氫能源車如何“氫”裝上陣?

　　稍有化學知識的人，都會對氫氣與氧氣燃燒，釋放大量能量并產(chǎn)生水的化學反應諳熟于心。氫氣也是科學家認可的最潔凈的零碳能源之一。隨著科技的發(fā)展，如今，人類對氫的利用達到了新高度，氫燃料電池已經(jīng)應用于汽車、輪船、飛機等交通工具，其高能量轉(zhuǎn)換效率、零碳排放、低噪音等優(yōu)勢正吸引眾多企業(yè)進行技術研發(fā)和產(chǎn)品線拓展，成為新能源賽道中一道亮麗的風景線。

裝配氫燃料發(fā)動機的運輸車

　　近年來，廣州高度重視氫能發(fā)展，制定了《廣州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2019—2030年)》，計劃到2025年初步建成氫能產(chǎn)業(yè)鏈。目前，廣州在加氫站、氫燃料電池等氫能關鍵領域均有重要布局。廣州造氫燃料電池有哪些關鍵的技術突破?實現(xiàn)了哪些應用?本期《科技周刊》將為大家揭秘氫燃料電池中的科技密碼。

　　來到位于白云區(qū)的廣東云韜氫能科技有限公司，一排全新生產(chǎn)的氫燃料電池發(fā)動機整齊地擺放在車間內(nèi)準備封裝。目前公司的生產(chǎn)線每年能生產(chǎn)2500臺氫燃料電池發(fā)動機。云韜氫能研究院副院長魯亮向記者介紹了氫燃料電池的原理——

　　1氫燃料電池為車輛供電

　　魯亮告訴記者，氫燃料電池是將氫氣和空氣分別供給陽極和陰極，氫氣在陽極上被氧化成氫離子和電子，其中氫離子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，與空氣中的氧氣在陰極上反應產(chǎn)生水和熱能;電子則通過外部電路傳遞到陽極，形成電流。

　　為了保障效率與安全運行，氫燃料電池由兩個核心板塊組成，一是電堆，二是支持電堆反應的各項系統(tǒng)總成。

　　2多個儲氫罐為電池供能

　　氫燃料電池需要源源不斷的氫氣供能。記者看到，云韜氫能這批氫燃料電池的牽引車儲氫罐主要安裝在駕駛室的后方，共有8個罐，每個容積210升。因為氫氣難于壓縮，也是相同壓強下密度最低的氣體，這8個罐大約僅能裝40公斤氫氣。

　　和其他重卡車尾有排氣管不同，其車尾部僅有一個排水的小口。氫能重卡行駛過程中，水可以直接排放到路面，實現(xiàn)綠色無污染。

　　3重卡加滿氣可駛350公里

　　自今年3月底運營開始至9月底，搭載云韜氫能發(fā)動機的首批30臺氫能重卡，已在廣州實際行駛超77萬公里。

　　氫燃料電池發(fā)動機主要安裝在重卡的駕駛室下方，儲氫罐則在駕駛室后方。在8個儲氫罐加滿氫氣的情況下，可以讓一輛49噸的重卡行駛350公里。氫能重卡按照國家限速標準，可以按照最高90km/h的速度行駛。

裝配在車上的由云韜氫能自主研發(fā)的“領航一號”發(fā)動機

　　4加氫站滿足定期加氫需求

　　有了儲氫罐供能之后，氫燃料電池汽車還需要定期加氫。目前，加氫站的氫氣主要源自工業(yè)副產(chǎn)氫，它主要通過兩種方式產(chǎn)生：一是焦爐煤氣制氫，在鋼鐵廠的焦爐煤氣中含有大量氫氣，目前可通過提純和脫氧等工藝制取高濃度氫氣;第二是氯堿化工制氫：在電解飽和氯化鈉溶液制取燒堿的過程中，產(chǎn)生的氫氣也可被收集制取高純度氫氣。

　　從鋼企購氫保障純度99.99%

　　氫燃料電池對氫氣的純度要求很高，必須要達到99.99%才能保障電堆的安全工作。魯亮表示：“加氫站通常從鋼鐵等工業(yè)企業(yè)購氫，比如加氫站在韶關就會與韶鋼合作，合作過程中會重點規(guī)定加氫站的氫氣濃度，一旦其中一氧化碳或硫化物超標，對于催化劑、質(zhì)子交換膜會產(chǎn)生較大影響。”

