攻關(guān)核心技術(shù)推動(dòng)綠氫產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

林 偉

?目前，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)總體處于市場(chǎng)導(dǎo)入期，產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要受下游行業(yè)脫碳進(jìn)程、政策支持力度、技術(shù)成熟度三方面因素影響

?短期內(nèi)，氫燃料電池汽車(chē)的大規(guī)模推廣將成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。長(zhǎng)期來(lái)看，隨著政策推動(dòng)和技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)領(lǐng)域有望成為氫能應(yīng)用的第一大領(lǐng)域

?我國(guó)發(fā)展綠氫條件優(yōu)越，國(guó)內(nèi)水電、風(fēng)電、光電裝機(jī)規(guī)模均位列世界第一，總裝機(jī)容量約占全球可再生能源總量的28%。通過(guò)大力發(fā)展可再生能源替代化石燃料制氫實(shí)現(xiàn)碳減排是一條可行的發(fā)展路徑，其潛藏的產(chǎn)業(yè)規(guī)模可達(dá)萬(wàn)億級(jí)別，具備顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

?目前，中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)“石科院”）依托中國(guó)石化氫能產(chǎn)業(yè)鏈，正在從催化劑、膜電極、裝配技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)等方面入手，開(kāi)展核心材料和核心組件科技攻關(guān)，構(gòu)建自主化產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈和價(jià)值鏈

作為一種公認(rèn)的清潔能源，氫能被稱(chēng)為“21世紀(jì)的終極能源”，其發(fā)展和應(yīng)用已成為當(dāng)下能源行業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向。目前我國(guó)已將氫能定位為未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，氫能產(chǎn)業(yè)被列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向。中國(guó)石化2019年開(kāi)始進(jìn)軍氫能領(lǐng)域，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)最大的氫氣生產(chǎn)企業(yè)，技術(shù)方面聚焦質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）技術(shù)領(lǐng)航行業(yè)發(fā)展，目前該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

氫能是能源綠色低碳發(fā)展的明日之星

根據(jù)國(guó)際氫能理事會(huì)預(yù)測(cè)，樂(lè)觀情況下，2050年在碳中和情景下氫能將滿(mǎn)足全球18%的終端能源需求，同時(shí)減少60億噸二氧化碳排放。當(dāng)前，全球各國(guó)正在重新布局能源生產(chǎn)與消費(fèi)。

氫能的來(lái)源十分豐富，通過(guò)電解水制氫、化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫等方式均可以獲取氫，并將獲取的氫作為原料或直接作為能源，因此無(wú)論在何種能源轉(zhuǎn)型路徑中，氫能都具備一定的技術(shù)適用性，能夠通過(guò)自身的綠色低碳轉(zhuǎn)型和多元化應(yīng)用潛質(zhì)，為我國(guó)構(gòu)建新型能源體系、實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的綠色低碳和安全穩(wěn)定貢獻(xiàn)力量，更好保障國(guó)家能源安全。目前，我國(guó)已將氫能定位為未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，氫能產(chǎn)業(yè)被列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向。

目前，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)總體處于市場(chǎng)導(dǎo)入期，產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要受下游行業(yè)脫碳進(jìn)程、政策支持力度、技術(shù)成熟度三方面因素影響。短期內(nèi)，氫燃料電池汽車(chē)的大規(guī)模推廣將成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。長(zhǎng)期來(lái)看，隨著政策推動(dòng)和技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)領(lǐng)域有望成為氫能應(yīng)用的第一大領(lǐng)域。

中國(guó)石化戰(zhàn)略布局綠氫產(chǎn)業(yè)

2019年，中國(guó)石化正式進(jìn)軍氫能領(lǐng)域。瞄準(zhǔn)打造“中國(guó)第一氫能公司”的目標(biāo)，中國(guó)石化將氫能作為自身新能源業(yè)務(wù)的主要發(fā)展方向，開(kāi)展制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和用氫的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。目前，中國(guó)石化已成為國(guó)內(nèi)最大的氫氣生產(chǎn)企業(yè)。

我國(guó)發(fā)展綠氫條件優(yōu)越，國(guó)內(nèi)水電、風(fēng)電、光電裝機(jī)規(guī)模均位列世界第一，總裝機(jī)容量約占全球可再生能源總量的28%。因此，通過(guò)大力發(fā)展可再生能源替代化石燃料制氫實(shí)現(xiàn)碳減排是一條可行的發(fā)展路徑，其潛藏的產(chǎn)業(yè)規(guī)模可達(dá)萬(wàn)億級(jí)別，具備顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

未來(lái)，中國(guó)石化將以綠氫煉化作為自身主要發(fā)展方向，替代目前化石能源制氫為主的產(chǎn)能格局。2023年6月30日，中國(guó)石化新疆庫(kù)車(chē)綠氫示范項(xiàng)目全面建成投產(chǎn)，標(biāo)志綠氫規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)零的突破。該項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首個(gè)規(guī)模化利用光伏發(fā)電直接制氫的項(xiàng)目，綠氫產(chǎn)能可達(dá)2萬(wàn)噸/年。同期，鄂爾多斯3萬(wàn)噸/年、烏蘭察布10萬(wàn)噸/年風(fēng)光制氫一體化示范項(xiàng)目推進(jìn)順利。

