謝和平院士團隊開創海水原位直接電解制氫全新路徑，破解該領域半世紀難題

2022-12-01 來源：中國發展網 瀏覽數：1586

11月30日，謝和平院士與他指導的深圳大學/四川大學博士生團隊在《Nature》上發表了題為“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”的研究成果。該研究首次從物理力學與電化學相結合的全新思路，建立了相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術，另辟蹊徑，徹底隔絕海水離子同時實現了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術突破（即把海水當純凈水用，在海水里直接原位電解制氫），破解了海水直接電解

 中國發展網訊 11月30日，謝和平院士與他指導的深圳大學/四川大學博士生團隊在《Nature》上發表了題為“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”的研究成果。該研究首次從物理力學與電化學相結合的全新思路，建立了相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術，另辟蹊徑，徹底隔絕海水離子同時實現了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術突破（即把海水當純凈水用，在海水里直接原位電解制氫），破解了海水直接電解制氫半世紀難題，可望形成中國原創的“海洋綠氫”全球新興戰略產業！正如《Nature》評審專家所評述：“很少有論文能夠令人信服地從海水中實現規模化穩定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點。他們完美的解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領域的問題，將打開低成本燃料生產的大門，有望推動變革走向更可持續的世界！”

綠色零碳氫能是未來能源發展的重要方向，隨著氫能爆發式增長，預計到2060年，我國氫氣年需求量將達1.3億噸，屆時每年需要消耗約11.7億噸電解用純水。然而，淡水資源緊缺將嚴重制約“綠氫”技術的發展。海洋是地球上最大的氫礦，向大海要水是未來氫能發展的重要方向！但復雜的海水成分（約92種化學元素）導致海水制氫面臨諸多難題與挑戰。先淡化后制氫是當前最成熟的海水制氫技術路徑，目前已在全球多國開展規模化示范工程項目。但該類技術嚴重依賴大規模淡化設備，工藝流程復雜且占用大量土地資源，進一步推高了制氫成本與工程建設難度。上世紀70年代初有科學家提出了海水可否直接電解制氫呢？這半個世紀以來，美國斯坦福大學、法國國家科學研究中心、澳大利亞阿德萊德大學、中國科學院等國內外知名研究團隊通過催化劑工程、膜材料科學等手段進行了大量探索研究，旨在破解海水直接電解制氫面臨的析氯副反應、鈣鎂沉淀、催化劑失活等難題。然而，迄今為止，未有突破性的理論與原理徹底避免海水復雜組分對電解制氫的影響，可規模化的高效穩定海水直接電解制氫原理與技術仍是世界空白！

謝和平院士提出了從物理力學與電化學相結合的全新思路破解海水直接電解制氫面臨的難題與挑戰，從而創造性地開創了海水無淡化原位直接電解制氫新原理與技術。通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學過程與電化學反應巧妙結合，建立了相變遷移驅動的海水直接電解制氫理論模型，揭示了微米級氣隙通路下界面壓力差對海水自發相變傳質的影響機制，形成了電化學反應協同海水遷移的動態自調節穩定電解制氫方法，破解了有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領域的半世紀難題（已申請專利：CN2021110197054；CN114481164A；CN2022110704439；CN2022110748884；PCT/CN2022/128225）。與此同時，研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術與裝備，在深圳灣海水中連續運行超3200小時，令人信服的從海水中實現了穩定和規模化制氫過程！此外，進一步開發了酸性和堿性固態凝膠電解質，以表明相變遷移策略適配不同電解質材料并有望伴隨PEM和AEM電解技術迭代發展。同時，該原理技術可探索推廣到多元化水資源（如河水、廢水、鹽湖等）直接原位制氫，為資源富集濃縮與能源生產提供多效利用新思路。正如《Nature》審稿人對該研究給予的高度評價：“這項工作提供了一種有吸引力的策略，可以將非飲用水用于社會和生態中可持續燃料的生產，我認為這是一個重大突破！”

“海水無淡化原位直接電解制氫”融匯多學科理論，是我國自主研發的原創性原理與技術突破，開辟了全球海水制氫的全新路徑；該技術可集“海上風電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產”為一體，可望形成無淡化、無額外催化劑工程、無海水輸運、無污染處理的原位海水直接電解制氫全新模式，真正意義上將取之不盡的“海水資源”轉化為“海水能源”！該技術未來可構建與海上可再生能源相結合的一體化原位海水制氫工廠，有望成為深遠海可再生電力大規模開發的破局關鍵，加速推進形成多能互補的中國原創“海洋綠氫”全球新興戰略產業！

論文直接鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫原理

海水無淡化原位直接電解制氫規模化技術裝備及穩定性

根據《國務院關于改進加強中央財政科研項目和資金管理的若干意見》（國發〔2014〕11號）、《國務院關于深化中央財政科技計劃（專項、基金等）管理改革方案的通知》（國發〔2014〕64號）和《財政部科技部關于印發<國家重點研發計劃資金管理辦法>的通知》（財教〔2021〕178號）等文件要求，現對“氫能技術”重點專項2022年度擬立項項目信息進行公示。

