氫能產業關鍵核心技術分析及對策建議

◎文/韓秀棟

2022年3 月23 日，國家發改委、國家能源局聯合發布《氫能產業發展中長期規劃 （2021—2035年）》，明確到2025年，初步建立以工業副產氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系； 燃料電池車輛保有量約5 萬輛， 部署建設一批加氫站； 可再生能源制氫量達到10 萬噸/年～20 萬噸/年，成為新增氫能消費的重要組成部分， 實現二氧化碳減排100萬 噸/年～200 萬 噸/年。 到2030年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系， 產業布局合理有序， 可再生能源制氫廣泛應用， 有力支撐碳達峰目標實現。 到2035年，形成氫能產業體系， 構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態； 可再生能源制氫在終端能源消費中的比重明顯提升， 對能源綠色轉型發展起到重要支撐作用。

一、氫能產業關鍵核心技術

氫能產業鏈主要包括上游制氫、中游儲運氫和下游氫應用， 就我國產業鏈成本來看，制氫成本占比最重，達到了55%， 儲運氫成本占30%。 目前氫能產業還不具有經濟性， 燃料電池是高效清潔利用氫能的最佳工具，相關技術在國際范圍內已取得重大突破， 想要實現燃料電池的產業化， 必須要保證氫能產業的同步發展。

（一）上游制氫：以工業副產氫為主

氫的制取產業主要有以下三種較為成熟的技術路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫；二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業副產氣制氫；三是電解水制氫，投資和運行成本高， 質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、原料充足程度和轉換效率等多重因素， 我國以工業副產氫為主，達到化石燃料（尤其是煤炭）清潔化利用的目標，關鍵核心技術是利用變壓吸附（PSA）等手段提純出符合燃料電池用氫要求的高純度氫氣。

（二）中游儲運氫：以高壓氣態儲氫為主

儲氫技術分為物理儲氫和化學儲氫。 物理儲氫主要包括常溫高壓氣態儲氫、低溫液化儲氫； 化學儲氫主要包括金屬氫化物儲氫和有機液體儲氫，尚處于研發階段。我國當前已建成的加氫站都是采用高壓氣態儲氫技術，技術較為成熟。 車載儲氫容器是當前氫氣儲運技術的研究熱點， 日本豐田汽車開發的70MPa 鋁合金內膽纖維纏繞瓶幾乎無氫脆問題，國內商用儲氫容器主要是35MPa 碳纖維包覆鋁合金內膽儲氫瓶。 實現高性能碳纖維及纏繞設備、高壓罐體加工設備的國產化， 是氫能儲運亟待解決的問題。

（三）下游氫應用：以氫燃料電池汽車為主

氫氣下游應用領域包括化工、交通、電力、建筑、醫療、食品等行業，當前氫燃料電池汽車是主要應用場景，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。 質子交換膜燃料電池是車用主流技術， 而膜電極是質子交換膜燃料電池最核心部件，由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層三個部件組成。 其中的關鍵核心材料Pt 基催化劑的成本最高， 占到了燃料電池電堆成本的53%，占整個電池系統總成本的32%。 因此，開發低成本長壽命的催化劑是實現質子交換膜燃料電池商業化的關鍵。

二、天津氫能產業發展現狀

天津于2020年1 月印發《天津市氫能產業發展行動方案 （2020—2022年）》，提出到2022年，力爭建成至少10 座加氫站，累計推廣氫燃料電池車輛1000 輛以上，氫能產業總產值突破150 億元。

（一）上游制氫：工業副產氫資源豐富

天津氫能資源豐富，聚集了包括渤化集團、大陸制氫、中石化天津分公司等制氫企業。渤化集團及其子公司擁有豐富的氫能資源，現有生產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/年的工業副產氫產能。大陸制氫是一家制氫設備和氣體純化設備公司，主營電解水制氫設備、氣體純化設備、變壓吸附設備和氫氣回收設備， 制氫純度高達99.999%以上。中石化天津分公司通過提煉石油制取氫氣，年產量高達27.2 萬噸，主要用于化工使用。

（二）中游儲運氫：儲氫加氫環節缺失

天津儲氫環節缺失，加氫站建設緩慢， 僅聚集了亞力氣體、比歐西氣體、法國液化空氣等少數具備專業氫氣運營資格的運氫企業。 亞力氣體在氫氣運輸方面具有豐富經驗， 管束拖車可用作輔助儲氫容器， 其設計工作壓力為20MPa， 約可充裝氫氣3500m。 比歐西氣體是林德集團旗下子公司， 是工業氣體、工藝與特種氣體的供應商，業務遍布華北地區。法國液化空氣集團是世界上最大的工業氣體服務供應商之一， 在氫氣運輸與加氫站建設方面技術成熟。

（三）下游氫應用：基礎研究國內領先

天津擁有天津大學、南開大學、河北工業大學、天津工業大學等國內知名的雙一流高校，在燃料電池、催化劑領域， 有著很好的研究基礎和眾多的科研成果。 天津大學在催化劑基礎研究及電池仿真技術方面國內領先。 中汽中心建立了燃料電池汽車測評核心團隊， 專業領域覆蓋燃料電池汽車全技術鏈，具有完備的檢驗檢測設備和能力， 是國內首家具備70MPa 氫氣加注能力的汽車檢測機構， 擁有國內首個燃料電池汽車專用性能轉鼓環境艙。

三、天津氫能產業發展建議

（一）打造資源生產供給基地

充分利用渤化集團、中石化天津分公司現有工業副產氫產能， 加大對包括催化劑在內相關提純技術的研發投入，開發耐腐蝕、高催化活性的非貴金屬催化劑， 提出更優的變壓吸附解決方案，設計提高吸附周期的閥門等裝置，進一步提升氫氣質量，達到氫燃料電池應用標準，加 快 推 進 渤 化 永 利2000Nm/h 加氫母站項目建設，將資源轉化為優勢，為天津加氫站建設以及氫燃料電池汽車示范運營提供充足可靠氣源保障， 打造京津冀重要氫能資源供給基地。

（二）聚焦核心材料及設備攻關

通過“揭榜掛帥”科技重大專項等扶持手段， 加大對氫能高效存儲與轉換、氫燃料電池催化劑等關鍵核心技術的支持力度， 突破 “卡脖子” 技術壁壘， 打破日美壟斷。推動昂林貿烽、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、纏繞設備開發、氫能儲運系統集成等方面的合作；推動天海高壓容器等氣瓶廠商對高壓罐體加工設備的提升改造， 實現核心材料及設備的國產化， 助力天津打造自主創新重要源頭和原始創新主要策源地。

（三）構建氫能創新發展生態圈

鼓勵企業積極與清華高端院、中汽中心等科研院所和行業機構對接， 聯合開展氫能及氫燃料電池創新平臺建設， 引進培育行業優勢研發力量， 加速推進氫能領域科技創新成果轉化。 推動中汽中心加快國家燃料電池汽車質量監督檢驗中心和數據平臺建設， 加快建設氫燃料電池車輛測試基地和試驗場。開展綜合氫能示范應用，以氫燃料電池叉車、物流車、重卡等車輛示范應用帶動核心部件龍頭企業項目落地，構建涵蓋材料、零部件、系統、整車的氫能產業生態圈。