　　產(chǎn)品優(yōu)勢

　　能源成本低

　　以成本計算，49噸的氫能重卡每百公里的氫耗大約為9~9.5公斤;而一輛相同載重的柴油重卡，每百公里大約消耗柴油45升。目前，加氫站每公斤氫氣的售價約30元，每升0號柴油價格約為7元，氫能源車成本較柴油車略低，一旦油價上漲，氫能就會更加便宜，這也讓渣土車公司很愿意使用氫能源車。

　　能源轉(zhuǎn)化效率高

　　魯亮介紹，“氫能轉(zhuǎn)化為電能的利用率能達到50%以上;而內(nèi)燃機車中，汽油轉(zhuǎn)化為動能的效率普遍只有20%~30%。”

　　安全性能

　　全球未發(fā)生一起爆炸事故

　　氫氣在空氣中的爆炸極限為4.0%～75.6%，屬于極易爆炸的氣體。在實際操作中，如何保障氫燃料電池的安全?魯亮介紹，目前全世界的氫燃料電池在使用過程中，尚未發(fā)生一起爆炸事故。氫氣發(fā)生爆炸，必須要在密閉的空間里，同時必須要有明火，而氫燃料電池車目前主要在室外作業(yè)，即使發(fā)生了氫氣泄漏，氣體也會迅速擴散，濃度很難達到爆炸要求。

　　特種設備儲存安全性高

　　目前主要采用高壓儲氫瓶裝運氫氣，高壓儲氫瓶屬特種設備，國家對其監(jiān)管要求非常高，儲氫瓶必須經(jīng)過碰撞、跌落、槍擊、明火實驗的驗證，安全性有極高保障。

　　攻關重點

　　提高氫燃料電池發(fā)動機耐久性

　　魯亮介紹，目前，氫燃料電池的科技攻關重點主要是提高催化劑的催化性能和提高氫燃料電池發(fā)動機的耐久性。

　　“我們的發(fā)動機能跑50萬公里還是100萬公里，直接決定整個運營周期的成本，這是所有氫燃料電池生產(chǎn)企業(yè)都急需進一步攻關的。”

白云區(qū)的云韜氫能生產(chǎn)基地生產(chǎn)車間。

　　提高加氫站數(shù)量

　　一位參加培訓的重卡司機告訴記者，加氫站的數(shù)量遠遠沒有加油站的數(shù)量多，如果不是走日常固定路線，有可能讓他的運營效率受到影響。

　　●構建氫能全產(chǎn)業(yè)鏈

　　●打造一核、一樞紐、三基地產(chǎn)業(yè)布局

　　●建成集制取、儲運、交易、應用一體化的氫能產(chǎn)業(yè)體系

　　廣州科學家：研究新型質(zhì)子交換膜陽極材料成本有望降至1/6

　　中國科學院廣州能源研究所制氫與利用科研團隊負責人、研究員閆常峰告訴記者，團隊主要的研究方向是水電解制氫、與氫燃料電池相關的納米催化材料、氫氣制備和燃料電池應用的器械裝置和系統(tǒng)等領域的研究。其中，質(zhì)子交換膜水電解制氫是團隊近兩年投入精力最多的研究方向。

　　閆常峰介紹，目前，水電解制氫共有3條技術路線，第一種是堿性水電解制氫，即對鹽水進行電解，生成燒堿、氫氣和氯氣的傳統(tǒng)方法，目前該方法已經(jīng)比較成熟;第二種方法是質(zhì)子交換膜水電解制氫，這是團隊主要的攻關課題;此外，還有第三種方法，即離子交換膜水電解制氫，“我們研究制氫的目的是儲能，大家知道，風、光等可再生能源發(fā)電具有波動性和間歇性，風時有時無，太陽晴天有，晚上無，因此很難直接并網(wǎng)，必須通過儲能提高這些能源的利用，而將這些電能制氫儲能將是未來最主要的儲能解決方案之一。”

