為有力推進(jìn)我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，中國石化于2020年7月24日邀請國內(nèi)氫能領(lǐng)域頂級院士、專家舉行“結(jié)構(gòu)氫產(chǎn)業(yè)，謀劃氫未來”氫能發(fā)展戰(zhàn)略研討會。
本次研討會對氫能發(fā)展現(xiàn)有問題把脈問診，為氫能未來發(fā)展獻(xiàn)言獻(xiàn)智，將為推進(jìn)中國石化構(gòu)建“一基兩翼三新”發(fā)展格局、打造世界領(lǐng)先潔凈能源化工公司和促進(jìn)我國氫能產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展、健康發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展提供咨詢、把握方向。
國家電投集團(tuán)氫能首席專家柴茂榮在會上做了主題演講，內(nèi)容如下：
演講實錄
謝謝馬總的介紹，也謝謝各位專家今天有時間來讓我有這個機(jī)會介紹我們氫能源燃料電池開發(fā)情況，以及我這30多年來做的一些工作。
我今天的報告主要分成三個部分：第一，氫能的總體情況，這部分各位院士都說的比較多，所以我就簡單跳過去；第二部分，燃料電池的技術(shù)進(jìn)展，就是國內(nèi)外的進(jìn)展；第三部分，國家電投主要做了哪些工作。
下面我先介紹一下氫能的總體情況。
國家電投是一個能源企業(yè)，所以從我們公司角度來講，我們覺得發(fā)展氫能重要意義是保障我們國家的能源安全。
第一方面釋放無碳一次能源，促進(jìn)能源體系清潔低碳化；第二替代油氣，降低油氣進(jìn)口依存度；第三，優(yōu)化能源終端體系，確保能源供應(yīng)自主高效。所以我們開發(fā)目標(biāo)首先是自主化，打通整個產(chǎn)業(yè)鏈的自主化；第二是多樣化；第三是低碳，就是用清潔能源制氫；第四，分散，因為氫作為儲能應(yīng)用可以把電變成氫儲存，比如分布式能源這些方面；第五，智慧化，把能源有效利用率提高。我國能源消費(fèi)的情況，從這個圖可以看出，我們國家去年整個銷售量煤大概占58%，油大概是占了9%左右，還有天然氣、其他的。
我們國家石油整個對外依存度70.8%，天然氣對外依存度43%，合計大概8.2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤是進(jìn)口的。所以我們整個國家的能源安全問題是非常突出的，因為如果世界整個環(huán)境變化，我們沒有能源整個國家安全就會受到威脅。
能不能用可再生能源替代進(jìn)口的石油和天然氣？現(xiàn)在可再生能源年風(fēng)能大概12%左右，太陽能15%左右的年增長率，當(dāng)然有的年份高一點(diǎn)，有的年份低一點(diǎn)。按照這個來算8.2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的依存度如果全部用風(fēng)能和太陽能的增量來算，到2035年左右大概可以完全替代我們的進(jìn)口油氣。
但是這里面存在著問題，可再生能源非常不穩(wěn)定，比如太陽能是白天有晚上沒有，風(fēng)能是有風(fēng)就有，沒有風(fēng)就沒有，所以非常不穩(wěn)定，需要儲能。如果能源可以穩(wěn)定供應(yīng)大概需要30%左右的儲能，而不是10%。國家能源局提出來可再生能源10%，我們現(xiàn)在棄掉了不少。所以30%左右就是需要15000億千瓦時的電或者其他方式配套解決。
