氢能材料
氢能材料
新兴清洁能源载体——氢能材料,突破氢能关键材料瓶颈是产业发展的关键
表7.支持锂电材料产业发展部分政策(来源:DeepTech)
四大氢能产业集聚区逐步成型,氢能产业链逐步完整。氢能产业链涉及制氢、储运、加氢、氢燃料电池及配件、终端应用等诸多环节,产业链较长,涉及的企业、产品较多,技术密集,因此设立能够集中多种氢能相关企业的产业园可以有效推进中国氢能产业的发展。随着各省市产业园区的不断建设,截至2020年,中国已有氢能产业园约30个,并形成了长三角、珠三角、环渤海、川渝鄂四个氢能产业集聚区,储氢材料、氢燃料电池关键材料等氢能相关材料企业大多在此集中。本章选取若干在氢能相关材料进行布局的典型产业园区,从园区发展的驱动力角度进行分析。
氢能具有清洁、应用领域广泛的特征,在中国“碳中和、碳达峰”政策背景下,氢能的发展对当地的能源结构调整有巨大贡献。能源结构调整的需要是促进氢能及相关材料产业园区发展的重要因素。
1)上海市:嘉定氢能港
嘉定区作为上海汽车工业重镇,选择了交通领域作为氢能产业发力点,在氢燃料电池及氢燃料电池汽车产业进行积极布局。
长三角是中国能源使用的主要地区之一,尽管西气东输、西电东送等国家能源工程源源不断地为长三角输送清洁能源,但相对于经济的高速发展和国家给长三角的发展任务来说,长三角地区的经济增长仍然依靠大量的能源消耗,表明长三角地区长期存在能源供给的短板和缺口。同时,“双碳”目标也促使长三角地区主动进行能源结构调整,发展氢能相关产业成为了优质解决方案之一。
在氢能相关材料领域,嘉定氢能港引入了捷氢科技、上海济平新能源等专注于氢燃料电池膜电极、催化剂和气体扩散层等氢能相关材料领域研发制造企业,并将在此基础上建立较完善的氢能产业框架体系。
氢能产业包含上游制氢、中游运氢和下游用氢等众多环节,技术密集。拥有较为完备的氢能源产业链的产业园是氢能企业更好的发展土壤。
2)广东省:佛山(云浮)产业转移工业园
佛山(云浮)产业转移工业园是中国较早布局氢能产业的工业园区之一,整合构筑了领先全国的氢能产业体系和产业集群;构建起了“研发—原材料—制氢—储氢—加氢—应用—服务配套”的氢能全产业链条。
佛山市作为中国制造业名城,为帮扶粤西北欠发达的云浮市,从2013年开始着手建设佛山(云浮)产业转移工业园。2014年底佛山对口帮扶云浮指挥部委托清华大学编制了《佛山云浮氢能产业发展战略规划》,开始了对氢能产业的超前布局。
2015年,广东国鸿氢能科技有限公司在佛山(云浮)产业转移工业园注册,以此为起点,氢能和燃料电池汽车产业链迅速进驻,逐步形成了聚集态势。
佛山(云浮)产业转移工业园一方面引进国际前沿技术进行消化吸收,带动本土企业自主研发,培育了一批氢能产业龙头企业;另一方面在上游引入制氢、储氢企业,在下游引入“广东电网综合能源示范”“新能源车推广运营”等项目企业,积极打造完整产业链闭环发展模式,在中国构建起制氢加氢、氢燃料电池及动力总成、氢能源汽车整车制造、氢能研究及产品检测等产业集群。佛山(云浮)产业转移工业园推动了中国构建有国际竞争力的氢能产业体系。
五、氢能材料发展模式:从技术引进到自主创新
引入国外先进技术,逐步发展自主创新。中国氢能及燃料电池技术起步较晚,早期行业基础薄弱,缺乏人才、技术、市场和经验,部分核心技术从零开始成本极高,限制了中国企业的竞争力。因此部分企业选择在初期对国外的先进技术进行引进,将先进技术消化吸收。同时这些企业开始自主创新,联合中国知名院校进行技术合作,推动科研成果的市场转化,形成研发合力和产业共鸣。
典型企业:国鸿氢能。国鸿氢能成立于2015年,是佛山(云浮)产业转移工业园在氢能产业布局的第一步。2016年广东国鸿氢能科技有限公司与加拿大巴拉德合资企业落户云浮市,共建氢燃料电池生产线。国鸿氢能在消化吸收和再创新的基础上建成了当时全球规模最大的燃料电池电堆生产线,确立了自身在氢能燃料电池领域的龙头地位。
