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我的報(bào)告題目是“我國(guó)重要?dú)淠軆?chǔ)運(yùn)裝備技術(shù)進(jìn)展”，主要包括三個(gè)部分。第一部分是國(guó)家行業(yè)需求。去年總書記向全世界莊嚴(yán)承諾30、60碳達(dá)峰碳中和的宏偉目標(biāo)以來(lái)，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(huì)能源利用的總體趨勢(shì)就是一個(gè)“去碳加氫”的過(guò)程：最早是燒煤、燒柴;后來(lái)我們用石油，石油主要是碳?xì)浠衔铮己亢芨?然后是天然氣，從分子式上看一個(gè)碳四個(gè)氫;將來(lái)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(guó)都制定了在2040年普遍利用氫能的方案，我國(guó)在2016年也發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2050年要實(shí)現(xiàn)氫能和燃料電池普及應(yīng)用。實(shí)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(dá)國(guó)家大概能用到20%就很不錯(cuò)了，我們國(guó)家大概用到10%左右。

在這些政策支持下，日本、美國(guó)等紛紛開(kāi)發(fā)氫燃料電池汽車，利用氫氣作為燃料來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛。韓國(guó)現(xiàn)代、日本豐田、本田、德國(guó)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(guó)家這幾年全國(guó)各地也掀起了一股氫能源的熱潮，主要應(yīng)用場(chǎng)景是新能源汽車，在長(zhǎng)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(gè)人認(rèn)為，氫能源實(shí)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(guó)3D打印、機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)以往的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來(lái)看，雖然做了很多工作，但是對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)實(shí)際得利卻未達(dá)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(chǎng)需求與技術(shù)成熟度，做好統(tǒng)籌謀劃。事實(shí)上，國(guó)外也開(kāi)展了其他氫動(dòng)力裝備方面的高端應(yīng)用研究，比如說(shuō)液氫驅(qū)動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備把液氫用在飛機(jī)上?？偟膩?lái)說(shuō)，在氫能應(yīng)用領(lǐng)域，我們國(guó)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(dòng)汽車、插電混動(dòng)汽車、燃料電池汽車為三縱，布局整車技術(shù)創(chuàng)新鏈。我覺(jué)得國(guó)家很重要的一個(gè)安排是，把研究的重點(diǎn)放在氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)上，包括開(kāi)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(chǔ)運(yùn)技術(shù)示范應(yīng)用，探索建設(shè)氫燃料運(yùn)輸管道。

我今天的報(bào)告主要圍繞氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈展開(kāi)。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括氫的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、終端利用等環(huán)節(jié)。對(duì)于制氫環(huán)節(jié)，目前國(guó)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(kāi)展過(guò)一些;至于電解水制氫路線，因?yàn)闅浔旧硎嵌文茉矗l(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(jì)性還要考量對(duì)一次能源的消耗量;但是從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，氫氣儲(chǔ)存、輸送和終端利用方面目前還有很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，主要涉及到關(guān)鍵裝備的本質(zhì)安全問(wèn)題。所以我今天主要把這個(gè)問(wèn)題跟大家匯報(bào)一下。

首先介紹幾個(gè)基本概念。氫能源汽車?yán)萌剂想姵匕l(fā)電，其關(guān)鍵裝備除了燃料電池堆之外，主要是高壓儲(chǔ)氫瓶及瓶口組合閥、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵等。對(duì)于加氫站來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵裝備主要是高壓氫壓機(jī)、儲(chǔ)氫容器、加氫設(shè)備等。這些氫能儲(chǔ)存、輸送、加注環(huán)節(jié)的通用機(jī)械裝備是我們主要關(guān)注的研究對(duì)象。這里面，儲(chǔ)氫氣瓶一般有四種型式：Ⅰ型瓶是全鋼制，主要缺點(diǎn)是重，用于車載不太合適，放在加氫站作為固定式儲(chǔ)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(duì)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(guó)外的主流技術(shù)路線。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)也曾經(jīng)開(kāi)展過(guò)Ⅳ型壓縮天然氣氣瓶的研究與應(yīng)用，但由于當(dāng)初設(shè)計(jì)制造及檢測(cè)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(lái)說(shuō)，Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶依然是一個(gè)“卡脖子”問(wèn)題。