上述各項目研究內容和考核指標如下：

1.氫能綠色制取與規模轉存體系

1.1 兆瓦級電解水制氫質子交換膜電解堆技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對風電/谷電等對高彈性、大功率電解制氫系統的需求，開展寬功率適應性的高產氣量電解水制氫質子交換膜（PEM）電解堆及支持系統技術研究。具體包括：低貴金屬、高穩定性膜電極制備技術研究，高均一性雙極板設計及制備技術研究，高導電、高耐蝕、低流阻多孔擴散層設計與制備技術研究，大面積單池內部機械應力均衡與封裝技術研究，開展單池間結構與過程偏差敏感度分析與實驗驗證，設計并試制兆瓦級PEM電解堆，開展衰減、失效成因研究與可靠性、耐久性驗證。

考核指標：兆瓦級PEM電解堆，額定輸入功率≥1兆瓦，產氫速率≥220標準立方米氫氣/小時，直流電耗≤48千瓦時/千克氫氣，輸入功率可在5%~150%波動，在60℃且1安培/平方厘米的電流密度工作條件下滿足單池電壓≤1.85V且各單池之間電壓偏差≤50毫伏，在額定輸入電流處連續運行3000小時后滿足單池電壓衰變率≤30微伏/小時、堆內單池電壓極差≤60毫伏。其中，電解堆使用的膜電極活性面積≥0.3平方米，貴金屬總用量≤1.0毫克/平方厘米。

1.2 電解水制高壓氫電解堆及系統關鍵技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對電解水制氫注入管道輸送的增壓效率提升需求，突破電解水制高壓氫直接注入輸氫管道的質子交換膜（PEM）電解堆及系統裝備關鍵技術。具體包括：研究高壓力操作對電解堆性能及安全性的影響規律；研究耐高壓、低氫氧滲透及高電導率膜結構設計及制備工藝；研究高導電、高耐蝕雙極板材料與結構設計技術；研究高耐壓密封結構與材料，研制高壓操作PEM電解堆；研究高壓水氣分離與回水安全控制技術，研制全自動電解水制高壓氫系統裝備。

考核指標：高氣壓PEM電解堆額定輸入功率≥10千瓦，產氣壓力≥15兆帕，壓差耐受≥3兆帕，排出氧氣中氫含量≤1.5%，單池電壓2.0伏下電解堆的電流密度≥1.0安培/平方厘米，輸入功率允許波動范圍20%~100%；全自動電解水制高壓氫系統裝備，壓力控制精度優于1%，壓差控制精度優于2.5%，氫氣純度不小于99.99%，氧含量不大于80ppm，全系統完成1000小時的運行試驗驗證。其中，電解堆和系統使用的PEM膜電極中銥載量≤1毫克/平方厘米，鉑載量≤0.2毫克/平方厘米，極板貴金屬總量≤0.3毫克/平方厘米。

1.3 固體氧化物電解水蒸汽制氫系統與電解堆技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對固體氧化物電解水蒸汽制氫（SOEC）技術實用化問題，研究大功率固體氧化物電解制氫電解堆與系統集成技術。具體包括：大面積、高強度的超薄電解質設計與制備技術；高活性、長壽命電極設計與制備技術；電解池電連接、串接密封及其成堆技術；電解堆模組流場和熱控設計與集成技術；水熱等運行條件對電解堆性能影響規律、優化運行策略及SOEC系統集成技術。

考核指標：固體氧化物電解水蒸汽制氫系統，功率≥50千瓦，電解電流密度在電解電壓為1.3伏且溫度不高于800℃的條件下≥0.8安培/平方厘米，水蒸氣轉化率≥70%，電解效率≥90%，直流能耗≤3.5千瓦時/標準立方米氫氣，連續運行時間≥2000小時，衰減率≤3%/千小時，10次冷熱循環衰減≤2%，預期壽命優于20000小時，其中，單熱區電解堆模組功率≥20千瓦，單電解堆功率≥3.5千瓦，電極有效面積≥100平方厘米，電解質面比電阻（ASR）≤0.20歐姆·平方厘米。基于超薄電解質的電解單池在不高于800℃、電解電壓為1.3伏條件下，電解電流密度≥2安培/平方厘米。

1.4 質子交換膜電解水制氫測試診斷技術與設備研發(共性關鍵技術類)

研究內容：針對大規模質子交換膜（PEM）電解制氫技術發展和應用中面臨的測試、診斷關鍵設備缺失等問題，開展大功率的PEM電解水制氫電解堆測試診斷技術研究與設備開發。具體包括：研究適用于PEM電解水制氫系統優化運行的多參量傳感與高精度量測技術；氣體泄漏快速檢測、精準定位與安全防護技術；適應多測試工況的電解電源與調控技術；研究PEM電解堆狀態信息提取與診斷評估技術；研制PEM電解單電池、電解堆和系統的性能及壽命綜合測試平臺。

