2021全球工程前沿：PEM/AWE/生物质制氢，&类脑-脑机接口
化工、冶金与材料工程领域
1.2 Top3工程研究前沿重点解读
1.2.2 CO2合成多碳平台化合物
1.2.3 核制氢耦合冶金技术研究
1、工程研究前沿
质子交换膜（PEM)电解水制氢具有结构紧凑、欧姆损耗低、电流密度大、氢气纯度高等显著优势；然而，高电压、强腐蚀的运行环境对PEM电解水电堆材料和部件的抗腐蚀性能提出了更高的要求。PEM电解水制氢电堆主要由膜电极组件MEA、气体扩散层GDL、双极板、集流板和端板等组成。MEA由阴阳极催化层和PEM构成。不论是PEM，还是析氢、析氢催化剂，其耐久性一直是亟待解决的问题。此外，PEM水电解的成本也不容忽视。PEM电解池的阴阳极GDL均先用钛材料，碳纤维的GDL难以满足抗腐蚀要求。阳极的双极板、集流板和端板对抗腐蚀性能有较高的要求，以钛材料为言；阴极可用石墨、不锈钢等金属材料，但需进行特殊处理。钛材料表面生成的钝化膜会增加欧姆损耗，因此需对阳极用钛材料镀铂等预处理；钛材料还存在加工难、费时且昂贵的问题。
2、工程开发前沿
（1）高效低成本大功率碱性电解水制氢关键技术103
（2）高温气冷堆生物质制氢机理关键技术和关键设备研发108
碱性水电解（AWE）作为最成熟的电解技术占据着市场主导地位，尤其适用于大规模水电解。AWE采用氢氧化钾水溶液作为电解质，通过隔膜分离电解产生氢气和氧气。碱性工作环境下，可以使用非贵金属催化剂（如Ni、Fe、Co、Mn等），降低了对贵金属催化剂的依赖，从而大大降低了成本。AWE产生的氢气会携带碱液，导致氢气纯度比PEM电解水产生的低，需通过辅助设备进行去除，碱液也会腐蚀电解设备。此外，AWE难以快速启动或变载，与可再生能源发电联用的适配性较差。为了有效地分离产生的氢气和氧气，防止混合，电解槽的设计及新型隔膜的开发至关重要。碱性阴离子固体电解质代替液体电解质和隔膜也是未来重要发展方向。AWE作为清洁和可持续大规模制氢平台的研究不断深入，进一步突破关键材料和核心部件的批量制造技术，未来将为可再生能源的使用带来实际应用。
氢气主要用于化学工业的石化工业和工业氨合成。近年来，化石能源消耗带来的环境问题越发严重，世界各国都将研究中心转向了以氢能为代表的新能源研发。电解水制氢，可以实现零碳排放的氢气闭环，被认为是最绿色的可持续的方法。AWE适用于大规模开发应用，通过使用非贵金属催化剂，有效降低电解水成本，系统寿命长达20年。日本在氢能的开发利用方面研究最为深入，碱性电解水制氢相关专利在全世界占47.7%。中国和韩国也进行了较多研究，分别占23.08%及20.51%。除此之外，美国、捷克、印度及意大利也对碱性电解水进行了探究。
然而，高成本限制了电解水制氢的广泛应用，因此，通过电解水制取廉价氢气，逐步取代化石燃料，存在巨大的挑战。一方面，可以通过利用太阳能、风能或潮汐能的可再生电力，为多余电力提供一种转化为化学燃料的途径，同时提高可再生能源的利用率；另一方面，需要进一步提高电解水的整体电化学效率，从而降低氢气生产成本。此外，AWE产生的气体会携带碱液，气体纯度相比于质子交换膜电解水产生的略低，需要通过辅助设备进行去除，碱液也会腐蚀电解设备。此外，AWE难以快速启动或变载，与可再生能源发电联用的适配性差。目前，AWE催化剂研究取得了很大进展，但开发具有低成本、高活性和大量暴露活性位点的理想电催化剂仍是一项艰巨的任务，同时，还应进一步研究高活性和稳定性的非贵金属催化剂，进一步降低电解成本。此外，为了有效地分离产生的氢气和氧气，防止混合，电解槽的设计及隔膜研究也具有实际意义。如今，随着可再生能源的充分利用，低成本清洁氢气成为目前的发展趋势。AWE作为清洁和可持续大规模制氢平台的研究不断深入，未来将为可再生能源的使用带来实际应用，成为未来绿色制氢的核心技术之一。