目前氫能儲(chǔ)運(yùn)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(chǔ)氫等。不管何種方式，一旦控制不好，有可能會(huì)引發(fā)爆炸事故。近年來(lái)全世界發(fā)生了一些氫能裝備相關(guān)的爆炸事故，中國(guó)也也有，在上海和某地的石化廠。2019年我國(guó)某企業(yè)制造的加氫站儲(chǔ)氫容器水壓試驗(yàn)期間發(fā)展開(kāi)裂爆炸。同樣的儲(chǔ)氫裝備在廣東省大概有60臺(tái)仍然在使用，所以當(dāng)時(shí)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(lái)我們調(diào)查，事故原因主要是由于設(shè)備在加工過(guò)程存在質(zhì)量問(wèn)題，跟在役使用沒(méi)有關(guān)系，才虛驚一場(chǎng)。

氫能裝備使用過(guò)程中，首先碰到的一個(gè)問(wèn)題就是，服役期間設(shè)備會(huì)發(fā)生什么樣的變化。金屬材料在臨氫環(huán)境下長(zhǎng)期使用會(huì)發(fā)生氫脆現(xiàn)象，這是大家都認(rèn)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(zhǎng)期使用會(huì)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(jì)制造與使用維護(hù)方面的研究工作加以預(yù)防控制。

對(duì)于常溫高壓儲(chǔ)氫設(shè)備來(lái)說(shuō)，已有試驗(yàn)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(huì)不會(huì)有這些問(wèn)題，目前還在研究。但是考慮到即使美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在應(yīng)用氫能裝備過(guò)程也都發(fā)生了安全事故，這個(gè)方面依然是很令人關(guān)注的事項(xiàng)。

液氫儲(chǔ)運(yùn)裝備一般采用水瓶膽結(jié)構(gòu)，主要問(wèn)題是低溫脆性斷裂和絕熱失效。

常溫高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前的主流技術(shù)路線，包括幾種型式。對(duì)于加氫站固定式儲(chǔ)存來(lái)說(shuō)，應(yīng)該說(shuō)不存在重量問(wèn)題。當(dāng)采用鋼制儲(chǔ)氫瓶組時(shí)，國(guó)內(nèi)目前能最高做到45MPa;當(dāng)采用扁平鋼帶錯(cuò)繞容器時(shí)，浙江大學(xué)最高做到98MPa、1m3;當(dāng)采用單層鋼制容器時(shí)，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(guó)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(jī)。國(guó)內(nèi)目前能做到45MPa，產(chǎn)品性能與國(guó)外有較大差異;90MPa壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)國(guó)內(nèi)尚未掌握，但已啟動(dòng)國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)工作。

在高壓氫氣公路運(yùn)輸環(huán)節(jié)，主要采用管束集裝箱或長(zhǎng)管拖車，這方面我國(guó)與國(guó)外差距很大。國(guó)外采用大容量Ⅳ型管束瓶，儲(chǔ)氫密度比較高、最高到5.1wt%。我們國(guó)家尚沒(méi)有開(kāi)發(fā)出大容量Ⅳ型管束瓶，只能用Ⅰ型瓶和Ⅱ型瓶，儲(chǔ)氫密度最高只有2.3wt%左右，最大儲(chǔ)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(guó)、歐盟等研究表明，在天然氣輸送管道里面摻氫15~20%對(duì)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有顯著影響。天然氣摻氫輸送對(duì)于碳中和碳達(dá)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(jìn)一步分離提純;天然氣伴輸氫直接用于其他場(chǎng)合燃燒利用的話，對(duì)于降低碳排放是有好處的。