考核指標：PEM電解單電池、電解堆和系統的性能及壽命綜合測試平臺的測試功率≥1兆瓦，最大測試電流≥6000安培，測試范圍寬于10%~100%，具備在線交流阻抗譜測試能力且阻抗測量精度優于1%，具備陰陽極獨立背壓調節功能且氫氧壓力差控制精度優于0.05兆帕、背壓壓力≥5兆帕，控溫范圍在25℃~90℃，控溫精度優于1℃，在全測試范圍內流量、電壓、電流等參量測量精度優于0.2%且控制精度優于1%，氫泄漏定位精度優于1厘米，氧中氫含量測量精度優于0.1%，響應時間≤100毫秒；提出質子交換膜電解電堆壽命評估方法，評估誤差≤10%。

1.5 分布式氨分解制氫技術與灌裝母站集成(共性關鍵技術類)

研究內容：針對加氫站或加氫母站氨分解制氫面臨的反應溫度高、分離難等問題，開展分布式氨分解制氫關鍵技術研究與示范驗證。具體包括：高效氨分解催化劑材料的篩選、構造與規模化制備技術研究；高性能氨吸附劑材料開發及氨脫除工藝研究；高性能氫氣純化膜材料開發及規模化制備技術研究；現場液氨存儲、分解制氫、純化增壓、灌裝長管拖車、加注燃料電池汽車等一體化系統設計與集成管控技術。

考核指標：加氫母站用氨分解制氫裝備的產氫速率≥400標準立方米/小時，反應溫度≤480℃，氨轉化率≥99.5%，獲得的氫氣純度≥99.99%、氨濃度≤千萬分之一、其他雜質含量要求執行GB/T37244-2018標準；氫氣制備成本≤7元/公斤（到站氨成本不計入），裝置設計壽命≥10年，啟動時間≤2小時；分解后氮氣尾排中氨氣的濃度控制范圍≤10ppm；裝備穩定運行時間不少于3000小時。

1.6 高溫質子導體電解制氫技術(基礎研究類)

研究內容：針對高溫質子導體電解制氫技術的實用化需求，開展高溫質子導體固體氧化物電解制氫材料、機理等基礎研究，具體包括：高電化學活性和穩定性的空氣極材料與制備技術；高質子電導率固體氧化物電解質的制備和電解質薄膜燒結工藝；大面積電解池的制備與界面精確調控技術；電解堆連接、密封與成堆關鍵技術；電解池界面元素遷移、微觀結構演變規律與性能衰減機制。

考核指標：研制出千瓦級高溫質子導體型電解堆，運行溫度≤650℃，產氫率≥0.4標準立方米/小時、能耗≤3.5千瓦時/標準立方米，運行電流密度≥0.5安培/平方厘米，連續運行時間不少于1000小時，每1000小時的平均衰退率≤3%，室溫至工作溫度的熱循環≥3次。其中，單體電解池有效面積≥80平方厘米，1.3V穩態制氫≥3000小時（實測），每1000小時的平均衰退率≤2%；陽極對稱電池測試（水蒸汽含量≥20%）500小時后在650℃下面比電阻（ASR）≤0.1歐姆·平方厘米，10次循環平均衰減率≤1%/次；質子導體電解質在650℃下的質子導電率≥0.01西門子/厘米。

1.7 新型中低溫固體電解質氨電化學合成與轉化技術(基礎研究類)

研究內容：針對固體電解質氨電化學合成與轉化效率低的問題，開展兼具氨合成與轉化功能的新型中低溫電解質材料與電化學器件前沿研究。具體包括：中低溫條件下具有高質子電導率的新型電解質材料及其制備技術；中低溫條件下高效穩定的氨轉化與合成催化劑；氨/氫電化學反應競爭機理與氨反應選擇性強化方法；電解質和催化劑的匹配技術及界面調控方法；研發基于中低溫電解質的高效氨電化學轉化器件。

考核指標：電化學合成氨的驗證性電堆功率≥500瓦，穩定運行時間≥1000小時，運行溫度≤400℃，每平方米電池的電化學合成氨產率≥0.1摩爾/小時，法拉第效率≥80%；固體電解質直接氨燃料電堆功率≥500瓦，穩定運行時間≥1000小時，運行溫度≤400℃，使用的單池峰值功率密度≥0.1瓦/平方厘米，氨轉化效率≥95%；電解質相對質量密度≥90%。

1.8 耦合高附加值氧化產物的電解水制氫技術(基礎研究類，青年科學家項目)

研究內容：針對提升可再生能源電解水制氫系統運行經濟性的重大需求，開展電解水制氫耦合陽極選擇性氧化制取大宗（市場需求千萬噸以上）、高附加值含氧化學品（如環氧乙烷、乙酸等）技術研究。具體包括：探索陽極氧化過程中有機分子高選擇性轉化機理，結合理論分析、開發出高性能催化材料；改進電極結構，強化多相反應界面傳質，減少極化；以低值有機資源為原料，通過電化學選擇性氧化制備易分離的高附加值化學品；開發陰極產氫耦合陽極選擇性氧化電解裝置，完成大電流類工業反應環境中的穩定性和能耗驗證。

