《科創(chuàng)板日報》（上海，記者 吳愛粧）訊，“氫能源有很多的用途，燃料電池汽車只是其中一種利用方式。從目前的發(fā)展情況看，幾十年之內(nèi)氫能源要想完全取代化石能源是很難的事情，預(yù)計到2050年氫能在我國能源消費體系的占比最多達到15%。如果具體到氫燃料電池汽車領(lǐng)域，我們目前還有不少關(guān)鍵技術(shù)需要突破，今后的產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需謹慎，確保關(guān)鍵核心技術(shù)安全自主可控是最重要的”。3月27日，中國工程院院士陳學東在“2021中國實體經(jīng)濟論壇——產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈現(xiàn)代化與制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”上表示。
針對各地當前發(fā)展氫能及燃料電池汽車的熱情高漲，陳學東院士提醒道，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展切不可蜂擁而上。以我國3D打印、機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展為例，雖然做了很多工作，但是對于企業(yè)來說實際得利卻未達到預(yù)期，因此還得慎重考慮市場需求與技術(shù)成熟度，做好統(tǒng)籌謀劃。
他指出，氫能是二次能源，發(fā)展氫能源的碳減排效果取決于產(chǎn)生氫氣的一次能源種類，其經(jīng)濟性還要考量其對一次能源的消耗量；但是從技術(shù)角度來說，氫氣儲存、輸送和終端利用方面目前還有很多關(guān)鍵技術(shù)問題沒有解決，主要涉及到關(guān)鍵裝備的本質(zhì)安全問題。例如在車載儲氫氣瓶方面，目前國外廣泛采用塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶(即Ⅳ型瓶)，儲氫效率高。實際上，國內(nèi)也曾經(jīng)開展過Ⅳ型壓縮天然氣氣瓶的研究與應(yīng)用，但由于當初設(shè)計制造及檢測技術(shù)不成熟，產(chǎn)品存在一定缺陷，導(dǎo)致了安全事故，所以至今仍被禁止使用。
與此同時，他還表示，盡管我國氫能產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)取得了一些進展，但在氫能儲運裝備方面還存在諸多不足：例如50MPa以上超大容積固定式儲氫容器、90MPa級氫氣壓縮機設(shè)計制造還有短板；抗氫氣高速沖擊高壓加氫站閥門、耐深冷溫度液氫閥門、高集成度瓶口組合閥等特殊閥門零部件還存在“卡脖子”問題；70MPa車載Ⅳ型儲氫氣瓶、50MPa大容量管束集裝箱設(shè)計制造技術(shù)還未完全掌握；等等。他建議國內(nèi)院所、高校、企業(yè)要堅持問題導(dǎo)向、協(xié)同攻關(guān)，推動創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展，實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要設(shè)備風險安全可控，支撐我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
以下為發(fā)言實錄：
陳學東：謝謝主持人介紹，尊敬的李主席，各位嘉賓，各位來賓，大家下午好！我的報告與氫能源裝備相關(guān)，相對比較微觀，我將盡可能講得通俗一些。