聚焦PEM電解水制氫技術(shù)領(lǐng)航行業(yè)發(fā)展

位于中國(guó)石化大連盛港綜合加能站的我國(guó)首個(gè)分布式甲醇制氫裝置。 欒學(xué)斌/供圖

要在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)進(jìn)程中充分發(fā)揮氫能產(chǎn)業(yè)的重要作用，加速實(shí)現(xiàn)氫能領(lǐng)域技術(shù)革命是當(dāng)下的重中之重，必須要在電解水制氫等關(guān)鍵核心領(lǐng)域取得技術(shù)突破，持續(xù)降低氫能開(kāi)發(fā)利用成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，電解水制氫主要有3種技術(shù)路線(xiàn)：堿性電解水制氫（AWE）技術(shù)、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）技術(shù)和固體氧化物電解水制氫（SOEC）技術(shù)。其中，AWE技術(shù)相對(duì)最為成熟、成本最低，更具經(jīng)濟(jì)性，已被大規(guī)模應(yīng)用，而SOEC技術(shù)目前以技術(shù)研究為主，尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模商業(yè)化，因此，PEM電解水制氫技術(shù)已成為當(dāng)下制氫領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破口。

相比堿性電解槽，PEM電解水制氫技術(shù)具備諸多優(yōu)點(diǎn)。PEM電解槽的電流密度更大，通常在1A/cm2（安培每平方厘米）以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)堿性電解槽的電流密度。這是由于PEM電解槽使用的質(zhì)子交換膜相較堿性電解槽中使用的隔膜更薄，提供了優(yōu)秀的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，且PEM電解槽采用零間距結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊湊，有助于降低運(yùn)行時(shí)的歐姆電阻，從而大幅提高電流密度、優(yōu)化工作效率。此外，PEM的壓力調(diào)控范圍大，氫氣輸出壓力可達(dá)數(shù)兆帕，更加適應(yīng)快速變化的可再生能源電力輸入，非常適合在綠氫領(lǐng)域應(yīng)用。

現(xiàn)階段我國(guó)PEM電解水制氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模應(yīng)用，正處于產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期，但目前已商業(yè)實(shí)施的PEM電解水制氫技術(shù)的單位成本仍然遠(yuǎn)高于堿性電解槽，這主要是由于PEM電解槽需要在強(qiáng)酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運(yùn)行，因此設(shè)備對(duì)于銥、鉑、鈦等價(jià)格昂貴的貴金屬材料較為依賴(lài)，導(dǎo)致成本過(guò)高。

為實(shí)現(xiàn)PEM電解水制氫技術(shù)快速發(fā)展，需從科技創(chuàng)新自主和產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈建設(shè)兩端同步發(fā)力，從技術(shù)升級(jí)迭代、產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化和生產(chǎn)制造規(guī)模化三個(gè)維度入手提質(zhì)增效。其中，技術(shù)升級(jí)迭代體現(xiàn)在進(jìn)一步提升電解槽的工作電流密度，從當(dāng)前的1A/cm2～2A/cm2提升至3A/cm2～4A/cm2甚至更高，電流密度的提升意味著相同產(chǎn)氫量下，電解槽的體積更小，貴金屬等原材料總成本更低。產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化體現(xiàn)在針對(duì)電解槽中的質(zhì)子交換膜、擴(kuò)散層、密封件等需要依賴(lài)進(jìn)口的元器件進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代，補(bǔ)足供應(yīng)鏈短板，確保全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)自主可控的同時(shí)，降低電解槽元件成本。生產(chǎn)制造規(guī)模化體現(xiàn)在膜電極制備和電解槽裝配工藝自動(dòng)化和連續(xù)化，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人開(kāi)展膜電極連續(xù)卷對(duì)卷涂布、電解槽自動(dòng)堆疊等工序替代人工作業(yè)，提升膜電極制備和電解槽裝配的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，適應(yīng)快速發(fā)展的市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化降本。

目前，石科院依托中國(guó)石化氫能產(chǎn)業(yè)鏈，正在從催化劑、膜電極、裝配技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)等方面入手，開(kāi)展核心材料和核心組件科技攻關(guān)，構(gòu)建自主化產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈和價(jià)值鏈。2022年12月，中國(guó)石化自主研發(fā)的首套兆瓦級(jí)質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫裝置在燕山石化一次性開(kāi)車(chē)成功，產(chǎn)出合格高純度氫氣。該裝置采取集成設(shè)計(jì)、一體成橇的設(shè)計(jì)理念，整橇圍繞電解槽進(jìn)行整體布局和管路優(yōu)化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)全過(guò)程實(shí)現(xiàn)零碳、零污染物排放，標(biāo)志著中國(guó)石化質(zhì)子交換膜電解水制氫成套技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

未來(lái)，中國(guó)石化將以氫能為突破口，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈合作、打造制氫關(guān)鍵裝備、完善氫能標(biāo)準(zhǔn)體系和提升氫能制取安全等一系列舉措，不斷引領(lǐng)國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，在端牢能源飯碗、保障國(guó)家能源安全的前提下，加速實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)及能源轉(zhuǎn)型。