考核指標：開發出不小于1千瓦的電解制氫耦合高附加值氧產物的原型器件，貴金屬催化劑用量≤1毫克/平方厘米、質量比活性≥1安培/毫克，制氫電耗≤3.5千瓦時/標準立方米氫氣；在電流密度≥100毫安/平方厘米的條件下陽極選擇性氧化法拉第效率≥90%、陰極制氫法拉第效率≥99%且氫氣純度≥99.9%，穩定連續運行時間超過1000小時。

2.氫能安全存儲與快速輸配體系

2.1 液氫加氫站關鍵裝備研制與安全性研究(共性關鍵技術類)

研究內容：基于商用液氫增壓氣化加氫站的大容量、高效及安全加注需求，突破關鍵裝備、核心零部件的制備技術，解決液氫站運行的氫安全問題。具體內容包括：研制液氫高壓泵；建立液氫加注過程熱力學和動力學模型，研究液氫氣化過程高效傳熱特性，研制高壓液氫氣化器；開展液氫增壓氣化加注的液氫加氫站試驗驗證，形成液氫加氫站安全預警和完整性技術。

考核指標：研制液氫高壓泵、液氫增壓氣化器等關鍵裝備。其中，高壓泵在80兆帕條件下，流量≥60千克/小時；高壓液氫氣化器設計壓力≥100兆帕，滿足安全預警的國家/行業規范要求，常溫下爆破試驗壓力不低于2倍設計壓力，且理論預測誤差≤15%；氣化器調溫組件出口溫度≥零下40℃；開發高壓液氫氣化器設計仿真軟件，傳熱量預測偏差≤15%。研發液氫增壓氣化加氫站，并對所研制的液氫高壓泵和氣化器進行實驗驗證。其中，加氫站設計總加氫量≥2000千克/日，全站整體峰值耗電功率≤150千瓦；加氫機額定加注壓力≥70兆帕，最大加注速度≥7.2千克/分鐘，使用溫度滿足零下40℃~零上85℃；形成液氫加氫站安全預警、完整性管理行業/國家規范或標準（草案）1~2項。

2.2 液氫轉注、輸運和長期高密度存儲技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對大規模液氫轉運和長期存儲過程中的經濟性和安全性需求，開展液氫高效轉注、輸運過程絕熱與安全性評價研究，具體內容包括：液氫儲罐充裝和灌注過程中熱管理與安全技術；大流量低閃蒸液氫輸送泵；液氫轉注管道低溫絕熱技術；液氫槽罐低溫絕熱技術，研制低蒸發率的運輸用液氫槽罐和固定式液氫加注站用液氫儲罐；研制液氫轉注成套設備，開展液氫儲罐充裝和灌注試驗驗證，形成操作規程。

考核指標：液氫泵，流量≥20立方米/小時，揚程≥100米，效率≥70%；液氫轉注低溫管道，使用壓力0.6兆帕，長度≥20米，液氫溫區漏熱率≤2瓦/米（管路內徑≥80毫米），使用壽命≥5年；液氫轉注過程的熱力學仿真軟件，蒸發率預測偏差≤15%；儲氫罐低溫絕熱材料選型及絕熱性能設計仿真軟件，漏熱量預測偏差≤15%；液氫運輸槽罐，容積≥50立方米，液氫靜態日蒸發率≤0.7%，維持時間≥20天，真空壽命≥5年；站用液氫儲罐，容積≥30立方米，液氫靜態日蒸發率≤0.5%；完成液氫儲罐充裝和灌注試驗驗證，形成相關行業/國家規范或標準（草案）2項。

2.3 高可靠性高壓儲氫壓力容器的設計制造技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對制氫工廠、加氫母站的高安全、高密度、低成本氫氣儲存重大需求，開展大容量高壓儲氫壓力容器可靠性設計制造技術研究。具體內容包括：超高強度、高韌性壓力容器用鋼的氫相容性試驗與評價、材料成分組織及性能調控技術；鋼質儲氫壓力容器基于風險與壽命的設計技術、低泄漏率高壓密封技術；大壁厚鋼質儲氫壓力容器高可靠性建造技術；大容積大壁厚儲氫壓力容器缺陷無損檢測與安全評估技術。

考核指標：研制出25兆帕以上鋼質儲氫壓力容器，單罐儲氫容量≥700千克氫氣，泄漏率≤10-7（帕·立方米）/秒（檢測方式：GB/T15823-2009標準），并進行工程示范應用；開發出超高強度、高韌性、可焊接鋼板材料，抗拉強度≥800兆帕、零下40℃時的沖擊吸收能量≥100焦耳；開發出與鋼板配套的鍛件和焊接材料，達到焊縫和鋼板在高壓氫氣環境下具有同等性能；形成大容積鋼質高壓儲氫壓力容器材料開發、結構設計、制造工藝控制、缺陷無損檢測與安全評估等新技術方法不少于10項，儲氫容器焊縫內表面裂紋深度檢測靈敏度小于等于0.5毫米，焊縫內部體積性缺陷檢測靈敏度小于等于直徑0.5毫米；制修訂相關技術標準（送審稿）2項。