“高效低成本大功率碱性电解水制氢关键技术”工程开发前沿中，专利产出排名前三的国家分别为中国、日本和韩国，平均被引数分别为1.86、4.29和1.50，见表2.2.1.专利产出排名前三的机构分别为日本旭化成株式会社、中国科学院大连化学物理研究所和日本迪诺拉永久电极股份有限公司，见表2.2.2。
高温气冷堆生物质制氢是以高温气冷堆的高温工艺热为主要热源，以农林生物质为原料，实现大规模、稳定制备氢气。生物质制氢的诸多方法中，以甲烷为中间体的生物质加氢气化技术对反应堆工艺热利用效率最高，是今后核能生物质制氢技术的主要发展趋势。该技术由生物质加氢气化制甲烷、甲烷水蒸气重整制氢、重整反应高温气冷堆供热等过程组成，甲烷的强吸热重整过程所需热量由高温气冷堆供给。关键问题包括生物质制氢工艺与高温气冷堆耦合技术研究、生物质气化和甲烷重整制氢的工艺优化、高效催化剂设计制备等。此外，核能制氢能源系统总体方案，全过程的流程模拟，能量利用率、碳转化率和碳排放等关键指标优化，技术经济和生命周期的分析也很重要。
在中国“碳达峰、碳中和”目标的背景下，氢能将在中国能源结构变革中占有重要地位。高温气冷堆输出蒸汽参数高，应用领域广，可以耦合清洁制氢装置实现大规模零排放制氢，被公认为是最适合核能制氢的堆型。生物质是唯一含碳的可再生资源，具有碳中性的巨大优势。以生物质为原料、高温气冷堆工艺热为热源制备氢气的方法，具有能效高、净碳排放为零的优点。此外，生物质制氢可以减少目前生物质废弃物不当处理带来的大气污染，同时为农民增收，具有多重正面意义。生物质原料既可以选秸秆、林木枝丫柴等农林废弃物，也可以选择甘蔗渣、污泥、制药菌渣等工业生物质，以缓解单一生物质原料存在的季节性和运输半径的不利影响。
生物质制氢主要有生物发酵法和热化学法，其中能够有效利用核能供热的主要是热化学法。生物质热化学制氢又可以分为气化、热解和超临界水转化。以甲烷为中间体的生物质气化制氢法由生物质加氢气化制甲烷和甲烷重整制氢两步组成，可有效避开固体颗粒对氦热回路的磨损，是核能生物质制氢今后的主要发展趋势。关键技术问题包括生物质制氢工艺与高温气冷堆耦合技术研究，生物质气化和甲烷重整制氢的工艺优化、高效催化剂设计制备、生物质原料连续进料等。此外，关键技术还包括全过程模拟、技术经济和生命周期的分析等。需要研发的关键设备主要有加氢气化炉、甲烷重整反应器以及相应的高温气冷堆中间换热器。以甲烷为中间体的核能生物质制氢技术的各步骤中，生物质加氢气化制甲烷目前处于实验室（如清华大学、华东理工大学）研究阶段，还没有工业化的报道，但可以借鉴已完成中试示范的煤加氢气化技术（新奥集团），甲烷重整制氢技术可以参考石化和煤化工领域的相关成熟技术。
国际上，开展过核能高温工艺热研究的主要国家包括德国、美国、日本、俄罗斯、英国、韩国、波兰等，但采用核能生物质气化制氢直接相关的研究文献报道很少，已有的研究是以煤作为原料，如德国的褐煤加氢核热工艺原型电厂（PNP)。在中间换热器的研制方面，如德国的PNP项目建造了KVK高温氦气回路，分别对螺旋管和U形管式10MW中间换热器开展了950C下的工程验证；日本JAEA自言开发高温合金，设计并制造了功率为10MW的螺旋管式中间换热器，在试验回路上进行了950C运行考验。
煤加氢气化技术从美国煤气工艺研究所IGT流化床工艺发展到日本的ARCH气流床气化工艺，已经经历了近半个世纪的时间。IGT采用流化床进行煤加氢气化反应，Rockwell公司采用气流床反应器，克服了IGT技术中的煤粉黏聚失流态化的不足，但氢气的预热需要消耗大量的氧气。日本大阪煤气公司与英国煤气公司联合开发的BG-OG(British Gas and Osaka Gas company)工艺采用带气体循环的气流床加氢气反应器，不需要氧气和氢气部分燃烧预热氢气。在国外煤加氢气化技术的基础上，中国新奥公司开发了煤加氢化联产甲烷和芳烃新技术，2011年建成了50t/d中试示范并长时间运行，目前正在建设400t/d规模的示范工厂。生物质加氢气化可以借鉴煤加氢气化的已有技术，加快工业化步伐。
