近年來，氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)的二次能源，正逐漸被約40個(gè)國家視為氣候友好型能源解決方案的重要選項(xiàng)。我國各部委已密集出臺(tái)各項(xiàng)氫能支持政策，產(chǎn)業(yè)集群不斷壯大，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已具燎原之勢。

值得注意的是，氫氣作為一種容易泄漏的氣體，常態(tài)下極易燃燒和爆炸。如何在制、儲(chǔ)、運(yùn)、用等環(huán)節(jié)中，利用氫氣傳感器等檢測儀器又好又快滿足本土產(chǎn)業(yè)需要成為關(guān)注焦點(diǎn)。

一方面，由于國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)處于起步階段，純國產(chǎn)化產(chǎn)品從零開始開發(fā)到成熟，需要很長的周期，需要大量的試錯(cuò)積累；另一方面逐漸鋪開的市場需要合格的設(shè)備和工藝，也需要快速交付。

在此背景下，借助“中德2+2”氫氣傳感器合作項(xiàng)目這一契機(jī)，山東西微信息技術(shù)有限公司（簡稱“山東西微”）聯(lián)合北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院（簡稱“北理工前沿技術(shù)研究院”），積極引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，通過消化、吸收和轉(zhuǎn)化，走出了一條為本土氫能安全和高效發(fā)展賦能的新途。

那么，氫氣傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀如何？本土氫氣傳感器企業(yè)與國外相比有何差距？山東西微的氫氣檢測產(chǎn)品有何競爭優(yōu)勢？未來有哪些發(fā)展方向？圍繞以上種種問題，感知芯視界編輯部日前采訪了北理工前沿技術(shù)研究院傳感智能技術(shù)創(chuàng)新中心主任、山東西微董事倪小龍，和他聊聊“氫風(fēng)來襲”下的獨(dú)家見解和觀點(diǎn)。

圖：北理工前沿技術(shù)研究院傳感智能技術(shù)創(chuàng)新中心主任、山東西微董事倪小龍

倪小龍，高級工程師，1984年于東南大學(xué)（原南京工學(xué)院）無線電工程系畢業(yè)后，先后在江蘇某工廠、研究所工作，參與了多項(xiàng)國家與行業(yè)電子標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。1998年后，長期在工業(yè)和信息化部（信息產(chǎn)業(yè)部）科技司高技術(shù)處，進(jìn)行信息產(chǎn)業(yè)相關(guān)科技規(guī)劃編制、重大項(xiàng)目管理、推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合等工作。

氫能安全發(fā)展 氫氣傳感器價(jià)值凸顯

氫能源被譽(yù)為21世紀(jì)最清潔能源。追溯氫能發(fā)展歷史，其第一波熱潮是1973年石油危機(jī)引發(fā)的替代能源研究。第二波則是上世紀(jì)90年代，由于石油價(jià)格上漲嚴(yán)重，氫能再次作為替代燃料被關(guān)注。但后來隨著石油價(jià)格的下跌，氫能的熱度自然下滑。

但近些年的氫能逐漸成為世界能源的“新寵”，與前兩次顯然有一個(gè)關(guān)鍵的不同點(diǎn)。倪小龍談到，“為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，全球正在積極應(yīng)對氣候變化。氫能是很多國家實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)的重要方案，是解決氣候問題的關(guān)鍵拼圖。”

近年來，日本、美國、歐盟、韓國等國家和地區(qū)逐步明確了氫能在國家能源體系中的戰(zhàn)略地位。我國國家發(fā)改委、國家能源局于2022年3月發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，正式將氫從危化品定義為未來重要的能源載體。

業(yè)界稱2022年是氫能爆發(fā)元年，氫能相關(guān)的地方性產(chǎn)業(yè)政策、項(xiàng)目投資、研究報(bào)告都呈指數(shù)級增長。倪小龍認(rèn)為，“不管是從投資、科技創(chuàng)新角度，還是拉動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度，氫能產(chǎn)業(yè)都是亮點(diǎn)和重點(diǎn)。”