2.4 基于液態載體的可逆儲放氫關鍵材料與應用技術(基礎研究類，青年科學家項目)

研究內容：為利用現有液態燃油輸送管道或運輸車輛，實現高效、安全和大規模氫運輸，達到降低氫儲運成本的目的，研發可循環的高密度液態載體的儲放氫技術。具體內容包括：新型高密度無機液態或有機液態、漿態儲氫載體的規模制備技術；釋放氫氣中雜質的抑制/過濾方法；高效脫/加氫催化劑的研制；基于液態載體的移動式儲氫系統的儲放氫工藝控制技術及試驗驗證。

考核指標：液態載體儲氫系統的可循環儲氫密度按質量計≥5.5%，儲氫壓力≤1兆帕，液態載體經200次循環的利用效率≥80%；在站制氫反應器工作溫度≤250℃，儲氫和放氫速率均≥3克/分鐘，單次循環制氫量≥600克氫氣，出口端氫氣純度按質量計≥99.99%；儲氫和放氫用催化劑能穩定運行≥200次循環；掌握儲放氫過程中儲氫系統的質能傳遞特性，并提出高密度儲氫裝置的氫—熱耦合設計方法。

2.5 基于固態新材料的可逆儲放氫技術(基礎研究類，青年科學家項目)

研究內容：針對高效、高安全和大規模氫儲運的需求，探索固態儲氫新材料/新體系及其儲放氫技術。具體內容包括：新型金屬有機骨架（MOFs）、共價有機骨架（COFs）、層狀結構化合物等高密度儲氫材料及其規模制備技術；不低于液氮溫度下的儲氫熱力學與動力學性能及儲放氫機制；建立儲氫性能的理論預測模型；釋放氫氣中雜質的種類、含量和抑制/過濾方法。

考核指標：研制可逆固態儲氫新材料/新體系及其儲氫裝置，實現百克級/批次的材料制備，儲氫裝置在不低于液氮溫度下的儲氫密度按質量計≥7%，儲氫壓力≤10兆帕，釋放的氫氣純度按質量計≥99.99%，200次循環利用效率≥90%；儲氫性能理論預測數值與實驗數值的偏差率≤10%。

2.6 加氫站用新型氫壓機核心理論及關鍵技術技術(基礎研究類，青年科學家項目)

研究內容：為實現管網及液氫供給場景下加氫站內高效、安全、緊湊的氫氣增壓工藝，降低增壓成本，圍繞新型離子液體氫氣壓縮機核心理論及關鍵技術展開研究。具體內容包括：離子液體熱物理特性、離子液體與氫氣相互作用機理、氣—液界面形態演變規律研究；離子液體—氫氣兩相增壓過程微觀熱力特性及宏觀工作過程研究；高效離子液體分離特性及裝置設計技術；離子液體壓縮機能量匹配策略及整機設計技術；離子液體壓縮機關鍵部件及整機研發。通過本項目研制滿足70兆帕加氫站需求的離子液體氫氣壓縮機。

考核指標：建立離子液體壓縮機壓縮過程熱力學和動力學模型，全工況范圍內效率平均預測誤差≤5%，最大預測誤差≤10%；構建離子液體壓縮機設計方法，研制離子液體壓縮機原理樣機：排氣壓力≥90兆帕，進氣壓力≥0.5兆帕，在1兆帕處的排氣流量≥200標準立方米/小時，效率≥65%；進行穩定運行試驗≥200小時（惰性氣體介質）；研制離子液體分離器，分離效率≥88%；與離子液體壓縮機相關的標準規范不少于2項。

2.7 純氫與天然氣摻氫長輸管道輸送及應用關鍵技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對氫氣長距離、大規模安全輸送需求，重點突破高壓力純氫與天然氣摻氫管道輸送關鍵技術、形成純氫/摻氫長輸管道科技試驗平臺，增強純氫與天然氣摻氫管道輸送安全運行保障能力。具體內容包括：不同壓力等級、不同管材與焊縫對純氫/摻氫輸送的相容性，服役環境對管材及焊縫性能與損傷的影響規律，臨氫管道焊接等連接技術；天然氣管道與關鍵設備摻氫適應性，純氫/摻氫長距離管輸工藝，大流量摻氫與分離裝備；高壓純氫及摻氫管道和關鍵設備的監測檢測、動態風險評價與壽命預測方法；純氫及摻氫管道和關鍵設備的事故演化規律、完整性管理和安全防范技術；研制純氫/摻氫管道輸送應用科技試驗平臺。

