積極推進(jìn)氫能科技研發(fā)應(yīng)用

為構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系提供有力支撐

規(guī)劃編制氫能專業(yè)組

氫能是一種來源廣泛、清潔低碳的能源載體，是打破現(xiàn)有能源領(lǐng)域行業(yè)板塊壁壘、實(shí)現(xiàn)不同能源形式之間深度融合的關(guān)鍵媒介。在高比例可再生能源系統(tǒng)中，一方面，由可再生能源制得的氫是替代油氣資源應(yīng)用于交通和工業(yè)領(lǐng)域的重要燃料或原料；另一方面，電-氫雙向轉(zhuǎn)換的靈活性特征為氫能與電能在能源領(lǐng)域互補(bǔ)應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）充分聚焦氫的能源屬性，注重引導(dǎo)發(fā)揮氫能連接可再生能源及多元化終端用能需求的重要樞紐作用，充分體現(xiàn)氫能在構(gòu)建清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系中的重要價值?！兑?guī)劃》基于我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展對氫能的定位及需求，結(jié)合當(dāng)前我國氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，圍繞氫氣制備、氫氣儲運(yùn)、氫氣加注、燃料電池、氫安全及品質(zhì)保障等方面進(jìn)行重點(diǎn)任務(wù)的部署，確定了3項集中攻關(guān)和3項示范試驗(yàn)，并制定了技術(shù)路線圖。

一、國際氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

制氫技術(shù)方面，當(dāng)前化石能源制氫仍然是全球氫氣供應(yīng)的主要來源，但是在全球能源轉(zhuǎn)型加速的趨勢下，提高可再生能源開發(fā)利用水平、降低化石能源消費(fèi)總量是永恒的主題。電解水制氫及其他與可再生能源結(jié)合的制氫技術(shù)為可再生能源跨時間、跨空間輸送和利用提供了重要途徑，使可再生能源以不同能源形式應(yīng)用于能源各行業(yè)成為可能。國際上，美國、歐洲、日本等氫能主要國家和地區(qū)已經(jīng)建成投運(yùn)的可再生能源電解水制氫項目均采用堿性電解水制氫技術(shù)或質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。其中，由于質(zhì)子交換膜電解水制氫具有啟?？臁討B(tài)響應(yīng)迅速的技術(shù)優(yōu)勢，更加適用于具有波動性、間歇性和隨機(jī)性特征的新能源發(fā)電場景，國外大多采用質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)作為可再生能源電解水制氫技術(shù)路線，已經(jīng)投運(yùn)的質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置規(guī)模達(dá)到10MW級，正在開展100MW電解設(shè)備的研究工作。同時，依托已經(jīng)開展的多個可再生能源電解水制氫項目，歐洲、美國主要地區(qū)和國家對可再生能源功率控制、氫儲能、系統(tǒng)優(yōu)化整合等可再生能源電解水制氫集成技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。高溫固體氧化物電解水制氫尚處于研發(fā)階段，美國、日本和韓國等國家正在進(jìn)行電解池材料向電堆集成、系統(tǒng)集成研發(fā)的相關(guān)研究工作。

氫氣儲運(yùn)方面，國際上，氣態(tài)儲運(yùn)技術(shù)方面，運(yùn)輸用高壓儲氫工作壓力已經(jīng)提升至30～40MPa，英國、意大利、德國、法國和荷蘭等歐洲多國已經(jīng)開展了天然氣管道摻氫技術(shù)研究及示范，摻氫比例范圍2%～20%，摻氫量最大達(dá)到285Nm³/h，此外，國外氫氣長輸管道設(shè)計建設(shè)技術(shù)整體成熟，且已經(jīng)建成多個純氫輸送管道，總里程超過4600公里；液態(tài)儲運(yùn)技術(shù)方面，國際上低溫液態(tài)儲運(yùn)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)氫液化能力超30噸/天，體積最高達(dá)3800m³的球形液氫儲罐，并在大型儲罐系統(tǒng)基礎(chǔ)上將其應(yīng)用于車載、船舶等；固態(tài)儲運(yùn)技術(shù)方面，國際上已開發(fā)出儲氫容量1000m³、體積儲氫密度約38kg/m³的稀土系合金低壓儲氫裝置，在車載系統(tǒng)和固定式儲氫領(lǐng)域均有突破。