還有一個我們國家能源可利用情況進(jìn)行了分析。水、風(fēng)、太陽能儲量，如果我們把太陽能代替進(jìn)口油氣，太陽能整個可開采量大概2.5%左右，風(fēng)能大概是5%左右，這兩個量是完全可以達(dá)到我們的要求的，我們國家風(fēng)能大概77億千瓦，相當(dāng)于74.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽能一年大概4.9萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的量，我們?nèi)绻每稍偕茉?，對我們環(huán)境負(fù)荷也是沒有什么影響的。
剛才我們談到，如果利用可再生能源來替代進(jìn)口油氣的話，需要5000GWh余量，我們國家動力電池2015年大概100，也就是要增長50倍，因為汽車也要用到儲能，其他也要用到鋰電池。但是如果用氫氣儲能，15000度大概是5000萬噸左右的氫氣，我們國家一年年產(chǎn)氫就兩千萬噸左右，用氫氣儲能就是現(xiàn)有規(guī)模2.5倍，無論是制還是儲還是有希望的，所以我們認(rèn)為用氫氣儲能還是靠譜的。
所以我們認(rèn)為未來清潔能源的體系一個是電氫體系，我們認(rèn)為可再生能源一部分用來直接供到電網(wǎng)然后工業(yè)、民用、交通、航天、船舶等其他應(yīng)用；另外一方面把它作為電解氫儲存起來輸?shù)焦芫W(wǎng)，或者是回電或者氫氣直接使用，所以我們認(rèn)為終端能源主要是電氫熱的三種形式，電氫為主。電氫必須要在源端分離，因為終端分離很多人會有意見，既然發(fā)出來電，為什么要把它變成氫。但是如果在源端來講，可再生能源本身上不了網(wǎng)，把這部分變成氫氣或者可再生能源直接通過高壓輸電網(wǎng)輸?shù)浆F(xiàn)地用氫氣儲存起來，缺電時候再用，這還是比較可靠的用法。
所以我們認(rèn)為氫能是21世紀(jì)終極能源，我們就是通過太陽光把水變成了能源，水通過電解變成氫和氧，氫和氧通過燃料電池等發(fā)電又變回了水，得到了電。整個過程是完全零排放，完全是可以循環(huán)的過程。從人類社會發(fā)展情況來看，煤炭到石油、天然氣、氫是從高碳到低碳到零碳，從固態(tài)到液態(tài)到氣態(tài)的過程，這是社會發(fā)展的規(guī)律，所以我們認(rèn)為低碳社會是一個社會的必然選擇。從能源革命來講也是一樣的，第一次、第二次能源革命帶來了整個蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的革命，產(chǎn)生了電。到第三次能源革命我們認(rèn)為氫應(yīng)該是占有一個很大的角色，一方面是走向電氣化社會的過程；第二方面，燃料電池、鋰電池整個屬于直流電，因為我們的電腦也好、LED燈也好，還有一些數(shù)據(jù)中心也好現(xiàn)在用的都是直流電，所以認(rèn)為氫能可以代替整個能源的儲存結(jié)構(gòu)。
能源里面制、儲、運(yùn)、用四個方面，剛才很多院士也說了，我們認(rèn)為這四個是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。其中最重要的是兩條，一個是制氫，一個是用氫，制氫這塊我們還是40年代的技術(shù)，用氫燃料電池還是上個世紀(jì)90年代開始的技術(shù)，所以這兩方面是我們現(xiàn)在要重點(diǎn)開發(fā)的。圖中打圈的是國家電投在做的，燃料電池、加氫站、電解水，還有氫安全，我們要保證絕對安全的情況下能源整個發(fā)展才能鋪開。
簡單把第一章小結(jié)一下。