考核指標：研發大流量摻氫裝備：摻混比例5%~20%，氫氣組分控制精度≤1%，研發大流量分離裝備：流量≥100標準立方米/小時，氫氣分離純度≥99.999%；開發管輸工藝、壽命預測和完整性管理軟件各1套；建成可適應于純氫/摻氫服役工況的內檢測技術裝備，裂紋檢測精度≤0.5毫米，裂紋檢出率≥90%；形成純氫/摻氫管道長距離輸送相關材料、管輸工藝、檢驗檢測、安全評價、完整性管理等國家/行業規范或標準（送審稿）不少于6項；實現純氫/摻氫管道輸送應用的科技試驗平臺：輸氣壓力≥6.3兆帕，長度≥10千米，管徑≥500毫米，可同時開展至少三類不同規格管道的測試，測試溫度范圍零下40℃~零上60℃，具備測試管路典型部位裂紋和氫泄漏在線檢測（快速定位）功能，輸氫能力≥10萬噸/年（純氫管道），摻氫比例5%~20%（摻氫管道），氣密性試驗在1.1P（設計壓力）下泄漏率≤0.3%/小時（試驗時間24小時），安全運行90天。

3.氫能便捷改質與高效動力

3.1 兆瓦級發電用質子交換膜燃料電池堆應用關鍵技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對質子交換膜燃料電池在發電領域兆瓦級應用需求，突破關鍵材料國產化、零部件和電堆批量化制造一致性和制造效率瓶頸，開展高效率、大功率質子交換膜燃料電池電堆設計、工程化制造技術研究。具體包括：面向大功率單體電堆的國產化自主材料，開發膜電極、雙極板等關鍵零部件及其工程化制造技術；研究大功率電堆結構設計、工作條件和裝配工藝對電堆效率、壽命及水熱管理的影響規律，設計具有高效燃料分配、熱管理能力和高燃料利用率電堆，適應發電等領域兆瓦級應用的高效率、大功率運行工況；研究高一致性、高效率電堆組裝集成工藝及裝備，滿足批量化制造需求，為商業化應用奠定基礎。

考核指標：質子交換膜燃料電池單體電堆功率≥1兆瓦、電效率≥60%，年產能≥200臺。其中，氣體擴散介質抗縱向彎曲模量≥10000兆帕，電導率≥1600西門子/米，接觸電阻≤5毫歐姆·平方厘米；在空氣端壓力不高于150千帕絕對壓力的情況下，膜電極在0.4安培/平方厘米電流密度處的電壓≥0.80V、額定工作點電壓衰減率在40000小時內≤10%（實際測試8000小時，性能衰減≤4%）；密封件成型精度偏差≤0.02毫米，氫氣外泄漏率每秒≤5×10-8帕·立方米；雙極板平面厚度差≤20微米，電導率≥200西門子/厘米，在200千帕氦氣檢測條件下的氣體滲透率≤0.2微升/（平方厘米·分鐘），在0.6兆帕壓力下的接觸電阻≤5毫歐姆·平方厘米；電堆最高工作溫度≥95℃，支持零下30℃低溫啟動，電堆壽命≥40000小時（實際測試10000小時，性能衰減≤5%）。

3.2 百千瓦級固體氧化物燃料電池熱電聯供系統應用關鍵技術(共性關鍵技術類)

研究內容：面向以天然氣及摻氫天然氣為燃料的大功率固體氧化物燃料電池熱電聯供系統的應用需求，針對大功率電堆批量制造、衰減過快、系統熱管理困難等問題，開展高可靠性固體氧化物電堆工程化技術與大功率系統集成研究。具體包括：高可靠、長壽命電堆及其批量生產工藝及裝備；電堆模塊化放大策略與技術；集成燃料重整器、燃燒器、換熱器和蒸發器等關鍵部件的高緊湊熱平衡系統；大功率系統集成，運行安全控制策略與在線運行優化控制方法。

考核指標：使用摻氫天然氣的固體氧化物燃料電池系統，采用摻氫濃度為0%~15%（體積分數）的天然氣作為燃料時交流輸出功率≥100千瓦，在不超過750℃運行條件下初始發電效率在0.4安培/平方厘米電流密度處≥65%（直流凈效率），熱電聯供低熱值效率≥85%，長期穩定運行時間≥3000小時（實測），測試后在750℃運行條件下發電效率在0.4安培/平方厘米電流密度處≥60%（直流凈效率），設計使用壽命≥40000小時。其中，單熱區模組功率≥25千瓦；單電堆多樣本（至少3個）在大于0.4安培/平方厘米的電流密度下長期穩定運行時間不少于4000小時（實測），每1千小時衰減率≤15毫歐姆·平方厘米、衰減率偏差≤5毫歐姆·平方厘米；年產能≥10兆瓦，成品率≥95%。

3.3 質子交換膜燃料電池與氫基內燃機混合發電系統技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對重載裝備和分布式供電設備的高效靈活電源需求，開展質子交換膜燃料電池—氫基燃料內燃機混合發電系統關鍵技術研究。具體包括：單一現場氫基燃料（氨、醇、摻氫天然氣等）的在線改質、純化與實時調控技術及現場氫源總成研制，富氫和/或純氫燃燒與循環調控技術及其內燃機研制，燃料電池系統—內燃機能量耦合機制及核心器件研制，現場氫源—燃料電池—氫內燃機全系統聯合熱力循環設計及建模仿真，發電系統各單元內部狀態識別及動態工況調控策略，燃料電池—內燃機混合動力系統結構集成設計方法。