燃料電池方面，國際上，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)主要應(yīng)用于備用電源和家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，日本能源農(nóng)場（ENE-FARM）項目生產(chǎn)的以天然氣為燃料的0.7～2kW燃料電池系統(tǒng)，總效率達(dá)到90%以上；固體氧化物燃料電池技術(shù)方面，已經(jīng)形成了以美國、日本為領(lǐng)先，歐洲、韓國緊隨其后的格局，部分領(lǐng)先技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初步的產(chǎn)業(yè)化。美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商用分布式固體氧化燃料電池的推廣應(yīng)用，系統(tǒng)效率53%～65%，功率等級200kW～300kW，日本在能源農(nóng)場（ENE-FARM）采用的是700W 固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，發(fā)電效率達(dá)53.5%，綜合效率為87%；熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)方面，美國在開發(fā)和研究以天然氣為燃料的燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，開發(fā)了300kW～2.8MW等級的熔融碳酸鹽燃料電池商業(yè)化產(chǎn)品，發(fā)電效率大于47%；韓國已經(jīng)在13個地區(qū)建造了18個熔融碳酸鹽燃料電池電站，總裝機(jī)容量達(dá)到140MW，其中最大的熔融碳酸鹽燃料電池電站功率達(dá)到59MW。

氫氣加注方面，國際上，美國、日本、歐洲90%以上加氫站具有70MPa加氫能力，已經(jīng)建成液氫加氫站并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，美國45MPa壓縮機(jī)單缸排量超750Nm³/h，90MPa壓縮機(jī)兩級壓縮排量達(dá)560Nm³/h以上，全負(fù)荷、高可靠運(yùn)行技術(shù)完備。

氫氣安全防控及氫氣品質(zhì)保障方面，國際上，在氫氣安全方面，國外對高壓氫氣泄漏、燃爆風(fēng)險評估及防控方面研究較早，以大尺度氫氣燃燒噴射火焰及爆炸相關(guān)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)開發(fā)了評估軟件，構(gòu)建了氫安全事故數(shù)據(jù)庫；采用相同的分立傳感器組成檢測陣列進(jìn)行氫氣泄漏檢測，實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境使用和快速檢測；開發(fā)了氫脆測試裝置；發(fā)布了固態(tài)儲氫系統(tǒng)安全檢測標(biāo)準(zhǔn)；形成了制氫設(shè)備、燃料電池檢測技術(shù)和認(rèn)證體系。在氫氣品質(zhì)保障方面，開展了氫氣中微量雜質(zhì)分析檢測和加氫站內(nèi)雜質(zhì)遷移規(guī)律等研究，提出了燃料電車用氫氣全周期品質(zhì)保障的理念。

二、我國氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

氫氣制備方面，“十三五”期間，我國電解水制氫技術(shù)已經(jīng)由試驗(yàn)示范進(jìn)入商業(yè)化示范的初步階段。在堿性電解水制氫方面，已經(jīng)建成多個可再生能源與堿性電解水制氫系統(tǒng)結(jié)合的示范裝置，單機(jī)最大容量達(dá)到1000Nm³/h，氫生產(chǎn)能力1752×104Nm³/年；質(zhì)子交換膜電解水制氫方面，單機(jī)制氫能力已經(jīng)達(dá)到0.5～50Nm³/h；高溫固體氧化物電解水制氫方面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千瓦級高溫電解水蒸氣制氫系統(tǒng)集成；太陽能(7.160, 0.04, 0.56%)光催化制氫技術(shù)、熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫技術(shù)等先進(jìn)可再生能源制氫技術(shù)已經(jīng)開展實(shí)驗(yàn)室級別或中試級別的試驗(yàn)研究工作。