同時(shí)，他也提醒道，“氫氣分子很小，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用的過程中容易泄漏。在空氣中氫氣濃度在4%—75%范圍內(nèi)極易發(fā)生爆炸，需要實(shí)時(shí)掌握氫氣各方面的數(shù)據(jù)。而任何一個(gè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都離不開傳感器。氫氣傳感器是氫能領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件之一。”

圖：山東西微氫氣泄露檢測儀應(yīng)用

目前，典型測氫氣的傳感技術(shù)主要運(yùn)用了紅外線、金屬氧化物半導(dǎo)體、催化法等方法。倪小龍介紹道，這幾種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

紅外線傳感器，是用紅外光譜分析的方式來監(jiān)測，運(yùn)用紅外光源照射管線中的氣體，并在管線另一側(cè)查看光線或是光譜是否出現(xiàn)變化，優(yōu)點(diǎn)是精度高，但成本比較高，一般只在實(shí)驗(yàn)室作為研究設(shè)備來使用。

金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）氫氣傳感器，其金屬氧化物層的電阻隨溫度和周圍空氣中的氫含量而變化。從測量的角度來說，它比紅外傳感器的準(zhǔn)確度略低，但利用MEMS工藝規(guī)模化量產(chǎn)后，整體上性價(jià)比更高。

催化法傳感器可穩(wěn)定并快速檢測濃度在4%以內(nèi)的氫氣，但對可燃性氣體的選擇性較差，易受抑制劑影響，且需較高的工作溫度，響應(yīng)時(shí)間比較長，難以滿足氫能應(yīng)用領(lǐng)域極高的安全與可靠性要求。

隨著碳中和能源變革契機(jī)的到來，研究機(jī)構(gòu)Reports and Insights去年7月發(fā)布?xì)錃鈧鞲衅餮芯繄?bào)告估計(jì)，到2022 年底，全球氫傳感器市場價(jià)值將達(dá)到3.88 億美元 ，預(yù)計(jì)到 2030 年將達(dá)到 6.85 億美元 ，復(fù)合年增長率為 7.4%。

當(dāng)國內(nèi)各地發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)集群，把氫能做為重點(diǎn)戰(zhàn)略，那是不是本土氫氣傳感器就可以一飛沖天了呢？

倪小龍認(rèn)為，“本土研究人員已成功開發(fā)多種基于不同工作原理的氫氣傳感器，還有許多具有潛力的氫氣傳感器正處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段。但與國外企業(yè)產(chǎn)品相比，仍存在成本偏高、壽命較短、靈敏度不夠等問題，離大規(guī)模批量生產(chǎn)、‘走進(jìn)千家萬戶’的要求還有一段路要走。”

那么，國內(nèi)氫氣傳感器的整體實(shí)力和國外企業(yè)相比差距在哪呢？倪小龍舉了雕刻工藝品的例子來表達(dá)觀點(diǎn)：“大師和剛進(jìn)門的學(xué)徒雕刻出來的工藝品，其品質(zhì)和一致性完全不同。做傳感器也是同樣的道理，國家重視晚，企業(yè)起步慢。雖說現(xiàn)在可通過MEMS工藝實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但沒有專利可言的材料配方以及工藝經(jīng)驗(yàn)不是靠一朝一夕就能獲得的。”

三方聯(lián)合 打造中高端氫氣泄露檢測儀器

氫能產(chǎn)業(yè)在發(fā)展，國產(chǎn)氫氣傳感器一時(shí)未崛起。通過跨國合作將雙邊的優(yōu)勢和技能進(jìn)行結(jié)合，為中國市場提供更有效的解決方案，成為當(dāng)下可行的運(yùn)作模式。“中德2+2氫氣傳感器項(xiàng)目”就是其中之一。