考核指標：質子交換膜燃料電池—氫基內燃機混合發電系統，單個模塊發電額定功率≥150千瓦、總功率≥220千瓦，發電效率≥45%，0%~100%負荷響應時間≤1分鐘，連續運行≥1000小時；燃料電池—熱機混合發電系統設計仿真軟件1套，滿足質子膜燃料電池—氫內燃機混合發電系統模擬與仿真需求，模型預測燃料電池性能與實驗結果誤差≤10%。

3.4 燃料電池測試技術及關鍵零組件研制(共性關鍵技術類)

研究內容：針對長壽命燃料電池工作狀態的高精度診斷需求，開發燃料電池綜合診斷技術，突破測試用關鍵零部件及測試裝備成套技術。具體包括：燃料電池單體、電堆、系統的性能及壽命綜合測試臺；測試臺壓力、流量、溫濕度等多物理量耦合規律及高精度、快速響應加濕系統、熱管理系統；測試臺用高精度濕度傳感器、流量傳感器、質量流量控制器及背壓閥制造技術；燃料電池高低壓交流阻抗在線測試技術；大功率電子負載的電壓電流精確測量及控制技術；測試臺主控系統的工況模擬、自動流程控制、實驗數據管理、云數據服務、大數據分析等模塊集成技術。

考核指標：質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池單體測試臺功率≥100瓦，氣體質量流量控制器精度偏差≤0.6%；質子交換膜燃料電池電堆測試臺功率≥300千瓦，質量流量控制器精度優于0.5%，控溫范圍在零下40℃~零上150℃、控制精度優于±1℃；固體氧化物燃料電池電堆測試臺功率≥25千瓦，氣體質量流量控制器精度偏差≤0.5%，最高測試溫度≥1200℃、控制精度優于±3℃，具備固體氧化物電解池測試功能；質子交換膜燃料電池系統測試臺功率≥300千瓦，質量流量控制器精度偏差≤0.5%，熱管理系統控溫范圍在零下40℃~零上150℃、控制精度優于±1℃；大功率電子負載功率≥200千瓦、效率≥96%；上述測試臺的電壓及電流精度偏差≤0.5%；大功率交流阻抗在線測試裝備可覆蓋電堆與系統測試臺全功率范圍，精度偏差≤0.5%，應用≥10套。

3.5 摻氫/氨清潔高效燃燒關鍵技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對發電深度減碳與清潔供暖的需求，研究氫、氨等富氫燃料與含碳燃料摻燒的清潔高效燃燒關鍵技術。主要包括兩條技術路線：

（1）氫、氨、天然氣摻混燃氣燃燒特性、反應機理及診斷方法；富氫摻混燃料的燃燒器動態工況燃燒特性、污染物生成特性與預測模型；摻混燃料燃燒強化機制與寬范圍調節、低NOx排放燃燒器優化設計策略與高效清潔燃燒技術；基于不同摻混比例穩燃的摻氫/氨燃氣高效清潔燃燒技術及設備兼容性；摻氫和摻氨燃氣兆瓦級燃燒器工業試驗；氫、氨等富氫燃氣供暖系統模擬與能量管控平臺。

（2）氫、氨、煤摻混燃料的多相混合、多場耦合燃燒特性與反應機理；富氫摻混燃料的氣固兩相燃燒器穩燃特性與操作參數優化、污染物生成特性及預測模型；氣固兩相摻混燃料燃燒強化機制、低NOx排放燃燒器改進設計策略與高效清潔燃燒工藝包；基于不同摻混比例、摻混方式的摻氫、氨燃煤高效清潔燃燒技術及設備兼容性；摻氫、氨燃煤燃燒技術在大容量鍋爐的工程驗證。

考核指標：兩條技術路線分別對應以下考核指標，

（1）兆瓦級摻氫、摻氨燃氣燃燒器，熱負荷≥1.0兆瓦，在尾氣中3.5%氧氣濃度條件下、當最高摻氫比例不低于70%時燃燒器出口NOx排放≤50毫克/標準立方米，在尾氣中3.5%氧氣濃度條件下、當最高摻氨比例不低于30%時燃燒器出口NOx轉化率≤5%；摻氫天燃氣鍋爐驗證性工程，摻氫比≥20%，鍋爐負荷≥1.0兆瓦，NOx排放低于30毫克/標準立方米，N2O低于10毫克/標準立方米，CH4低于5毫克/標準立方米，穩定運行大于168小時；形成1~2項國家或行業標準（征求意見稿）；建立摻氫、摻氨燃料的燃燒活性中間產物及穩定產物實驗診斷方法，測量誤差≤10%；建立摻氫、摻氨燃氣燃燒生成CO、NOx、有機污染物的預測模型，預測誤差≤20%。

