全链突破 广州氢能“燃”动水陆空

　　硬核工作室出品

　　文/广州日报全媒体记者武威

　　氢能和核聚变能是当前我国重点发展的六大未来产业之一。在氢能领域，广州拥有云韬氢能、鸿基创能等一批国内领先的科技企业，以及中国科学院广州能源研究所、华南理工大学等顶尖科研院所，创新能力稳居全国第一梯队。

　　氢能产业链涵盖制、储、运、用诸环节。科研机构如何赋能氢能产业发展？科技企业如何开拓氢能应用场景？本期《科技周刊》，记者深入探访广州氢能从制到用的创新链各环节，解码科创引擎如何推动氢能产业发展。

　　制氢更“绿色”：PEM技术突破“贵”和“短命”痛点

　　氢气制备技术是氢能产业的源头。目前，市场上仍以工业副产氢为主，虽然能部分消纳钢铁厂、焦煤厂产生的工业副产氢气，但制氢过程仍会产生二氧化碳等温室气体。为此，科学家专注零碳排、廉价、稳定的电解水制氢技术研发，待相关技术成熟后，再逐步淘汰灰氢，实现真正的节能环保。目前，广州在绿氢制备技术上处在全球领先地位。

　　中国科学院广州能源研究所制氢与利用研究室主任闫常峰告诉记者，电解水制氢的最大应用场景是风光电储能。风光电虽然环保，但波动很大，发电后不能直接并网，往往需要用锂电池蓄电再输送，但大型锂电池造价昂贵，且蓄能衰减较快，若要满足风光电20年的使用寿命，初期投入会非常高昂。因此，将这些不稳定的风光电进行电解水制氢，将电能变为氢能保存起来，不失为一种经济的选择。“将来，我们可以利用西部的富余风光电制氢，再通过管道运送到东部来。鉴于广东海域的特点，海上风电输电成本高，未来若采用‘海上制氢+管道输运’模式，可解决深远海能源送出难题。关键是我们要进一步提升电解水制氢的技术。”

　　近年来，闫常峰带领团队着力于低温电解水制氢领域的技术研发。该领域的主流技术路线是碱性溶液电解、质子交换膜（PEM）和阴离子交换膜（AEM）三种。目前，碱性溶液电解制氢已开启商用，但该技术路线对电源稳定性要求高，与波动性可再生能源的适配性较差。因此，团队更专注于PEM和AEM路线的前沿技术研发。

　　“PEM路线的产业化痛点是膜的寿命短、成本高。”闫常峰表示，质子交换膜的膜电极需要采用贵金属铱作为催化剂，由于其价格高昂，团队一直在研发低贵金属/非贵金属催化剂，“我们已成功将铱的含量降至0.1毫克以下，膜电极仍保持高性能。我们还尝试采用普通的过渡金属来做催化剂。”自2020年起，团队在铱载量及性能指标上已超过美国能源部（DOE）的公开标准，PEM技术达国际先进水平。团队研发出非铱贵金属阳极材料，实验室稳定运行时长达到3700小时。

　　与此同时，AEM技术作为未来低成本、高性能的重要制氢方向，广州能源所已在特定电流密度下实现5000小时稳定运行，处于世界领先水平。

　　“凭借庞大的市场规模和应用场景迭代速度，中国有望在氢能领域实现全球领先。”闫常峰表示，团队与鸿基创能、云韬氢能等广州本土氢能企业有良好的产学研互动，在实践中不断助推技术熟化，并已为企业提供10立方米的PEM制氢装置，推动绿氢制备技术应用于产业端。

　　储运更稳定：室温吸氢与放氢温度显著降低

　　由于氢气密度低、压缩难度大、运输成本高，使储运环节成为氢能产业发展的关键瓶颈。针对这一难题，位于华南理工大学的广东省先进储能材料重点实验室长期致力于储氢材料的研发。

　　储氢材料是一类能在一定条件下反复吸放氢的功能材料。相比液态和气态储氢方式，固态储氢材料具有更高的体积储氢密度，对解决氢的储存和输运问题及实现氢能的大规模运用具有重要意义。广东省先进储能材料重点实验室长期专注于高性能储氢材料的基础与应用研究，综合运用理论计算、纳米结构、多相复合、催化改性等多种技术手段，系统提升金属基合金氢化物的储氢性能，推动固态储氢技术的进步与实际应用，促进氢能的普及。

　　记者了解到，该实验室团队突破镁基储氢材料在热力学和动力学方面的技术瓶颈，显著降低了室温吸氢与放氢温度；开发的稀土—镁—镍储氢合金成功应用于镍氢动力电池，钛基储氢合金在南方电网老虎岛智慧固态储氢电站中得到实际应用。