在這一項(xiàng)目中，山東西微、北理工前沿技術(shù)研究院和德國UST環(huán)境傳感科技有限公司（簡稱“德國UST”）三方攜手、各顯所能。

據(jù)倪小龍介紹，山東西微作為“中德2+2氫氣傳感器項(xiàng)目”生產(chǎn)運(yùn)營方，是中國少數(shù)能夠大規(guī)模生產(chǎn)汽車領(lǐng)域高溫溫度傳感器的企業(yè)。比如，其研發(fā)生產(chǎn)的550℃“國五”標(biāo)準(zhǔn)的高溫溫度傳感器向廣西玉柴累計(jì)供貨超過30萬支。

北理工前沿技術(shù)研究院作為中企技術(shù)研發(fā)方，是北京理工大學(xué)與濟(jì)南市人民政府共建的高水平新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。其中傳感智能技術(shù)創(chuàng)新中心由張軍院士領(lǐng)銜，其科研團(tuán)隊(duì)集聚萬人、青千、優(yōu)青、青長等多學(xué)科交叉創(chuàng)新人才隊(duì)伍。

圖：2019年10月29日，校地簽署《共建北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院合作協(xié)議》

倪小龍告訴記者，“引進(jìn)海外技術(shù)，人家只會(huì)告訴你是什么，而不會(huì)說為什么、怎么做。有了這樣的人才團(tuán)隊(duì)，就能接住引進(jìn)來的技術(shù)，不斷吸收、消化和再創(chuàng)新，來應(yīng)對本土環(huán)境出現(xiàn)的新問題、新挑戰(zhàn)。”

而德國UST是歐洲第二大綜合性傳感器芯片研發(fā)企業(yè)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在大眾、寶馬、奔馳、斯堪尼亞、MAN及各個(gè)德國載重汽車，這家成立30多年的企業(yè)，被倪小龍形容為“真正扎根傳感器行業(yè)的‘隱形冠軍’”。

在“中德2+2氫氣傳感器項(xiàng)目”中，山東西微以德國UST高性能氫氣傳感器為核心，圍繞氫能應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域比如氫燃料電池汽車、加氫站等場景開發(fā)生產(chǎn)一系列氫安全監(jiān)測產(chǎn)品。

手持式氫氣泄露檢測儀是山東西微引進(jìn)的第一款典型產(chǎn)品。談及這款推出便自帶“光環(huán)”的產(chǎn)品，倪小龍?jiān)u價(jià)稱，“在本土幾乎沒有競爭對手，而是直接與日本等歐美國家產(chǎn)品競爭。其性價(jià)比、質(zhì)量性能、響應(yīng)時(shí)間、量程和一致性、壽命等指標(biāo)都更占據(jù)上風(fēng)。”

圖：山東西微氫氣泄漏檢測儀

從產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域上來說，在制、儲(chǔ)、運(yùn)、用4大環(huán)節(jié)，均需要?dú)錃庑孤稒z測儀器，而山東西微的這款產(chǎn)品采用特制的MOX半導(dǎo)體氣體傳感器元件，支持自動(dòng)檢測范圍切換，探測量程可從低濃度(ppm)到爆炸下限(LEL)，可以做到1款產(chǎn)品適用于氫能制、儲(chǔ)、運(yùn)、用四大環(huán)節(jié)。

其次是技術(shù)上深具創(chuàng)新點(diǎn)。一是擁有極快的響應(yīng)速度，檢測響應(yīng)時(shí)間小于2秒；二是是傳感器工作溫度保持恒定，不受工作環(huán)境溫度影響；三是陶瓷膜的特殊設(shè)計(jì)，大大縮短了傳感器的加熱和衰減階段，提高了靈敏度和分辨率。

倪小龍還補(bǔ)充道，德國UST對其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和品種質(zhì)量力求做到完美極致。其在10年前就已進(jìn)入中國，具有一定的市場和知曉度，這也造就了山東西微引進(jìn)的這款儀器，在產(chǎn)品質(zhì)量以及獲得客戶信任度上更具競爭力。