氫氣儲運(yùn)方面，我國氫資源中心和氫負(fù)荷中心呈現(xiàn)逆向分布，規(guī)?；⒋笕萘繗鋬\(yùn)技術(shù)是提高氫能在終端能源消費(fèi)占比的重要前提。同時，由于氫能是一種靈活多元且具有物質(zhì)形態(tài)的二次能源，適合因地制宜作為長周期、跨季節(jié)儲能形式進(jìn)行布局，因此，大規(guī)模儲氫對保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。“十三五”期間，氣態(tài)儲運(yùn)技術(shù)方面，我國已經(jīng)研制出87.5Mpa鋼質(zhì)碳纖維纏繞高壓大容積加氫站用固定式儲氫瓶，運(yùn)輸用高壓儲氫工作壓力在20Mpa等級，已建成電解水制氫～摻氫量10%的天然氣摻氫管道示范工程；液態(tài)儲運(yùn)技術(shù)方面，我國航天及軍事領(lǐng)域已經(jīng)具備液氫貯罐的自行研制能力，具備1.5～5噸/天氫液化系統(tǒng)設(shè)計制造能力，已經(jīng)完成針對引進(jìn)國外5噸/天以上的氫液化工藝包進(jìn)行國產(chǎn)適應(yīng)性優(yōu)化，正在開展有機(jī)液體規(guī)?；託渑c運(yùn)氫示范；固態(tài)儲運(yùn)技術(shù)方面，開展了kW級風(fēng)電制氫、15kg固態(tài)車載儲氫系統(tǒng)示范應(yīng)用。

燃料電池方面，在國家和地方產(chǎn)業(yè)政策的支持和鼓勵下，燃料電池技術(shù)尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池在交通領(lǐng)域的應(yīng)用得到快速推廣，蓬勃發(fā)展。隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐加快，燃料電池清潔低碳、無污染、綜合能源利用效率高的特點(diǎn)使其適合成為多元化供能的主體，從而在提高能源效率、推動終端用能清潔化、低碳化方面發(fā)揮不可替代的作用。“十三五”期間，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)方面，我國已經(jīng)突破了10kW級質(zhì)子交換膜燃料電池分布式發(fā)電、熱電聯(lián)供關(guān)鍵技術(shù)并實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用，電堆實(shí)測壽命達(dá)到9500小時，實(shí)現(xiàn)了5kW燃料電池備用電源系統(tǒng)商業(yè)化生產(chǎn)，燃料效率≥50%；固體氧化物燃料電池技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)了10kW級的分布式發(fā)電系統(tǒng)及5kW級熱電聯(lián)供系統(tǒng)示范，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合效率達(dá)到80%以上，自主設(shè)計并建設(shè)了10kW級（2個5kW模塊）整體煤氣化燃料電池（IGFC）發(fā)電系統(tǒng)及CO?近零排放工程示范，實(shí)現(xiàn)燃料利用率84.5%，發(fā)電效率53.3%；熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)中，完成了10kW～20kW以純氫為燃料的發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行，初步具備了由實(shí)驗(yàn)室走向中試規(guī)模的條件。

氫氣加注方面，我國建成加氫站數(shù)量已經(jīng)躍居世界第二，但加氫站關(guān)鍵裝備如加氫機(jī)、壓縮機(jī)等核心技術(shù)仍然面臨受制于人的局面。提高加氫關(guān)鍵技術(shù)裝備國產(chǎn)化水平的重要意義在于：一是提高能源產(chǎn)業(yè)鏈安全穩(wěn)定水平，二是夯實(shí)我國氫能規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，三是為氫能關(guān)鍵裝備“走出去”提供重要技術(shù)保障。“十三五”期間，我國已經(jīng)建成的加氫站以35MPa氣態(tài)加氫站為主流，我國已經(jīng)具備35MPa和70MPa等級氣態(tài)加氫站的集成設(shè)計能力。在35MPa加氫站技術(shù)方面，開發(fā)了基于國產(chǎn)III型儲氫瓶的快速加氫控制技術(shù)，國產(chǎn)壓縮機(jī)在加氫站實(shí)現(xiàn)應(yīng)用；在70MPa加氫站技術(shù)方面，我國正在開展70Mpa加氫站關(guān)鍵技術(shù)和壓縮機(jī)、加氫機(jī)關(guān)鍵裝備的技術(shù)攻關(guān)工作。