清华大学预计到2023年完成制氢关键技术和中间换热器等关键设备研究，2025年完成工业放大，启动产业化工程建设。
由表2.2.3可知，该方向核心专利产出数量较多的国家为中国、美国、加拿大等。其中，中国的专利占比达到67.21%，美国的占比为9.84%，加拿大的占比为4.92%。
由表2.2.4可知，该方向核心专利数量较多的机构为美国Sundrop燃料公司、清华大学和中国石油天然气股份有限公司，此外，江苏大学、中山大学和太原赛鼎工程有限公司也开展了相关研究。
1、工程研究前沿
类脑计算是借鉴生物福张系统信息处理模式和结构的计算理论、体系结构、芯片设计以及应用模型与算法的总称。以类脑计算芯片为核心的各种类脑计算系统正迅速发展，在处理某些智能问题以及低功耗智能计算方面逐渐展露出优势。类脑计算芯片研究正从传统通用处理器的设计方法论及其发展历史中汲取灵感，在计算完备性理论基础上结合应用需求实现完备的硬件功能，同时类脑计算基础软件研究也正逐步提出与具体芯片无关的高层次编辑抽象系统、开发框架，实现类脑计算系统从“专用”向“通用”的演进，即研究实现通用型类脑计算系统。
从设计方法角度看，现有多数类脑计算芯片属于“专用”芯片，即通常根据目标应用需求，通过归纳法来确定其硬件功能与接口，定制工具链工具软件，这就会带来系统软硬件紧耦合问题，增加了开发难度，而且使得应用难以在不同系统之间移植，对于类脑计算这类跨学科研究而言尤为不利。类脑计算应用领域发展很快，针对已有应用归纳得到的硬件功能与接口，难以确定能否支持层出不穷的新应用，也难以进行不同系统之间的比较与评测。
研究人员已逐步意识到这类问题，分别从类脑计算完备性理论、完备的硬件功能及相应芯片设计、统一的类脑计算开发框架等方面开展研究。具体地：
1）在理论方面，借鉴通用计算机的完备性概念与层次结构设计思想，研究提出适用于类脑计算的相关理论与系统结构，这是实现类脑计算系统软硬件去耦合的理论基础；
2）在芯片设计方面，探索在保持类脑智能计算高效能的同时，特别是在充分发挥神经形态电路/器件高效处理能力的同时，兼顾功能完备性与应用高效性，为灵活、全面的应用适配能力提供硬件基础；
3）在系统软件方面，通过对应用、芯片的适当抽象与分层，实现统一的应用开发框架，使硬件规格、约束对应用开发“透明”。
类脑计算系统从“专用”向“通用”的转变，将使参与这一跨学科研究的各类人员能够专注于各自专业领域，显著提升研发效率。这是类脑计算系统快速跨学科发展，形成未来规模产业的关键之一。
2、工程开发前沿
医学卫生学领域Top10工程开发前沿涉及基础医学、临床医学、药学、医学信息学和生物医学工程、公共卫生与预防医学等学科方向（见表2.1.1）。其中，新兴前沿是肿瘤新抗原疫苗、基于5G的远程医疗机器人手术和RNA干扰药物；作为传统研究深入的是脑机接口技术的临床转化应用、基因工程化异种器官移植技术、基于人体微生物组技术的临床应用转化、健康医疗大数据与人工智能应用、纳米药物递送系统。各前沿相关的核心专利2015-2020年施引情况见表2.1.2。
脑机接口（brain-computer interface, BCI)，是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间创建的直接通路。脑机接口作为一种新型的信息传输渠道能够使信息绕过原有的肌肉及外围神经通路，实现脑与外部设备间的单向/双向信息交换。1924年，人类大脑活动首次被脑电图（EEG）记录到，脑机接口技术立足于脑电图，起源于20世纪70年代，20世纪90年代中期出现了第一个植入人体的神经假肢装置。现代脑机接口技术涵盖了对神经系统的监测、调控与功能替代，也充满了以意驭物、记忆存储移植的想象空间。