經(jīng)測算我國的能源稟賦理論上可實現(xiàn)2035年完全擺脫對進(jìn)口油氣依賴的能源戰(zhàn)略目標(biāo)。能源安全提升的策略，一是能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，提高終端用電比例。二是提高存量和增量的能源效率，提高能源使用的集約化水平。這個就是說氫能在這里面就會占到很大的作用。第三，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展清潔能源基地，優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)。圍繞電能替代，大力發(fā)展氫能、儲能，進(jìn)一步提高能效，保障我們國家的能源安全。
第二章國內(nèi)外燃料電池的進(jìn)展情況。
燃料電池從1839年開始發(fā)明到現(xiàn)在大概經(jīng)過了180年的歷史，大概到1958年為止燃料電池一直是沒有起到應(yīng)用的，1958年開始航天飛機(jī)上開始首先使用了燃料電池，到八十年代初燃料電池開始用于固定式發(fā)電，用氫氣來發(fā)電。90年代才開始車載使用，固體高分子電池最大的特點(diǎn)是低溫，第二功率密度高，這兩個方面決定了可以車載使用。但是從第一臺車1993年到現(xiàn)在為止一共是27年，剛才歐陽院士也說了，這個發(fā)展速度是相當(dāng)慢的。但是我們也看到它的整個進(jìn)步，燃料電池整個來說雖然慢，但是整個的成本、鉑金使用量到安全性、可靠性都有了很大的提高。
我們認(rèn)為開發(fā)大功率燃料電池的必要性。原來的燃料電池主要是功率密度低，造成整個成本比較高。而從95年到現(xiàn)在整個的功率大概是從最初的單堆7千瓦到后來Daimler出現(xiàn)114千瓦，整個增加了30倍左右。大功率的燃料電池為什么需要？因為我們知道重卡、機(jī)車、船舶功率需求都是300千瓦到1000千瓦以上，乘用車至少2.0升大概也需要100千瓦，如果100千瓦電堆做不出來的話，必須要靠鋰電池提速還是有一定的問題的。
現(xiàn)在最新的燃料電池大概103千瓦，它的體積大致相當(dāng)于本田V6發(fā)動機(jī)的體積，但是功率只有一半。所以我們認(rèn)為燃料電池功率密度還需要提高一倍，才能和現(xiàn)有的車輛來競爭。
這個是NEDO燃料電池電堆開發(fā)路線圖，從70年代到現(xiàn)在，他估計2040年每升達(dá)到9千瓦左右，和內(nèi)燃機(jī)的整個體積差不多了。第二條線，從左上往下走的線是一個鉑金的使用量和整個成本下降的曲線，也就是說從90年代到2020年這30年整個燃料電池白金的使用量下降了200倍左右，整個成本也是下降了差不多100倍。所以我們認(rèn)為大家做燃料電池還是比較努力的，和鋰電池沒法比，但是燃料電池雖然慢一點(diǎn)還是努力不少。我們國家現(xiàn)在也能做到100千瓦左右了，這個還是有希望的。但是我們需要知道燃料電池現(xiàn)在還是比較偏貴，主要的原因第一質(zhì)子膜比較貴的，第二鉑金比較貴，所以我們需要大量降低鉑金，因為鉑金的量世界上資源有限，一年大概300噸左右，如果我們能開發(fā)出低鉑或者無鉑的話，開發(fā)到一輛車5克左右，我們的量就夠了，我認(rèn)為這個還是有希望的。
燃料電池主要的瓶頸，我們主要是成本高。燃料電池公司也很多，大家都很小、很散，核心器件與基礎(chǔ)材料如催化劑和膜電極、碳纖維等基本依賴進(jìn)口。國內(nèi)雖然少數(shù)地方開發(fā)基礎(chǔ)材料，但了性能和指標(biāo)和國外差距還是比較大的，大部分依靠國外零配件組裝為主，大功率電堆及系統(tǒng)缺失。FCVs維護(hù)成本，可靠性、耐久性設(shè)計與考核不足。燃料的成本高，主要是我們加氫站不多，還有最主要的問題就是我們的氫還是單軸（音），希望中石化、中石油這些企業(yè)我們聯(lián)合起來把氫和天然氣一樣從?；防锩鎰冸x出來作為燃料來使用。
