嘉庚创新实验室:突破关键技术难题 跑在氢能赛道前列

工作人员向记者展示膜电极成品。

(相关资料图)

14日中午，厦门大学化学化工学院副教授、博导，嘉庚创新实验室PEM制氢项目负责人，鹭岛氢能（厦门）科技有限公司董事长陶华冰站在办公室的写字板前，拿着记号笔给记者“上课”。为了让他所负责的嘉庚创新实验室PEM电解水制氢项目能够被更好地理解，陶华冰甚至科普起水分子分解为氢和氧的原理。

PEM电解水制氢，是目前生产氢气最环保的技术路线之一，使用可再生能源制氢，“唯一缺点就是贵”。陶华冰团队努力攻克的难点，就是让生产成本快速下降、效率进一步提升。

在隔日嘉庚创新实验室举办的科研产品发布会上，陶华冰团队发布了这一成果——我国自主研发的高性能兆瓦级PEM制氢装备新产品。它在额定功率下每小时可以生产200多标方氢气，直流电耗4.3度/标方，此外还有其他诸多优点。

这一里程碑式进展的意义在于，它使作为能源的氢气不再局限于传统集中式的厂房大规模生产，而是让这种从未规模化的电解水制氢技术进行能源级别的制氢成为可能。

50位实验人员做了近千次试验

制氢不是新事物。当前用化石燃料制造的氢气占据全球氢气产量的96%，此过程产生了大量的温室气体。陶华冰团队的制氢项目也不算新，全称叫“质子交换膜电解水制氢”，但几十年来因为成本高昂，只在载人航天、核潜艇等特殊领域少量应用。

“电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。”陶华冰画着示意图解释说，在PEM制氢技术中，电化学反应的核心场所电解槽——其中的催化剂、膜电极材料是技术突破口。

他进一步解释，PEM制氢时，电解槽内的阳极材料需要在酸性环境下工作，环境条件非常苛刻，所以需要耐腐蚀、耐强氧化环境的同时又能导电、提高反应速度的材料。

在众多金属材料中，只有铱（Ir）这样昂贵而稀有的贵金属氧化物可以满足要求。然而，铱一年全球的产量只有5吨-10吨，价格是黄金的2倍以上。

2020年，陶华冰从新加坡归国，带上几名工程师，一头扎进电化学材料领域的研究中。如何在规模化生产这种材料的同时降低成本？他和团队成员们围绕这个方向，一干就是2年多。研究的主攻方向，就是关键的那层膜电极。

“我们50位实验人员前后做了近1000次试验，终于制备出符合条件的催化剂，做到了在膜电极材料上铱用量降低了70%，性能却丝毫不减，同时能实现电流密度提升，达到更高性能。”在陶华冰其中一个实验室里，科研团队成员温工向记者展示了这张约一张A4纸大小的膜电极，它两面各附着一层催化剂材料，灰蓝色的一面含铱，灰白色一面含铂。

令团队更骄傲的是，在这背后，他们自主研发的测试仪器是重要的“幕后功臣”。“催化剂制备中重要的不仅在工艺上，最大的挑战是对性能的测试。”陶华冰坦言，常常十几台测试仪器同时运转，才能帮他们快速地筛选工艺。

在他另一间实验室中，不同规格的测试仪器整齐排布，几乎全是自主研发的。如今，这些测试仪器也开始帮助更多企业与高校验证科研成果。

相关成果已跑在氢能赛道前列

15日，一个集装箱大小的兆瓦级PEM制氢设备亮相嘉庚创新实验室发布会现场。贵金属铱负载量降低三分之二、电流密度提升一倍以上、单位面积材料下实现更大产氢量、使用寿命大幅提升……项目团队自豪地宣布了这台高性能兆瓦级制氢设备的成果。

现场，北京明德投资、厦门德屹资本等投资机构与项目团队签订了投资意向协议，他们将携手合作，为我国可再生能源利用、“双碳目标”的实现贡献力量。

此前，陶华冰团队研发出的高性能百千瓦级PEM制氢电解槽，在厦门市促进科技成果转化中心专家项目科技成果评价会中获得专家认可:整体水平处于国内领先，部分关键性能指标已达到国际先进水平，设备材料国产化率超过90%。

“氢能项目团队逐步完成了不同规模大小PEM制氢系统的开发制造，相关成果已跑到氢能赛道的前列。”中国科学院院士、嘉庚创新实验室主任田中群介绍，设备成果未来将在交通、化工、钢铁、储能等多领域发挥重要作用。

“从科研成果到投入运用，这两者之间还有一段路要走。作为一名科技工作者，我们在做的正是缩小这段距离。”陶华冰说。为了加快推进产业化，他和团队在去年成立了鹭岛氢能（厦门）科技有限公司。

PEM作为一种理想的加氢站站内制氢技术，陶华冰的PEM制氢设备在广东佛山加氢制氢一体站落地应用，预计今年6月交付。

这些天，实验室频繁有相关领域的企业到访，陶华冰在电梯间就迫不及待介绍起了未来布局兆瓦级示范应用场景的构想。

“高性能、兆瓦级优势使我们的设备成功迈入能源产业领域门槛。”陶华冰说，目前这一设备已在窑炉、离网制氢系统等多种场景开展应用测试。

【对话】

陶华冰:

成功的关键在于协同攻关+破壁合作

记者:在这个项目的创新之路上，您认为成功最关键的因素是什么？

陶华冰:除了需要坚持不放弃的科研精神，人才也是一大关键。我认为成功运作的密码，是嘉庚创新实验室新型的协同攻关机制、明确的产业化目标和跨学科的破壁合作。在这里，依托厦门大学得天独厚的资源条件，来自化学、能源、航空航天、材料、电子等众多领域的人才，协同攻破一个个跨越学科壁垒的难题，众多科研成果得以落地，横亘在高校与企业、上游基础研究与产业化之间的“鸿沟”得到弥合，学科交叉融合创新引领能力不断增强。

【产品名片】

高性能兆瓦级PEM制氢装备

●特点:高性能兆瓦级PEM制氢装备以纯水为反应物生产氢气，作为氢能行业关注的热点，具有产氢纯度高、结构及工艺简单、安全性高等特点，大幅降低制氢成本，使PEM制氢技术向产业化方向更进一步。技术处于行业领先水平，设备材料国产化率超过90%。

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