關(guān)于這款儀器在國內(nèi)的生產(chǎn)情況，倪小龍表示，“為確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能一致性，山東西微初期以組裝散件為主，生產(chǎn)線的一些核心的元器件、材料、設(shè)備、自動(dòng)化的軟件平臺(tái)都實(shí)現(xiàn)了中德同步。目前已順利組裝了小批量的產(chǎn)品進(jìn)行試點(diǎn)試用，2023年有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。”

早做布局抓機(jī)遇，用本地化策略逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化

現(xiàn)如今，政策、資金和科技創(chuàng)新賦能疊加的氫能，不僅滲透到能源的各個(gè)方面，更是帶動(dòng)了加氫站、氫燃料電池等各種下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035 年)》明確到2025年，燃料電池車輛保有量約5萬輛；到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲(chǔ)能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)。

圖：一輛氫能中運(yùn)量公交車（左）駛?cè)霘淠芄卉嚰託庹炯託猓o人機(jī)照片）。新華社記者 方喆 攝

作為氫能燃料電池汽車的動(dòng)力補(bǔ)給站，截止2021年底，中國含有在運(yùn)行加氫站250座，根據(jù)預(yù)計(jì)到2025年，國內(nèi)加氫站保有量有望達(dá)到1000座。

“單從氫能源汽車領(lǐng)域來說，氫能燃料電池有望復(fù)制鋰電池發(fā)展路徑，并在5年后出現(xiàn)拐點(diǎn)。這對氫氣泄露檢測儀來說將是一片藍(lán)海市場。”除此以外，倪小龍還看到了“氫進(jìn)萬家”科技示范工程中帶來的發(fā)展機(jī)遇。

去年年底，國內(nèi)首個(gè)“綠氫”摻入天然氣示范項(xiàng)目在民用終端應(yīng)用驗(yàn)證方面取得了新進(jìn)展，多家能源和燃?xì)馄髽I(yè)代表共同見證了摻氫天然氣在民用燃?xì)饩呱系某晒c(diǎn)火。

“摻氫后，煙氣中一氧化碳、氮氧化物含量將發(fā)生改變，原有的居民安裝的家用天然氣報(bào)警器便無法適用，取而代之的是氫氣和天然氣一體化的報(bào)警器，這塊將是一個(gè)量大面廣的海量市場。”倪小龍分析道。

氫能下游重點(diǎn)應(yīng)用場景的擴(kuò)展步伐越來越快，這是倪小龍樂于看到的行業(yè)趨勢。那么傳感器企業(yè)該如何早布局，搶抓市場機(jī)遇？他給出了山東西微的一套組合拳式打法。

一方面是做好、做精氫氣傳感器跟相關(guān)的檢測儀產(chǎn)品，在德企大量成熟應(yīng)用的先進(jìn)基礎(chǔ)上，來開發(fā)本地化的落地技術(shù)。

“光做幾款優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品是無法將企業(yè)做大做強(qiáng)的。因此，山東西微還利用北理工前沿技術(shù)研究院的科研力量，搭建氫能安全一體化的軟硬件監(jiān)管平臺(tái)，不斷解決行業(yè)痛點(diǎn)，滿足行業(yè)發(fā)展需求。”倪小龍對企業(yè)生存、壯大之道有著自己的理解。

另一方面在市場規(guī)模擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，山東西微將不斷推進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造趨向國產(chǎn)化。倪小龍表示，“山東西微未來將與德國UST深化合作，按產(chǎn)品品質(zhì)要求進(jìn)行本地化的元器件采購和生產(chǎn)制造。往后再跨一步，有望在國內(nèi)建設(shè)氫氣傳感器芯片封裝產(chǎn)線，逐步提升氫氣傳感器和檢測儀器的國產(chǎn)化率，賦能國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。”