我的報告題目是“我國重要氫能儲運裝備技術(shù)進展”，主要包括三個部分。第一部分是國家行業(yè)需求。去年總書記向全世界莊嚴承諾30、60碳達峰碳中和的宏偉目標以來，發(fā)展氫能源這件事情更顯得非常重要。大家都知道，人類社會能源利用的總體趨勢就是一個“去碳加氫”的過程：最早是燒煤、燒柴；后來我們用石油，石油主要是碳氫化合物，碳含量很高；然后是天然氣，從分子式上看一個碳四個氫；將來我們利用氫，將不再含碳。氫能已經(jīng)成為全世界努力發(fā)展的方向，日本、美國都制定了在2040年普遍利用氫能的方案，我國在2016年也發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃》，提出到2050年要實現(xiàn)氫能和燃料電池普及應(yīng)用。實際上，到2050年氫能源也不可能完全代替其他化石能源，發(fā)達國家大概能用到20%就很不錯了，我們國家大概用到10%左右。
在這些政策支持下，日本、美國等紛紛開發(fā)氫燃料電池汽車，利用氫氣作為燃料來驅(qū)動車輛。韓國現(xiàn)代、日本豐田、本田、德國奔馳等車企都做了很多工作，歐洲和日本建設(shè)了很多加氫站。我們國家這幾年全國各地也掀起了一股氫能源的熱潮，主要應(yīng)用場景是新能源汽車，在長三角、珠三角和京津冀一帶形成了很多產(chǎn)業(yè)集群，廣東以佛山為代表。
但是我個人認為，氫能源實際上有很多的用途，燃料電池汽車只是其中一種利用方式。發(fā)展燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)切不可蜂擁而上。從目前的發(fā)展情況看，幾十年之內(nèi)氫能源要想完全取代化石能源是很難的事情。從我國3D打印、機器人等產(chǎn)業(yè)以往的發(fā)展經(jīng)驗教訓來看，雖然做了很多工作，但是對于企業(yè)來說實際得利卻未達到預(yù)期。因此，發(fā)展燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)還得慎重考慮市場需求與技術(shù)成熟度，做好統(tǒng)籌謀劃。事實上，國外也開展了其他氫動力裝備方面的高端應(yīng)用研究，比如說液氫驅(qū)動飛機發(fā)動機，準備把液氫用在飛機上?？偟膩碚f，在氫能利用領(lǐng)域，我們國內(nèi)也需要考慮有所為、有所不為。
去年中央辦公廳發(fā)布了“新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”，提出以純電動汽車、插電混動汽車、燃料電池汽車為三縱，布局整車技術(shù)創(chuàng)新鏈。我覺得國家很重要的一個安排是，把研究的重點放在氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)上，包括開展高壓氣態(tài)、深冷液態(tài)、深冷超臨界態(tài)及固態(tài)等多種形式儲運技術(shù)示范應(yīng)用，探索建設(shè)氫燃料運輸管道。
我今天的報告主要圍繞氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈展開。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括氫的制取、儲存、運輸、加注、終端利用等環(huán)節(jié)。對于制氫環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)的發(fā)展技術(shù)路線是清晰的，相關(guān)技術(shù)和裝備研究工作在以往石化等領(lǐng)域已經(jīng)開展過一些；至于電解水制氫路線，因為氫本身是二次能源，發(fā)展氫能源的碳減排效果取決于產(chǎn)生氫氣的一次能源種類，其經(jīng)濟性還要考量對一次能源的消耗量；但是從技術(shù)角度來說，氫氣儲存、輸送和終端利用方面目前還有很多關(guān)鍵技術(shù)問題沒有解決，主要涉及到關(guān)鍵裝備的本質(zhì)安全問題。所以我今天主要把這個問題跟大家匯報一下。
