“氫氣的規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，因此急需開發新型的儲運氫技術。而固態儲氫技術在安全性、儲氫密度方面具備明顯優勢。”

 

“由于過去五年的燃料電池技術的快速進步，燃料電池系統的成本現階段的成本和十年前相比已經下降了約90%，而且隨著生產銷售規模的進一步擴大，燃料電池系統的成本完全可以達到和內燃機相當的水平，并且顯著低于實現同等功能的鋰電池。”

 

6月28-29日，2023氫能專精特新創業大賽首場預賽開幕式的現場，中船（邯鄲）派瑞氫能科技有限公司總經理張玉廣，上海交大教授鄒建新，中國氫能聯盟副秘書長、同濟大學教授馬天才等嘉賓針對氫能產業的發展、技術路線的應用與挑戰等，圍繞氫能產業鏈的制、儲、運、用等多個環節分別做主題演講。

 

演講指出，氫能有助于豐富我國的多元化能源供應，保障能源供需安全。我國應該結合氫能在燃料電池、綠色化工和綠色鋼鐵領域的應用，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難題，共同推動雙碳目標的實現。

 

綠色制氫：“碳中和”的重要一環

 

目前，全球興起氫能發展熱潮，氫能已進入產業化快速發展新階段。

 

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

 

 

圖 | 中船（邯鄲）派瑞氫能科技有限公司總經理張玉廣演講現場

 

作為氫能大國，中國的氫能產業發展也十分迅速。根據中國氫能聯盟預測，2025年，中國氫能產業產值將達到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%，成為中國能源戰略的重要組成部分。屆時氫能將與電力協同互補，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業。

 

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與應用，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支持政策，鼓勵開展源網荷儲、風光氫等可再生能源示范項目，比如在寧夏、內蒙古、新疆等地規劃建設了以中石化庫車、寧夏寶豐等為代表的綠氫示范項目，開展規模化示范應用；另一方面，各大央企積極以應用示范為抓手，推動氫能全產業布局。

 

“2030年之前，堿性、PEM 電解制氫技術仍然作為市場主流廣泛應用。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）制氫技術由實驗階段轉為小型化應用階段。而在2060年之前，圍繞清潔化、低碳化、低成本的需求，各類制氫技術將會結合應用場景形成多元制氫體系。”張玉廣在談及綠氫制備技術發展趨勢時表示。

 

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

 

第一是設備成本。規模化和標準化生產，以及持續的研發投入和技術進步，可在2030年使制氫設備固定成本有望降低50-60%。

 

第二是用電成本。技術創新降低電解槽及系統能耗，可進一步降低可再生能源發電成本。

 

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

 

第四是產業鏈降本。通過制、儲、運、加全產業鏈技術進步實現成本下降。

 

儲氫：鎂基固態儲運技術與應用

 

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

 

“目前氫能儲運已成為我國氫能發展的瓶頸。”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場

 

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

 

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。為保持穩定性，鄒建新在通過“材料設計-材料試驗-小型裝置原型試驗-中大型儲氫裝置”等一系列開發流程后，終于研發出了可量產的鎂基固態儲氫材料。

 

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

 

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

 

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

 

用氫：燃料電池的“瓶頸”在于商業閉環

 

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

 

目前，燃料電池產業鏈發展形勢大好，我國已形成具備國際競爭力的集群化燃料電池技術產業鏈；政策、法規、標準體系也已初步建立，正在進一步快速完善中；同時，制氫、加氫產業與基礎設施也在高速增長。數據顯示，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，氫燃料電池汽車產業化更是即將步入快速發展新階段。

 

“氫能‘落地’托起了燃料電池產業發展，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閉環模式，所以仍然存在很多生存與發展的考驗。“燃料電池系統面臨的核心挑戰，其實就是如何提高全生命周期的性價比。”

 

 

圖 | 中國氫能聯盟副秘書長、同濟大學教授馬天才

 

針對該點，馬天才給出了一個經濟性挑戰解決方案：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，就是關注重載條件下的健康狀態與衰減，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部觀測和內部健康的控制方法。

 

最后，對于燃料電池產業未來的發展，馬天才認為有幾點技術需要特別關注，比如高性能的擴散層技術、在線含水狀態識別技術、健康狀態預測技術、高性能壓縮-膨脹一體機技術等。

 

“行業發展尤其需要注意一些之前不是短板、現在是短板的地方。比如以前大家關注的是膜電機的電流密度有多高，但當現在催化劑性能、膜的性能提高以后，大家就會忽然發現，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年前實現碳中和。”上海交大教授鄒建新在2023氫能專精特新創業大賽首場預賽開幕式上直言，氫能是實現雙碳目標的必要途徑。