在車載高壓儲(chǔ)氫方面，國(guó)外已經(jīng)研制出70MPa以上Ⅳ型瓶及瓶口組合閥。國(guó)內(nèi)主要以35MPa Ⅲ型瓶為主，近期開(kāi)發(fā)出70MPa Ⅲ型瓶，70MPa以上Ⅳ型瓶設(shè)計(jì)制造技術(shù)尚未完全掌握;國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出35MPa瓶口組合閥，但產(chǎn)品可靠性相比國(guó)外仍有差距，目前70MPa瓶口組合閥仍依賴進(jìn)口。

另外，像飛機(jī)試航一樣的，所有氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備如果想上車使用的話一定要通過(guò)性能評(píng)價(jià)考核試驗(yàn)。性能評(píng)價(jià)考核試驗(yàn)是非常嚴(yán)格的一系列試驗(yàn)，其中難度最大的一項(xiàng)是氫氣循環(huán)疲勞測(cè)試，即采用氫氣循環(huán)試驗(yàn)來(lái)測(cè)試溫度、壓力波動(dòng)下裝備的安全性。這個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(cè)試系統(tǒng)，最高試驗(yàn)壓力達(dá)到140MPa。自此，中國(guó)的氣瓶就不用在國(guó)外進(jìn)行試驗(yàn)了，國(guó)內(nèi)自己可以試驗(yàn)。同時(shí)，我們國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)裝置也承擔(dān)了日本豐田、德國(guó)萊茵等國(guó)外測(cè)試任務(wù)。這部分工作也得到國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局的大力支持。

在車用燃料電池空壓機(jī)方面，國(guó)外研究的比較多，中國(guó)現(xiàn)在也能做，主要差距是在噪聲控制等方面。這個(gè)車用空壓機(jī)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(gè)泵現(xiàn)在國(guó)內(nèi)還不能自主設(shè)計(jì)制造，完全依賴于進(jìn)口。

在深冷液氫儲(chǔ)運(yùn)裝備方面，應(yīng)該說(shuō)固定式深冷儲(chǔ)罐這塊問(wèn)題不是太大，以往應(yīng)用場(chǎng)景主要是航空航天領(lǐng)域。美國(guó)NASA目前可以做到最大3500立方米，中國(guó)做到了300立方米，事實(shí)上如果國(guó)內(nèi)研發(fā)更大容積的液氫儲(chǔ)罐也是可以辦到的，我覺(jué)得屬于短板問(wèn)題。在公路或鐵路運(yùn)輸槽車方面，俄羅斯等已研發(fā)出100m立方米液氫鐵路槽車，國(guó)內(nèi)目前做到40m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(guó)內(nèi)都不能自主設(shè)計(jì)制造。一種泵是壓力比較低、流量比較大，用于將液氫裝入儲(chǔ)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(jī)。事實(shí)上，目前國(guó)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(diǎn)問(wèn)題。

在深冷+常壓儲(chǔ)氫方面，德國(guó)林德等研制110~150L液氫瓶，用于乘用車;國(guó)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(chǔ)氫方面，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了第三代產(chǎn)品，是一種先進(jìn)的儲(chǔ)氫技術(shù)方案，具有很好的應(yīng)用前景。

盡管我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但在氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備方面還存在諸多不足：例如50MPa以上超大容積固定式儲(chǔ)氫容器、90MPa級(jí)氫氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造還有短板;抗氫氣高速?zèng)_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(wèn)題;70MPa車載Ⅳ型儲(chǔ)氫氣瓶、50MPa大容量管束集裝箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)還未完全掌握，等等。

最后我想講，預(yù)計(jì)到2050年氫能在我國(guó)能源消費(fèi)體系的占比最多達(dá)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(jǐn)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(guó)內(nèi)院所、高校、企業(yè)要堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向、協(xié)同攻關(guān)，推動(dòng)創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)安全可控，支撐我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

(本文為3月27日中國(guó)工程院院士陳學(xué)東在“2021中國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)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”上的演講)
 
原標(biāo)題：中國(guó)工程院院士陳學(xué)東：發(fā)展燃料電池汽車切不可蜂擁而上，要有所為、有所不為