攻关核心技术推动绿氢产业高质量发展

林 伟

➤目前，我国氢能产业总体处于市场导入期，产业发展主要受下游行业脱碳进程、政策支持力度、技术成熟度三方面因素影响

➤短期内，氢燃料电池汽车的大规模推广将成为氢能产业发展的关键驱动力。长期来看，随着政策推动和技术进步，工业领域有望成为氢能应用的第一大领域

➤我国发展绿氢条件优越，国内水电、风电、光电装机规模均位列世界第一，总装机容量约占全球可再生能源总量的28%。通过大力发展可再生能源替代化石燃料制氢实现碳减排是一条可行的发展路径，其潜藏的产业规模可达万亿级别，具备显著的经济效益和社会效益

➤目前，中国石化石油化工科学研究院（简称“石科院”）依托中国石化氢能产业链，正在从催化剂、膜电极、装配技术、系统技术等方面入手，开展核心材料和核心组件科技攻关，构建自主化产业链、供应链和价值链

作为一种公认的清洁能源，氢能被称为“21世纪的终极能源”，其发展和应用已成为当下能源行业的战略发展方向。目前我国已将氢能定位为未来国家能源体系的重要组成部分，氢能产业被列入战略性新兴产业和未来产业重要发展方向。中国石化2019年开始进军氢能领域，现已成为国内最大的氢气生产企业，技术方面聚焦质子交换膜电解水制氢（PEM）技术领航行业发展，目前该技术已实现工业应用。

氢能是能源绿色低碳发展的明日之星

根据国际氢能理事会预测，乐观情况下，2050年在碳中和情景下氢能将满足全球18%的终端能源需求，同时减少60亿吨二氧化碳排放。当前，全球各国正在重新布局能源生产与消费。

氢能的来源十分丰富，通过电解水制氢、化石能源重整制氢、工业副产物制氢等方式均可以获取氢，并将获取的氢作为原料或直接作为能源，因此无论在何种能源转型路径中，氢能都具备一定的技术适用性，能够通过自身的绿色低碳转型和多元化应用潜质，为我国构建新型能源体系、实现能源系统的绿色低碳和安全稳定贡献力量，更好保障国家能源安全。目前，我国已将氢能定位为未来国家能源体系的重要组成部分，氢能产业被列入战略性新兴产业和未来产业重要发展方向。

目前，我国氢能产业总体处于市场导入期，产业发展主要受下游行业脱碳进程、政策支持力度、技术成熟度三方面因素影响。短期内，氢燃料电池汽车的大规模推广将成为氢能产业发展的关键驱动力。长期来看，随着政策推动和技术进步，工业领域有望成为氢能应用的第一大领域。

中国石化战略布局绿氢产业

2019年，中国石化正式进军氢能领域。瞄准打造“中国第一氢能公司”的目标，中国石化将氢能作为自身新能源业务的主要发展方向，开展制氢、储氢、运氢和用氢的全产业链布局。目前，中国石化已成为国内最大的氢气生产企业。

我国发展绿氢条件优越，国内水电、风电、光电装机规模均位列世界第一，总装机容量约占全球可再生能源总量的28%。因此，通过大力发展可再生能源替代化石燃料制氢实现碳减排是一条可行的发展路径，其潜藏的产业规模可达万亿级别，具备显著的经济效益和社会效益。

未来，中国石化将以绿氢炼化作为自身主要发展方向，替代目前化石能源制氢为主的产能格局。2023年6月30日，中国石化新疆库车绿氢示范项目全面建成投产，标志绿氢规模化工业应用实现零的突破。该项目是国内首个规模化利用光伏发电直接制氢的项目，绿氢产能可达2万吨/年。同期，鄂尔多斯3万吨/年、乌兰察布10万吨/年风光制氢一体化示范项目推进顺利。

聚焦PEM电解水制氢技术领航行业发展

位于中国石化大连盛港综合加能站的我国首个分布式甲醇制氢装置。 栾学斌/供图

要在实现“双碳”目标进程中充分发挥氢能产业的重要作用，加速实现氢能领域技术革命是当下的重中之重，必须要在电解水制氢等关键核心领域取得技术突破，持续降低氢能开发利用成本，增强市场竞争力。

目前，电解水制氢主要有3种技术路线：碱性电解水制氢（AWE）技术、质子交换膜电解水制氢（PEM）技术和固体氧化物电解水制氢（SOEC）技术。其中，AWE技术相对最为成熟、成本最低，更具经济性，已被大规模应用，而SOEC技术目前以技术研究为主，尚未实现规模商业化，因此，PEM电解水制氢技术已成为当下制氢领域的关键技术突破口。

相比碱性电解槽，PEM电解水制氢技术具备诸多优点。PEM电解槽的电流密度更大，通常在1A/cm2（安培每平方厘米）以上，远高于传统碱性电解槽的电流密度。这是由于PEM电解槽使用的质子交换膜相较碱性电解槽中使用的隔膜更薄，提供了优秀的质子传导能力，且PEM电解槽采用零间距结构，内部结构更为紧凑，有助于降低运行时的欧姆电阻，从而大幅提高电流密度、优化工作效率。此外，PEM的压力调控范围大，氢气输出压力可达数兆帕，更加适应快速变化的可再生能源电力输入，非常适合在绿氢领域应用。

现阶段我国PEM电解水制氢技术已实现小规模应用，正处于产业导入期，但目前已商业实施的PEM电解水制氢技术的单位成本仍然远高于碱性电解槽，这主要是由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备对于铱、铂、钛等价格昂贵的贵金属材料较为依赖，导致成本过高。

为实现PEM电解水制氢技术快速发展，需从科技创新自主和产业链供应链建设两端同步发力，从技术升级迭代、产业链国产化和生产制造规模化三个维度入手提质增效。其中，技术升级迭代体现在进一步提升电解槽的工作电流密度，从当前的1A/cm2～2A/cm2提升至3A/cm2～4A/cm2甚至更高，电流密度的提升意味着相同产氢量下，电解槽的体积更小，贵金属等原材料总成本更低。产业链国产化体现在针对电解槽中的质子交换膜、扩散层、密封件等需要依赖进口的元器件进行国产化替代，补足供应链短板，确保全产业链技术自主可控的同时，降低电解槽元件成本。生产制造规模化体现在膜电极制备和电解槽装配工艺自动化和连续化，通过工业机器人开展膜电极连续卷对卷涂布、电解槽自动堆叠等工序替代人工作业，提升膜电极制备和电解槽装配的生产效率和产品质量稳定性，适应快速发展的市场需求，实现规模化降本。

目前，石科院依托中国石化氢能产业链，正在从催化剂、膜电极、装配技术、系统技术等方面入手，开展核心材料和核心组件科技攻关，构建自主化产业链、供应链和价值链。2022年12月，中国石化自主研发的首套兆瓦级质子交换膜（PEM）电解水制氢装置在燕山石化一次性开车成功，产出合格高纯度氢气。该装置采取集成设计、一体成橇的设计理念，整橇围绕电解槽进行整体布局和管路优化设计，生产全过程实现零碳、零污染物排放，标志着中国石化质子交换膜电解水制氢成套技术实现工业应用。

未来，中国石化将以氢能为突破口，通过关键技术攻关、促进产业链合作、打造制氢关键装备、完善氢能标准体系和提升氢能制取安全等一系列举措，不断引领国内氢能产业高质量发展，在端牢能源饭碗、保障国家能源安全的前提下，加速实现“双碳”目标及能源转型。