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

林 偉

?目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)總體處于市場導(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)動力。長期來看，隨著政策推動和技術(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

?我國發(fā)展綠氫條件優(yōu)越，國內(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)?？蛇_(dá)萬億級別，具備顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

?目前，中國石化石油化工科學(xué)研究院（簡稱“石科院”）依托中國石化氫能產(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)鏈和價值鏈

作為一種公認(rèn)的清潔能源，氫能被稱為“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。目前我國已將氫能定位為未來國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)和未來產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向。中國石化2019年開始進(jìn)軍氫能領(lǐng)域，現(xiàn)已成為國內(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)國際氫能理事會預(yù)測，樂觀情況下，2050年在碳中和情景下氫能將滿足全球18%的終端能源需求，同時減少60億噸二氧化碳排放。當(dāng)前，全球各國正在重新布局能源生產(chǎn)與消費(fèi)。

氫能的來源十分豐富，通過電解水制氫、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，能夠通過自身的綠色低碳轉(zhuǎn)型和多元化應(yīng)用潛質(zhì)，為我國構(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，更好保障國家能源安全。目前，我國已將氫能定位為未來國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)和未來產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向。

目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)總體處于市場導(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)動力。長期來看，隨著政策推動和技術(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。

中國石化戰(zhàn)略布局綠氫產(chǎn)業(yè)

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

我國發(fā)展綠氫條件優(yōu)越，國內(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)萬億級別，具備顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

未來，中國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，中國石化新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目全面建成投產(chǎn)，標(biāo)志綠氫規(guī)?；I(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)零的突破。該項(xiàng)目是國內(nèi)首個規(guī)?；霉夥l(fā)電直接制氫的項(xiàng)目，綠氫產(chǎn)能可達(dá)2萬噸/年。同期，鄂爾多斯3萬噸/年、烏蘭察布10萬噸/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

位于中國石化大連盛港綜合加能站的我國首個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)降低氫能開發(fā)利用成本，增強(qiáng)市場競爭力。

目前，電解水制氫主要有3種技術(shù)路線：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)備對于銥、鉑、鈦等價格昂貴的貴金屬材料較為依賴，導(dǎo)致成本過高。

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)升級迭代、產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化和生產(chǎn)制造規(guī)模化三個維度入手提質(zhì)增效。其中，技術(shù)升級迭代體現(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)鏈國產(chǎn)化體現(xiàn)在針對電解槽中的質(zhì)子交換膜、擴(kuò)散層、密封件等需要依賴進(jìn)口的元器件進(jìn)行國產(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，降低電解槽元件成本。生產(chǎn)制造規(guī)?；w現(xiàn)在膜電極制備和電解槽裝配工藝自動化和連續(xù)化，通過工業(yè)機(jī)器人開展膜電極連續(xù)卷對卷涂布、電解槽自動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)展的市場需求，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；当?。

目前，石科院依托中國石化氫能產(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)鏈和價值鏈。2022年12月，中國石化自主研發(fā)的首套兆瓦級質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫裝置在燕山石化一次性開車成功，產(chǎn)出合格高純度氫氣。該裝置采取集成設(shè)計、一體成橇的設(shè)計理念，整橇圍繞電解槽進(jìn)行整體布局和管路優(yōu)化設(shè)計，生產(chǎn)全過程實(shí)現(xiàn)零碳、零污染物排放，標(biāo)志著中國石化質(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，中國石化將以氫能為突破口，通過關(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。