首先介紹幾個基本概念。氫能源汽車利用燃料電池發(fā)電，其關(guān)鍵裝備除了燃料電池堆之外，主要是高壓儲氫瓶及瓶口組合閥、空氣壓縮機、氫氣循環(huán)泵等。對于加氫站來說，關(guān)鍵裝備主要是高壓氫壓機、儲氫容器、加氫設(shè)備等。這些氫能儲存、輸送、加注環(huán)節(jié)的通用機械裝備是我們主要關(guān)注的研究對象。這里面，儲氫氣瓶一般有四種型式：Ⅰ型瓶是全鋼制，主要缺點是重，用于車載不太合適，放在加氫站作為固定式儲氫是可以的；Ⅱ型瓶和Ⅲ型瓶是金屬內(nèi)膽碳纖維纏繞，也相對較重，但比Ⅰ型瓶要輕；Ⅳ型瓶是塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞，質(zhì)量最輕，適合于車載，是國外的主流技術(shù)路線。事實上，國內(nèi)也曾經(jīng)開展過Ⅳ型壓縮天然氣氣瓶的研究與應(yīng)用，但由于當初設(shè)計制造及檢測技術(shù)不成熟，產(chǎn)品存在一定缺陷，導(dǎo)致了安全事故，至今仍被禁止使用。所以到目前來說，Ⅳ型儲氫瓶依然是一個“卡脖子”問題。
目前氫能儲運方式包括常溫高壓氣態(tài)氫、深冷常壓液態(tài)氫、深冷高壓超臨界氫、帶壓固態(tài)儲氫等。無論何種方式， 如控制不好，氫在密閉空間都會引發(fā)爆炸事故。近年來全世界發(fā)生了一些氫能裝備相關(guān)的爆炸事故，中國也有。2019年我國某企業(yè)制造的加氫站儲氫容器水壓試驗期間發(fā)展開裂爆炸。同樣的儲氫裝備在廣東省大概有60臺仍然在使用，所以當時廣東有關(guān)方面也是很緊張，宣布限制這些裝備的使用。后來我們調(diào)查，事故原因主要是由于設(shè)備在加工過程存在質(zhì)量問題，跟在役使用沒有關(guān)系，才虛驚一場。
氫能裝備使用過程中，首先碰到的一個問題就是，服役期間設(shè)備會發(fā)生什么樣的變化。金屬材料在臨氫環(huán)境下長期使用會發(fā)生氫脆現(xiàn)象，這是大家都認可的規(guī)律。石油化工里面加氫反應(yīng)器在20MPa、484℃臨氫環(huán)境下長期使用會發(fā)生高溫氫腐蝕、氫脆、回火脆等等，為此我們做了很多設(shè)計制造與使用維護方面的研究工作加以預(yù)防控制。
對于常溫高壓儲氫設(shè)備來說，已有試驗表明200℃以下溫度、35MPa以下壓力的氫環(huán)境不易導(dǎo)致金屬材料氫脆。假如到了35MPa以上會不會有這些問題，目前還在研究。但是考慮到即使美國等發(fā)達國家在應(yīng)用氫能裝備過程也都發(fā)生了安全事故，這個方面依然是很令人關(guān)注的事項。
液氫儲運裝備一般采用水瓶膽結(jié)構(gòu)，主要問題是低溫脆性斷裂和絕熱失效。
常溫高壓氣態(tài)儲氫是目前的主流技術(shù)路線，包括幾種型式。對于加氫站固定式儲存來說，應(yīng)該說不存在重量問題。當采用鋼制儲氫瓶組時，國內(nèi)目前能最高做到45MPa；當采用扁平鋼帶錯繞容器時，浙江大學最高做到98MPa、1m3；當采用單層鋼制容器時，合肥通用院最高做到140MPa。
在加氫站高壓氣態(tài)氫加注環(huán)節(jié)，國外現(xiàn)在有金屬隔膜式、液驅(qū)增壓泵式、離子液體式三種型式的氫氣壓縮機。國內(nèi)目前能做到45MPa，產(chǎn)品性能與國外有較大差異；90MPa壓縮機設(shè)計制造技術(shù)國內(nèi)尚未掌握，但已啟動國產(chǎn)化攻關(guān)工作。
在高壓氫氣公路運輸環(huán)節(jié)，主要采用管束集裝箱或長管拖車，這方面我國與國外差距很大。國外采用大容量Ⅳ型管束瓶，儲氫密度比較高、最高到5.1wt%。我們國家尚沒有開發(fā)出大容量Ⅳ型管束瓶，只能用Ⅰ型瓶和Ⅱ型瓶，儲氫密度最高只有2.3wt%左右，最大儲氫量只有0.6噸，難以滿足低成本、高效輸配需求。
在管道輸氫方面，美國、歐盟等研究表明，在天然氣輸送管道里面摻氫15~20%對設(shè)備風險沒有顯著影響。天然氣摻氫輸送對于碳中和碳達峰是有好處的。天然氣伴輸氫是不能直接用在氫能源汽車上的，需要進一步分離提純；天然氣伴輸氫直接用于其他場合燃燒利用的話，對于降低碳排放是有好處的。