第三部分，講一下我們公司的一些重點(diǎn)業(yè)務(wù)情況。
國家電投集團(tuán)是大型能源央企，總資產(chǎn)1.18萬億，是全球五百強(qiáng)企業(yè)，我們大概排300位左右。總裝機(jī)容量1.56億千瓦，按國家來排我們是第七。清潔能源占比51%，光伏發(fā)電世界第一，風(fēng)能發(fā)電世界第四，核電站3座。其中烏蘭察布600萬千瓦的風(fēng)機(jī)和300萬千瓦的太陽能光伏，未來可以給北京送210-250億度清潔電/年，占北京用電量1/4，這就是我們?yōu)楸本┪邓{(lán)藍(lán)天做的一個布局。
國家電投氫能公司的戰(zhàn)略定位：1、集團(tuán)公司氫能技術(shù)研發(fā)與制造一體化平臺；2、集團(tuán)公司氫能領(lǐng)域高端人才集聚基地；3、集團(tuán)公司市場化改改革先行者；4、氫能技術(shù)引領(lǐng)者。因為我們國家電投氫能公司可能是央企里面第一個二級企業(yè)。
國家電投整個氫能產(chǎn)業(yè)布局是兩條線，一條是能源線，也就是說利用我們公司豐富的可再生能源制氫，然后建立氫的網(wǎng)絡(luò)，這部分可能將來需要和張總這邊，中石油、中石化這些都要建立長期的戰(zhàn)略合作；第二是產(chǎn)品線，因為剛才我說了，如果說我們最后的應(yīng)用端打不通的話，我們前面的能源線就不通了，所以我們認(rèn)為我們是通過技術(shù)研發(fā)進(jìn)行燃料電池整個全產(chǎn)業(yè)鏈，從材料到產(chǎn)品整個研發(fā)，最后進(jìn)行一些示范應(yīng)用，比如說和汽車企業(yè)、儲能企業(yè)還有其他企業(yè)進(jìn)行合作，因為我們是能源央企，我們不會造車，但是我們會和一些汽車企業(yè)合作。
我們具體的目標(biāo)是發(fā)揮國家大型能源央企的戰(zhàn)略優(yōu)勢，組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，打通卡脖子的關(guān)鍵材料和加工技術(shù)，實現(xiàn)燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的完全自主化。我們產(chǎn)業(yè)里面所有的材料都要打通。
1、具有自主的核心技術(shù)。我們現(xiàn)在目前具備從催化劑到質(zhì)子膜、膜電極到雙極板、燃料電池電堆封裝，到動力系統(tǒng)等氫燃料電池、制儲氫等全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)和生產(chǎn)的自主核心技術(shù)；
2、我們已經(jīng)具有了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。在2025年我們計劃達(dá)到三萬堆/年，2030年達(dá)到10萬堆/年的生產(chǎn)能力。
3、具有行業(yè)領(lǐng)軍人才。我們目前全球品的行業(yè)領(lǐng)軍人才大概10名左右，到2025年要達(dá)到20名左右，除此之外我們現(xiàn)在全部研發(fā)人員200多名，博士占60%左右，我們整個團(tuán)隊知識化水平還是比較高的。