脑机接口技术按照技术流程可分为采集、处理、控制和反馈环节，各环节拟解决的关键技术问题主要包括：
采集环节的高通量、信噪比高、时间空间分辨率高、安全性高的脑机接口设备，包含电极与芯片两部分； 处理环节关键在于神经解码，脑电信号个体差异大、脑区差异大、行为差异大、脑电信号处理算法、临床上对脑数据的认知和数据量均为神经解码发展的关键瓶颈； 控制环节是目前整体技术流程中发展较为成熟的一环； 反馈环节是实现双向脑机交互的关键，其中神经编码与功能对应关系需要更进一步的验证。
国内外脑机接口产业多以科研院所为主导，且由于技术、伦理、安全性等限制，研究路线多以非侵入式脑机接口为主，侵入式脑机接口局限于医疗健康场景的应用，研究机构数量及研究投入都小于非侵入式。由于研发成本高、缺乏专业人才、盈利模式不明等因素，涉足脑机接口产业的公司明显少于其他人工智能领域。但不论是Neuralin的发布会及阿里达摩院的科技趋势预测，还是国内博睿康获红杉资本领投的过亿元B轮融资，都显示出国内外资本对这一领域的关注。在应用落地方面，国内外对于相关产品认证和监管还处于初级阶段，FDA在过去几年仅通过了BrainGate、Ceribell和NeuroPace的几款临床应用产品的审核。
未来，脑机接口领域逐步形成开放生态，以市场需求为导向的应用类脑机接口公司有望通过进一步挖掘需求场景、快速扩大产业规模。同时，专精于植入式芯片、相关应用开发等细分赛道的公司也会大量涌现。与目前国内外研究现状类似的是，未来脑机接口应用于医疗康复将仍是规模最大且短期增长最迅速的市场。至于最具有想象空间的高级人机交互领域由于技术限制和认知科学发展瓶颈，短期内难以出现成熟的通用化产品或实现大规模商业变现。
对于包含睡眠障碍、帕金森病、阿尔茨海默病、偏瘫、癫痫、抑郁症等疾病在内的医疗健康场景，由于用户的尝试意愿高，包括资本方、医院、公司等多方均认为其将率先迎来增长。经过相关机构测算，目前中国脑机接口设备的市场规模在十亿级，到2040年的综合市场规模将超过千亿人民币，市场增长速度将明显高于全球平均增长水平。
目前，“脑机接口技术的临床转化应用”核心专利的主要产出国家是中国、美国、韩国、日本和印度（见表2.1.1）；从核心专利产出国家的合作网络来看，美国和德国、德国和荷兰之间合作密切（见图2.1.1）。核心专利产出数量排名前列的机构是天津大学，华南理工大学、西安交通大学（见表2.2.2）；中国医学科学院生物医学工程研究所和清华大学深圳国际研究生院之间存在合作关系。
关于报告
中国工程院启动“全球工程前沿”研究。研究围绕中国工程院9 个学部，依托“1+9+1”系列院刊，凝炼工程研究前沿和工程开发前沿，并重点解读其中关键的27个工程研究前沿和27个工程开发前沿，每年以中英文形式向全球发布年度报告，旨在研判未来科技发展方向，发挥学术引领作用，引导工程科技创新。全球工程前沿研究以数据分析为基础，以专家研判为依据，遵从定量研究与定性研究相结合、数据挖掘与专家论证相佐证、工程研究前沿与工程开发前沿并重的原则，尤其注重数据与专家的多轮深度交互，综合集成、逐步迭代，凝练出年度全球工程前沿。在数据分析方面，综合利用期刊论文（SCIE 收录）、会议论文和全球专利数据，获得了每个领域工程前沿遴选的基础素材，供专家参考。在专家研判方面，文献情报专家以及领域专家全程参与数据源的补充、前沿方向的提炼和修订，以及重点前沿的解读。
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