在車載高壓儲氫方面，國外已經(jīng)研制出70MPa以上Ⅳ型瓶及瓶口組合閥。國內(nèi)主要以35MPa Ⅲ型瓶為主，近期開發(fā)出70MPa Ⅲ型瓶，70MPa以上Ⅳ型瓶設(shè)計制造技術(shù)尚未完全掌握；國內(nèi)已開發(fā)出35MPa瓶口組合閥，但產(chǎn)品可靠性相比國外仍有差距，目前70MPa瓶口組合閥仍依賴進口。
另外，像飛機試航一樣的，所有氫能儲運裝備如果想上車使用的話一定要通過性能評價考核試驗。性能評價考核試驗是非常嚴格的一系列試驗，其中難度最大的一項是氫氣循環(huán)疲勞測試，即采用氫氣循環(huán)試驗來測試溫度、壓力波動下裝備的安全性。這個試驗過去只有在加拿大、日本、歐洲可以做。合肥通用院2019年已經(jīng)建成氫氣循環(huán)疲勞測試系統(tǒng)，最高試驗壓力達到140MPa。自此，中國的氣瓶就不用在國外進行試驗了，國內(nèi)自己可以試驗。同時，我們國內(nèi)的試驗裝置也承擔了日本豐田、德國萊茵等國外測試任務(wù)。這部分工作也得到國家市場監(jiān)管總局的大力支持。
在車用燃料電池空壓機方面，國外研究的比較多，中國現(xiàn)在也能做，主要差距是在噪聲控制等方面。這個車用空壓機如果噪聲很大，那么人的舒適性不是很好。
在氫氣再循環(huán)泵方面，這個泵現(xiàn)在國內(nèi)還不能自主設(shè)計制造，完全依賴于進口。
在深冷液氫儲運裝備方面，應(yīng)該說固定式深冷儲罐這塊問題不是太大，以往應(yīng)用場景主要是航空航天領(lǐng)域。美國NASA目前可以做到最大3500立方米，中國做到了300立方米，事實上如果國內(nèi)研發(fā)更大容積的液氫儲罐也是可以辦到的，我覺得屬于短板問題。在公路或鐵路運輸槽車方面，俄羅斯等已研發(fā)出100立方米液氫鐵路槽車，國內(nèi)目前做到40立方米規(guī)格；如有需求，做到更大容積也是可以的。
在液氫加注方面，主要是兩種特殊的泵，目前國內(nèi)都不能自主設(shè)計制造。一種泵是壓力比較低、流量比較大，用于將液氫裝入儲罐；還有一種是壓力比較高、流量比較小，用于將液氫加注到車載容器。這兩種泵如采用浸入液氫介質(zhì)的方案，難度在于電機。事實上，目前國內(nèi)在潛液式液化天然氣(LNG)輸送泵方面也存在同樣的痛點問題。
在深冷+常壓儲氫方面，德國林德等研制110~150L液氫瓶，用于乘用車；國內(nèi)也在正在研制重卡用500L液氫氣瓶；在深冷+高壓超臨界儲氫方面，國外已經(jīng)開發(fā)出了第三代產(chǎn)品，是一種先進的儲氫技術(shù)方案，具有很好的應(yīng)用前景。
盡管我國氫能產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)取得了一些進展，但在氫能儲運裝備方面還存在諸多不足：例如50MPa以上超大容積固定式儲氫容器、90MPa級氫氣壓縮機設(shè)計制造還有短板；抗氫氣高速沖擊高壓加氫站閥門、耐深冷溫度液氫閥門、高集成度瓶口組合閥等特殊閥門零部件還存在“卡脖子”問題；70MPa車載Ⅳ型儲氫氣瓶、50MPa大容量管束集裝箱設(shè)計制造技術(shù)還未完全掌握；等等。
最后我想講，預(yù)計到2050年氫能在我國能源消費體系的占比最多達到15%；具體到氫燃料電池汽車領(lǐng)域，我們目前還有不少關(guān)鍵技術(shù)需要突破，今后的產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需謹慎，確保關(guān)鍵核心技術(shù)安全自主可控是最重要的。為此，我建議國內(nèi)院所、高校、企業(yè)要堅持問題導(dǎo)向、協(xié)同攻關(guān)，推動創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展，實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要設(shè)備風險安全可控，支撐我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
謝謝大家！