　　用氢更高效：氢燃料电池效率不断提升

　　氢气的应用方式，是实现产业链闭环的关键。除了将氢气直接掺入天然气作为燃料使用，更有价值的利用途径是氢燃料电池，将氢能直接转化为电能，整个过程实现零碳排放。

　　广州现代产业技术研究院燃料电池技术研发中心主任、华南理工大学教授廖世军透露，团队是国内最早从事氢燃料电池领域研究的队伍之一。在实践中，团队实现了膜电极、电堆系统等全套核心技术的自主研发，多项关键技术取得重大突破。

　　“以往我们需要高价进口增湿器，后来，我们与相关企业合作开发了利用电池自身产生的水进行封闭循环的低成本第三代增湿器，成本大幅降低；在催化剂制备技术上，我们开发了全新的催化剂制备方法，解决了活性组分纳米颗粒大小及均匀性控制难题，催化剂性能得到显著提升。”廖世军说。

　　为进一步提升燃料电池的效率，团队正重点研究氢燃料电池在高温和高电压运行下的耐久性难题。廖世军说：“目前氢燃料电池的单体工作电压通常为‌0.6V—0.7V，提高单体电压可提高能量转化效率。提升燃料电池运行温度是提高单电压的重要途径，但温度升高会大幅缩短电池寿命。我们的短期目标是将单电池的电压提升至0.8V以上，反应温度提升至90℃以上，同时使电池寿命达到1万小时以上。”

　　廖世军表示，目前，氢燃料电池的能量转化效率约为45%，若能将电压提升到0.8V，转化效率就能达到50%以上，“这意味着氢能汽车能用更少的氢气跑更远的路。我们也正与广州的企业紧密合作，推动该技术进一步熟化。”

　　“因为氢能‘制储运用’链条非常漫长，氢能产业正处在产业化刚刚起步的阶段，需要产业与科技紧密结合，才能健康良性发展。广州在这方面做得非常好，相关企业为我们验证氢燃料电池的前沿技术提供了很大的便利，企业也不断从中获益。”廖世军说。

　　“云韬一号”：全国首艘2000吨级氢动力船舶

　　氢燃料电池发电机组搭配锂电增程

　　7月，由云韬氢能与中国船舶集团共同打造的全国首艘2000吨级氢动力船舶“云韬一号”在肇庆顺利“吉水”。该船载重达2000吨，最大续航760km，搭载三台260kW船用氢燃料电池发电机组搭配锂电增程，配套智能能量管理与多重氢气安全防护系统，全程零碳、零噪声、零污染物排放。

　　“我们计划生产5000吨级、10000吨级的氢能船舶，用途也将从集散货船扩展到文旅、公务等各个领域。”云韬氢能副总裁、船舶业务负责人崔彩玉表示。

　　为何将氢能应用场景扩展到内河航运？

　　目前，油价随着国际局势动荡而出现明显波动，氢能船已显示出经济与环保的双重属性。廖世军表示：“目前，每公斤氢气的价格低于30元，氢能船的综合运营价格就可以比柴油船低，且拥有非常大的环保价值。理论上，如果内河航运都采用氢能，则我国每年可减少原油进口1.5亿—2亿吨。”

　　中国氢能船舶产业创新联合体成立

　　云韬氢能董事长杨强透露，公司已牵头相关企业、高校、科研机构共同成立中国氢能船舶产业创新联合体。其主要作用是聚合全链资源、统一技术路径、共建配套标准，将单点技术突破升维为全行业体系化竞争优势。未来四年，该联合体将立足珠江，批量投放百艘标准化氢动力船舶，同步织密水上加氢网络。力争2028年氢船实现无补贴、可循环、能自主迭代的商业化生态。

　　电网多了个绿色后备：甲醇氢能

　　除了最新投入的氢能船，云韬氢能还展示了各类氢能无人机、各种用途的氢能重卡和公司研发的多款燃料电池系统。氢能已经覆盖水陆空多个场景。

　　氢能产业的发展，除了创新链不断凝练各项关键技术，还需要科技企业在应用场景上不断开拓创新。

　　今年6月，在番禺区大刀沙岛，以甲醇氢能为备用电源的智能微电网实现自主平稳运转。甲醇氢能备用电源由广东电网公司广州供电局自主研制，由甲醇重整制氢、燃料电池发电、锂电储能缓冲三大核心环节组成，可提供1000千瓦时连续用电保障，在电网故障时实现快速复电。“我们采用甲醇作为氢能的储存载体，通过催化重整反应现场制氢、即产即用。”该局电科院工程师王泽嵩介绍，该装置规避了氢气高压储运的安全风险等问题，实现从甲醇溶液注入、重整器及电堆启动升温到系统满功率输出的全流程自动化运行及负荷平滑快速跟踪。

　　与传统柴油发电机相比，甲醇氢能备用电源的度电成本降低约50%，运行噪声显著降低，碳排放减少40%以上，绿色低碳优势明显。