我們的整個產(chǎn)業(yè)布局，北京主要是研發(fā)總部，完成關(guān)鍵技術(shù)和核心材料的中試生產(chǎn)。一個是關(guān)鍵設(shè)備、部件材料的檢驗檢測和實驗驗證。氫能技術(shù)的推廣應(yīng)用這方面的一些規(guī)劃。
寧波主要是總裝技術(shù)中試，高精尖產(chǎn)品制造。武漢主要是一些核心零部件的生產(chǎn)，包括一些產(chǎn)業(yè)的推廣，這里面主要和東風(fēng)的合作。下一步我們還會在國內(nèi)其他的城市進(jìn)行布局，比如天津、廣州這些地方再進(jìn)一步布局，集團(tuán)公司搞氫能好幾家，除了我們其他也在布局。
接下來講一下我們開展了哪些工作。
燃料電池里面如果把它分拆一下大概有十幾項關(guān)鍵技術(shù)，我們包括催化劑載體到催化劑的合成，擴(kuò)散層制造到質(zhì)子交換膜、膜電極涂覆，還有雙極板，我們利用原來搞核電的一些材料加工技術(shù)，包括流路設(shè)計、材料開發(fā)、成型、防腐涂層與工藝、電極絕緣密封，這個屬于燃料電池技術(shù)部。燃料電池產(chǎn)品部主要是電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計、電堆組裝工藝、電堆密封工藝、水熱平衡仿真。燃料電池系統(tǒng)部，包括系統(tǒng)控制、DC/DC、氫泵、空氣泵、其它附屬設(shè)備。還有燃料電池生產(chǎn)部，主要北京中試線、寧波工廠、武漢工廠還有制氫儲氫部。
這是我們開發(fā)的一個催化劑，我們開發(fā)的催化劑主要剛才我說的，一個是高質(zhì)量活性、低鉑載量為主要目標(biāo)。我們現(xiàn)在生產(chǎn)的鉑碳可以達(dá)到400毫安/毫克鉑金左右，大概是國內(nèi)兩倍左右。合金催化劑目前可以達(dá)到750-780。而DOE2020年的指標(biāo)只有450mA/mg-Pt。
這個是耐久性能，1.0-1.5伏，模擬開關(guān)我們可以做到40萬次，10萬次時候我們衰減只有10%左右。
我們主要工作在兩方面做的，我們可以做到整個催化劑鉑金顆粒在2.0-2.1，而且基本上在這個里面。第二是耐久性主要是通過載體的碳也好或者經(jīng)過改性以后，耐久性有了很大的提高，我們目前中試線已經(jīng)完成，具備了每批大概10公斤左右的生產(chǎn)能力。
這個是高分子質(zhì)子膜，整個膜電極在低加濕或者無加濕，常溫下要有導(dǎo)電性，不是越薄越好，因為做薄以后強(qiáng)度會有影響，我們在樹脂上做文章，在常溫就有導(dǎo)電性。圖上右邊的黑線是我們向市場上買的戈爾的膜，紅線是我們自己做的。這里面我們?nèi)苊浶赃€在做改良，爭取技術(shù)上有些突破。
擴(kuò)散層也是我們自己做的，我們擴(kuò)散層基本上超過了市場上買的擴(kuò)散層的水平，紅的和藍(lán)的都是我們自己做的擴(kuò)散層，同一個膜電極做的實驗比較，在大電流下它的排水量要好得多，整個性能會好。
這個是膜電極，中間的藍(lán)線是我們產(chǎn)線上下來的，最大可以達(dá)到1400左右，我們?nèi)绻b成堆會稍微有點(diǎn)下來，但是整個性能來講還是可以的，單片性能可以達(dá)到3000毫安每平方厘米。紅線這條是我們現(xiàn)在做的合金的催化劑，目前來講還沒有應(yīng)用到商業(yè)上去，目前基本上達(dá)到3500毫安每平方厘米，這時候工藝可以達(dá)到每平方厘米1.8瓦。因為我現(xiàn)在剛剛開始做這方面的一些工作，合金催化劑還沒有做太多工作，如果做多了估計每平方厘米兩瓦還是有希望的，因為現(xiàn)在差的不多。