（2）兆瓦級摻氫/氨氣固兩相燃燒器累計運行不低于1000小時，熱負荷≥1.0兆瓦；30兆瓦級摻氫/氨氣固兩相燃燒器，熱負荷≥30兆瓦，實現氫/氨摻燒比例（熱量比）≥25%，燃燒器出口氨的NOx轉化率≤0.5%；完成蒸發量每小時600噸等級以上燃煤鍋爐工程驗證，實現摻氨比例（熱量比）5%~20%連續可調，爐膛出口氨的NOx轉化率≤0.5%，NOx排放低于50毫克/標準立方米（按6%基準氧含量折算），鍋爐尾部煙氣氨逃逸濃度≤3ppm（摩爾比），鍋爐效率≥91%，20%摻氨工況穩定運行大于168小時；建立摻氫/氨燃煤燃燒生成CO、NOx的預測模型，預測誤差≤20%。

3.6 基于固體電解質的直接氨燃料電池技術(基礎研究類，青年科學家項目)

研究內容：面向緊湊可靠耐久的氨燃料電池系統應用需求，研發高功率密度、耐冷熱循環的中溫或低溫直接氨燃料電池。具體包括：開發高性能、非鉑催化劑及可直接轉化氨的電極結構，研究電極特性對氨轉化與電極性能的影響規律；開發耐冷熱循環的電池及其低成本制備技術，研究電極與電解質特性、運行條件對電池性能、壽命與冷熱循環性能的影響規律。

考核指標：開發出活性區面積≥25平方厘米的單電池，采用純氨為燃料、在≤700℃的條件下電池峰值功率密度≥0.7瓦/平方厘米，電池耐冷熱循環次數≥30次，連續穩定運行≥500小時。

3.7 聚合物膜燃料電池非貴金屬催化的電極設計與應用關鍵技術(基礎研究類，青年科學家項目)

研究內容：針對聚合物膜燃料電池低成本應用需求，探索高性能非貴金屬催化劑及催化層設計、制備技術及評價方法，實現非貴金屬催化電極性能驗證。具體包括：非貴金屬燃料電池陰極催化劑原子、分子尺度活性中心解析及高一致性宏量制備技術；非貴金屬催化膜電極三相界面優化與制備技術；非貴金屬催化膜電極結構強化及壽命保障技術，非貴金屬催化膜電極測試評價體系。

考核指標：單批次產量≥10克，不同批次電性能偏差≤5%；驗證性非貴金屬催化電堆功率不低于1千瓦。其中，非貴金屬氧還原催化劑在0.9伏電壓處（相對于RHE電位，不計歐姆損失）的活性≥0.044安培/平方厘米；膜電極氧還原催化劑載量≤4毫克/平方厘米，氫—空條件下在0.9安培/平方厘米電流密度對應的單池電壓≥0.675伏，在0.7伏恒電位下測試超過500小時后、電流密度保持率不低于初始值的75%。

3.8 燃料電池系統用先進空氣壓縮機技術(基礎研究類，青年科學家項目)

研究內容：針對氫能重型載運、分布式發電用的燃料電池系統對高效率、長壽命的穩定供氧器件需求，探索適用于大功率燃料電池系統的先進空氣壓縮機設計及制造技術。具體包括：高效率、大流量、低波動的壓縮結構設計；耐磨蝕、長壽命、無雜質的壓縮腔室材料工藝；高工況適應性的系統機電耦合控制方法；全工況的系統噪聲抑制技術。

考核指標：研制出適用于燃料電池系統的大流量空壓機樣機：額定流量≥150克/秒，最高壓縮比≥3.5，出口壓力波動偏差在10毫秒內≤1%，常用工況最高等熵效率≥90%，全工況最高噪聲≤70分貝，空壓機排氣不含有異于吸氣的雜質組分（測試標準符合ISO8573），啟停次數≥2萬次（實測），預期壽命≥10000小時。

4.”氫進萬家“綜合示范

4.1 中低壓氫氣管道固態儲氫系統及其應用技術(共性關鍵技術類)

研究內容：針對以灰氫和藍氫為主要氫源的高碳排放生產過程，研發基于低成本儲氫材料的大容量儲放氫系統，實現對管輸綠氫的高效儲存和特定用氫場景的供氫匹配，達到降低碳排放的目的。具體內容包括：以低成本儲氫材料為工質的高密度高安全儲氫床單體的設計和均一化制備技術；儲氫系統的傳質傳熱特征與優化集成技術；儲氫系統循環性能的衰減原因及穩定化方法；儲氫系統在中低壓氫氣管道的增壓和減壓響應特性；搭建可在化工、冶金兩種典型用氫生產過程中儲氫系統應用的驗證平臺。

考核指標：儲氫系統：儲氫量≥500千克，儲存1千克氫氣的成本≤10000元，儲氫壓力≤5兆帕，輸入氫氣純度為95%時輸出氫氣純度≥99.97%，吸氫速率最大值≥5.0千克氫氣/分鐘，吸氫壓力在1兆帕~5兆帕，供氫速率最大值≥1.0千克氫氣/分鐘，供氫壓力在0.2兆帕~4兆帕范圍內連續可調，經2000次吸/放氫循環后儲氫容量保持率≥90%。其中，儲氫材料：儲氫密度≥70千克氫氣/立方米，材料成本≤100元/千克，在低于100℃時材料的儲氫密度≥2.0%，可逆放氫量≥95%。

 

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