氫安全防控及品質(zhì)保障是氫能健康、有序、快速發(fā)展的重要保證。氫具有分子量小、點(diǎn)火能低、燃爆范圍寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤烊菀装l(fā)生爆轟、高壓高純氫與材料相容性等特性，使得氫能各環(huán)節(jié)應(yīng)用的安全問題都不容忽視，氫能安全利用是氫能大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要前提。氫氣品質(zhì)保障是保證氫能利用各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)裝備的壽命、能效、避免設(shè)備故障的重要方面，隨著我國氫能步入商業(yè)化應(yīng)用階段，氫氣全周期品質(zhì)保障技術(shù)方面的研究和技術(shù)儲備的重要性逐漸凸顯。“十三五”期間，我國在氫氣安全和品質(zhì)保障方面進(jìn)行了大量基礎(chǔ)科學(xué)研究。在安全防控方面，已經(jīng)進(jìn)行了不同應(yīng)用場景的氫氣擴(kuò)散、液氫的泄漏、燃燒及爆炸的理論研究，建立了高壓臨氫部件及儲氫瓶測試試驗(yàn)平臺，初步具備臨氫部件及儲氫瓶測試能力，進(jìn)行了制氫設(shè)備安全監(jiān)測體系研究和氫氣泄漏爆炸及其防控技術(shù)的研究。在品質(zhì)保障方面，我國尚處于技術(shù)跟蹤階段，正在建立快速檢測、品質(zhì)管控技術(shù)儲備。

三、“十四五”重點(diǎn)突破的技術(shù)方向及發(fā)展目標(biāo)

氫氣制備方面，現(xiàn)階段，我國堿性電解水制氫技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，掌握了大型化單槽制造技術(shù)，處于國際領(lǐng)先水平。質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)中，隔膜、電極及催化劑等關(guān)鍵技術(shù)裝備尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，與國際先進(jìn)水平存在一定的差距。高溫固體氧化物電解制氫、太陽能光解水制氫等其他可再生能源制氫技術(shù)大體與國際研究階段同步。“十四五”期間，應(yīng)對質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)、高溫固體氧化物電解制氫技術(shù)、太陽能光解水等新型制氫技術(shù)的關(guān)鍵材料、技術(shù)裝備進(jìn)行集中攻關(guān)，提供綠色低碳?xì)湓吹闹匾Ｕ匣A(chǔ)?？稍偕茉措娊馑茪浼杉夹g(shù)方面，我國尚未有兆瓦級可再生能源電解槽長時間運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，缺乏功率控制、動態(tài)響應(yīng)、控制策略等方面的研究及實(shí)際運(yùn)行。“十四五”期間，應(yīng)結(jié)合不同制氫技術(shù)適用場景，鼓勵開展可再生能源制氫綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用、集成設(shè)計優(yōu)化、協(xié)同耦合調(diào)控的示范試驗(yàn)，力爭到2025年實(shí)現(xiàn)可再生能源-氫能綜合系統(tǒng)工程應(yīng)用。

氫氣儲運(yùn)方面，我國在固定式高壓儲氫技術(shù)方面處于國際先進(jìn)水平，需要進(jìn)一步提高輸運(yùn)用高壓氣態(tài)儲氫的儲氫密度和單車運(yùn)氫量；在天然氣管道摻氫、純氫管道輸運(yùn)技術(shù)和工程示范等方面與國外主要國家存在差距；低溫液態(tài)儲運(yùn)技術(shù)在核心設(shè)備和部件大型化、集成應(yīng)用規(guī)?；确矫娲嬖诓罹?，有機(jī)液氫技術(shù)、固態(tài)儲氫技術(shù)處于小規(guī)模示范試驗(yàn)階段，總體與國際保持同步水平。針對我國在氫儲運(yùn)技術(shù)方面存在的差距與不足，“十四五”期間，應(yīng)鼓勵突破自主化氫氣儲運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)，在50MPa氣態(tài)運(yùn)輸用儲氫技術(shù)、低溫液氫儲運(yùn)技術(shù)、固態(tài)氫儲運(yùn)技術(shù)及有機(jī)液體氫儲運(yùn)技術(shù)等方面部署了關(guān)鍵技術(shù)裝備集中攻關(guān)重點(diǎn)任務(wù)；針對適用于規(guī)?；瘹鋬\(yùn)的純氫/摻氫天然氣管道輸送及氫液化技術(shù)開展示范試驗(yàn)，力爭到2025年建成摻氫比例3%～20%，最大摻氫量200Nm³/h的摻氫天然氣管道示范項目。