這是我們整個雙極板，主要是考察基材的溶出率，因為燃料電池里面講了很多，很多人說不銹鋼雙極板能耐多少，指的是雙極板本身的，我們要考慮整個質(zhì)子膜，也就是基材的溶出率是關(guān)鍵的因素，我們自己做的可以達(dá)到0.3個ppm，不銹鋼加上涂層9.66，是它的1/30，我們認(rèn)為我們自己研發(fā)的鈦板加涂層可以滿足我們長時間耐久需要。
這是我們整個產(chǎn)線，從沖壓、清洗、組焊、表面處理到生產(chǎn)追溯系統(tǒng)，目前已經(jīng)完成了兩千余組組件下線，整個雙極板的產(chǎn)線完成的比較早，將來年產(chǎn)可以達(dá)到40-60萬片左右的中試線。
這是我們整個電堆，目前整個來講在無加濕下可以啟動，室溫可以啟動。我們3.0千瓦每升含裝板，我認(rèn)為這個電堆我們可以拿得出手。現(xiàn)在還有一些耐久沒做完，爭取9月底前完成整個電堆開發(fā)試運(yùn)行。右邊是我們寧波的一條全自動的組裝線，目前可能也是全球比較先進(jìn)的一條組裝線，豐田還有手動組裝，我們?nèi)慷际菣C(jī)器組裝完畢，下線了，這個產(chǎn)線最后有七個工人就夠了，一年生產(chǎn)五千個堆左右。
這是我們整個電堆7月份下線的，我們用生產(chǎn)線上所有的材料組裝的堆，公司領(lǐng)導(dǎo)覺得我們還有一些其他工作沒準(zhǔn)備好，要9月份再發(fā)表，所以這篇希望大家不要外傳，公司不讓發(fā)表。
測試活化，我們測試環(huán)境如圖所示，我們已經(jīng)具備了100瓦、500瓦、1千瓦、2千瓦、6千瓦、60千瓦還有120和150千瓦的整個測試系統(tǒng)。
這是我們整個輔助系統(tǒng)的開發(fā)，主要水冷堆和空冷堆兩部分。水冷堆目前主要是大巴用的，乘用車還需要和汽車廠配合開發(fā)。無人機(jī)是為了冬奧會，垂直起降10千瓦還有30千瓦，主要是為了冬奧會開幕式攝影、拍照用的。
燃料電池整個中試線的計劃，2018年開始組裝，2019年中試的設(shè)備到位，到今年10月份整個規(guī)模化量產(chǎn)，到智能化量產(chǎn)整個設(shè)備的調(diào)試、完成，我們就可以往市場上賣了。
系列化產(chǎn)品除了汽車還有航空、電源，這個主要是空冷堆，還有機(jī)車，這是大功率的，將來可能350千瓦，還有離網(wǎng)發(fā)電，我們大概30千瓦左右的電堆，整個來講覆蓋了天上、地上還有水上、發(fā)電的過程。
我們的應(yīng)用開發(fā)，今年1月份已經(jīng)在寧波第一臺裝載我們電堆的大巴下線，現(xiàn)在正在進(jìn)行一些耐久性的測試，爭取今年年內(nèi)拿到這個公告。這是我們?nèi)剂想姵仉姵卮蟀蛙嚨那榫啊?
除了這個以外還有應(yīng)用的安全課題，主要是針對燃料電池的系統(tǒng)風(fēng)險評估，包括電堆失效、反極、質(zhì)子交換膜失效、動力不足、冷卻系統(tǒng)異常、發(fā)電系統(tǒng)失控、溫度異常、壓力異常、氫氣泄漏、燃爆危險、熱危險、機(jī)械危險、電氣危險、電磁兼容危險、廢物處置危險、環(huán)境危險，我們都進(jìn)行了建模和安全評估測算。
這是我們PEM水電解制氫的課題，我們發(fā)電企業(yè)如果不做制氫對我們來說整個鏈就沒走通。剛才衣老師已經(jīng)說了很多了，我就不說了，但是我們整個不是在實驗室里面，我們今年年內(nèi)要做出來，我們目前做的催化劑達(dá)到1.79-1.9伏，在2安培每平方米的水平，和衣院士的大連化物所發(fā)表的指標(biāo)比我們這個要差一點(diǎn)，我們PEM制氫課題組才成立一年，取得這個成績也是相當(dāng)不容易的。這是我們從國外引進(jìn)的另外一位高層次人才負(fù)責(zé)的項目。
我就說這么多，謝謝大家！
