)、高性能壓縮-膨脹一體機技術(shù)等。

 

“行業(yè)發(fā)展尤其需要注意一些之前不是短板、現(xiàn)在是短板的地方。比如以前大家關(guān)注的是膜電機的電流密度有多高，但當現(xiàn)在催化劑性能、膜的性能提高以后，大家就會忽然發(fā)現(xiàn)，制約燃燒電池性能的卻是傳置過程。”馬天才表示。

 

“二氧化碳排放將于2030年前達到峰值，我們要努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”上海交大教授鄒建新在2023氫能專精特新創(chuàng)業(yè)大賽首場預(yù)賽開幕式上直言，氫能是實現(xiàn)雙碳目標的必要途徑。