燃料電池方面，我國的燃料電池技術(shù)在能源領(lǐng)域的技術(shù)儲備和工程應(yīng)用相對薄弱。部分電堆材料、核心部件研發(fā)應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但尚未經(jīng)過長時間工程驗(yàn)證。此外，在熱交換器、預(yù)重整器等輔機(jī)裝備，電堆集成設(shè)計優(yōu)化，系統(tǒng)長期運(yùn)行性能保證及可靠性等三方面仍然有待進(jìn)一步開展攻關(guān)和示范研究。“十四五”期間，應(yīng)針對能源領(lǐng)域應(yīng)用場景，以進(jìn)一步提高燃料電池技術(shù)成熟度、優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)、積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、推廣先進(jìn)工程應(yīng)用為目的，開展不同燃料電池本體技術(shù)的集中攻關(guān)和集成設(shè)計優(yōu)化，推動燃料電池向大規(guī)模、高效率方向發(fā)展并實(shí)現(xiàn)固定式發(fā)電、分布式功能等應(yīng)用，力爭到2025年實(shí)現(xiàn)固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示范。

氫氣加注方面，我國在加氫站關(guān)鍵技術(shù)方面與國際存在一定差距。雖然在35MPa等級加氫關(guān)鍵裝備方面已經(jīng)取得了一定的突破，但可靠性及耐久性需要進(jìn)一步驗(yàn)證和提高，且國際上主流建設(shè)的70MPa等級加氫站關(guān)鍵技術(shù)裝備方面，我國處于研發(fā)階段，尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。“十四五”期間，應(yīng)針對我國在35MPa和70MPa等級加氫站關(guān)鍵裝備尚存在短板的問題，部署70MPa加氫機(jī)、滿足35MPa/70Mpa等級加氫站的壓縮機(jī)、涉及性能評價和控制技術(shù)、加氫裝備核心零部件的示范試驗(yàn)，旨在以示范工程推動國產(chǎn)化技術(shù)水平的提高，力爭到2025年實(shí)現(xiàn)加氫站關(guān)鍵部件國產(chǎn)化。

氫安全防控及氫氣品質(zhì)保障方面，我國在氫氣泄漏檢測、安全測試評價、檢測試驗(yàn)?zāi)芰Φ确矫婢c國外存在較大差距。針對這一問題，“十四五”期間，應(yīng)開展臨氫環(huán)境下臨氫材料和零部件氫泄漏檢測及危險性試驗(yàn)研究，氫氣燃燒事故防控與應(yīng)急處置技術(shù)裝備研究；在氫氣品質(zhì)保障方面，考慮到未來一段時期內(nèi)，副產(chǎn)氫仍然是我國主要的氫源，“十四五”期間，應(yīng)鼓勵開展工業(yè)副產(chǎn)氫純化關(guān)鍵技術(shù)研究。

四、氫能科技發(fā)展展望

氫能技術(shù)是近年來被廣泛關(guān)注的戰(zhàn)略性新興能源技術(shù)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋制、儲、運(yùn)、用四個環(huán)節(jié)。積極推動氫能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，一是符合我國能源轉(zhuǎn)型的必然要求，二是對協(xié)同帶動能源全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、強(qiáng)鏈延鏈具有重要意義。未來應(yīng)持續(xù)推動氫能制、儲、運(yùn)、用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新，協(xié)同推動上下游產(chǎn)業(yè)鏈共同發(fā)展：一是聚焦氫氣制備關(guān)鍵技術(shù)，突破適用于可再生能源電解水制氫的各類電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)，推動多能互補(bǔ)可再生能源制氫集成關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，開展多應(yīng)用場景可再生能源-氫能的綜合能源系統(tǒng)示范；二是聚焦氫氣儲運(yùn)技術(shù)，開展氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)氫儲運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)研究，開展摻氫/純氫天然氣管道及輸送關(guān)鍵設(shè)備安全可靠性研究，研發(fā)規(guī)模化氫存儲示范裝置；三是聚焦燃料電池設(shè)備及系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，開展高性能、長壽命不同技術(shù)路線的燃料電池技術(shù)研究，開展多場景下燃料電池固定式及分布式功能示范應(yīng)用。