在消化国外先进技术的基础上,国鸿氢能加大研发投入,开展自主创新。2017年国鸿氢能与佛山科学技术学院、佛山(云浮)产业转移工业园区共同组件新能源产业研究院,开展产学研项目合作。随后,国鸿氢能获批建立广东省氢能技术重点实验室和国家博士后科研工作站,并成为国家高新技术企业。国鸿氢能与大连化学物理研究所、上海大学、北京理工大学等高校的合作也为其研发工作提供了人才与技术支持。
经过数年的研发投入、人才队伍建设和高校产学研合作,国鸿氢能已开发出具有自主知识产权的高性能电堆和多款燃料电池系统,实现了从技术进口到自主创新的中国氢能企业发展。
六、氢能产业的关键支撑:氢能研究机构与团队
中国的氢能技术尚且不成熟,储氢、氢燃料电池等技术还有待突破。在寻求技术突破的过程中,各大高校和研究院所扮演了相当重要的角色。中科院大连物化所等研究单位为中国氢能产业奠定了技术基础;清华大学、南开大学、同济大学等科研单位在细分领域进行深入研究,完善了中国氢能研究体系。随着中国氢能产业的发展,部分产学研深度融合的研究院所纷纷涌现,如佛山(云浮)氢能产业与新材料发展研究院等。科研院所与研究团队共同支撑起了中国氢能技术的研究体系。
表8.氢能材料部分人才(来源:DeepTech)
七、氢能材料技术展望:突破成本瓶颈,推进氢能普及突破氢能关键材料瓶颈是氢能产业迅速发展的关键。
在“碳达峰、碳中和”目标的指引下,氢能作为一种清洁能源,兼具高效、可持续等诸多优点,正在逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一,是实现碳达峰、碳中和目标,深入推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系的重要一环。以储氢材料和氢燃料电池材料为代表的氢能关键材料在一定程度上决定了中国氢能产业的发展速度,是需要首先突破的技术瓶颈。
1)储氢材料:发展方向以高存储密度与高安全性为主,储氢材料是破局关键。氢的储存与运输是氢能利用的关键一环,决定了氢能能否得到大规模应用。高压气态储氢是目前最为成熟的储氢方式,目前的发展方向以高强度碳纤维储氢瓶为主;低温液态储氢主要用于军工领域,民用难以普及;有机液态储氢和固态储氢技术在应用前还需要技术上的突破。储氢材料的研发方向应从以下几个方向入手:1. 原料易得成本低廉、能够工业化制备、2. 向低密度材料努力,进一步提高材料储氢密度。
2)氢燃料电池材料:成本和寿命瓶颈限制了氢能的普及使用,因此低铂、超低铂或非铂催化剂是研究重点;质子交换膜层面,为了提升燃料电池性能,质子交换膜呈现超薄化趋势。还需要对各层间界面结构进行优化设计,降低燃料电池中的催化剂团聚、流失现象,减少恶劣工况对燃料电池耐久性的影响。超薄化质子交换膜可以降低质子传输阻抗、提升自增湿能力,对燃料电池性能提升明显,是发展趋势所在。
八、氢能材料产业展望:产业集群初步形成,政策引导下中国氢能材料未来可期
从产业层面来看:1)四大产业集聚区逐渐形成,氢能材料产业蓬勃发展。截至2022年3月,中国现存氢能相关企业约2200家,初步形成了长三角、珠三角、环渤海和川渝鄂四个产业集聚区,带动了区域氢能产业布局。
2)各地因地制宜发展氢能燃料电池汽车产业集群,促进全产业链发展。长三角区域以上海为中心,依托当地汽车产业集群基础,建立了较为完善的氢燃料电池产业链;珠三角区域布局较早,积极引入国外技术,消化吸收带动中国企业成长,全产业链逐步完成,在物流运输、城市交通等方面初步实现规模化应用;环渤海以北京为中心,冬奥会为契机,依托强大科研院所资源,推动加氢站及氢燃料电池产业发展;川渝鄂区域形成了较为完整的产学研用发展体系,依托当地丰富水电、天然气资源,推动氢能产业链发展。
3)顶层设计持续推进,国家政策引导氢能材料产业健康发展。2022年国家发改委、国家能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》,为氢能发展带来了顶层设计,使氢能产业发展有了更为明确的方向和节奏。随后中国各地纷纷制定氢能产业的中长期发展规划和扶持政策。氢能产业扶持政策形成了中央-地方的立体架构,氢能产业迎来加速期。
本文作者:材料委天津院
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