　　閆常峰表示，質(zhì)子交換膜水電解制氫比傳統(tǒng)制氫方法效率更高，此前，團隊已向相關企業(yè)提供電堆樣品，儲能能力可以做到兆瓦級。但目前困擾這一技術大規(guī)模商用的原因仍在于成本偏高。“質(zhì)子交換膜的陽極主要使用的是貴金屬銥，其價格為每克1250元，比黃金還貴很多，為了降低成本，我們的主要辦法是開發(fā)使用非銥的貴金屬材料，其價格只有銥的1/6，并且目前我們在實驗室內(nèi)已經(jīng)穩(wěn)定運行了3700小時，這大大提高了之前世界上最長的非銥陽極材料1000小時的使用時間紀錄。”

　　發(fā)展規(guī)劃：廣州將建我國南部氫能樞紐構建氫能全產(chǎn)業(yè)鏈

　　近年來，廣州大力推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫能制、加、儲、運、用產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，氫能產(chǎn)業(yè)零部件上下游集聚效應初顯，培育出鴻基創(chuàng)能、云韜氫能、氫電中科等一批在國內(nèi)具有技術領先優(yōu)勢的氫燃料電池系統(tǒng)及關鍵零部件企業(yè)，韓國現(xiàn)代汽車氫燃料電池系統(tǒng)項目首期工程已建成投產(chǎn);建成廣石化1500噸/年、廣鋼氣體1000噸/年制氫項目。

　　根據(jù)《廣州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(2019—2030年)(以下簡稱《發(fā)展規(guī)劃》)，廣州將建成我國南部地區(qū)氫能樞紐，構建氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。

　　《發(fā)展規(guī)劃》提出，將重點建設黃埔氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新核心區(qū)、南沙氫能產(chǎn)業(yè)樞紐、番禺乘用車制造及分布式發(fā)電研發(fā)基地、從化商用車生產(chǎn)基地和白云專用車生產(chǎn)基地，打造一核、一樞紐、三基地產(chǎn)業(yè)布局。

　　到2030年，廣州市將建成集制取、儲運、交易、應用一體化的氫能產(chǎn)業(yè)體系，氫能與電力、熱力等共同支撐二次能源供給，建成大灣區(qū)氫能研發(fā)設計中心、裝備制造中心、檢驗檢測中心、市場運營中心、國際交流中心。燃料電池固定發(fā)電系統(tǒng)在儲能、備用電源、分布式能源和冷熱電聯(lián)供等領域的裝機量累計5萬套，燃料電池動力系統(tǒng)在汽車、軌道交通、船舶、航空等領域的裝機量累計超過10萬套。建設綠色氫電綜合調(diào)峰電站不低于10座，建成加氫站100座以上。氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)值預計2000億元以上。

　　氫能的發(fā)展要突破制、儲、運、用幾個環(huán)節(jié)的限制。因為氫氣體積密度很低，不易大規(guī)模存儲和運輸。傳統(tǒng)高壓氣瓶的方法儲放氫比較方便，但儲氫量很低，需要發(fā)展輕質(zhì)、耐高壓、安全的儲氫容器。化合物儲氫正在興起，也就是將氫與化合物反應后儲存在化合物中，例如，甲苯加氫合成甲基環(huán)己烷，儲氫量可達6wt%以上，金屬氫化鎂儲氫理論上可獲得較高的儲氫量(>7wt%)，合成氨可儲存17wt%以上氫，特別如合成甲醇可儲氫18wt%以上(包含水汽重整過程中從水中獲得的氫)。其中，甲醇和氨易于運輸和儲存，是值得關注的儲氫技術。

　　——李燦中國科學院院士、中國科學技術大學化學與材料科學學院院長

　　光分解水會產(chǎn)生氫氣。一方面，這些氫氣可以給氫燃料電池使用或直接燃燒產(chǎn)生能量，另外也可以通過氫氣和二氧化碳反應生成甲醇等含能化合物，以方便儲存。

　　光解水是世界上最為重要、最為熱門的研究課題，我們實驗室也有不少老師從事這方面的研究，我們也會支持實驗室的年輕人往這個方向拓展。相信一定能看到那一天，我們通過高效利用太陽光，徹底解決能源問題。

　　——張東輝中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員、分子反應動力學國家重點實驗室主任

　　廣州日報新花城記者：武威 莊小龍

作者：武威 莊小龍