氫能技巧從工場到汽車 「移動制氫」困局尚待破解

摘要：對此，中國科學技術大學羅毅教授主管的研究小組於2017年7月提出了首個光解水制氫儲氫一體化的材料體系設計，相關成果刊登在《自然·通訊》雜誌上。「制氫的方法有很多種，除了上述三大技術路線，還有活潑金屬與水反應、重整甲醇制氫等，關鍵要看經濟性。

　　從工廠到汽車，「移動制氫」困局尚待破解

　　氫能技術論爭

　　本報記者 吳長鋒

　　最近，中國科學院固體物理研究所李越研究員課題組，運用簡單的兩步水熱法，組裝成具有分級結構的異質全解水催化劑。這種奈米催化劑具有優異的全解水活性，在較低的電壓和電流下持續工作100小時，沒有明顯的衰減，證明其穩定性非常好，為開發低成本、高活性的雙功能電解水催化劑提供了有效的設計思路。

　　氫能經濟是20世紀70年代提出的可持續能源方案，以用之不竭的太陽光驅動，把水分解為氫氣和氧氣。而氫是一種清潔能源，燃燒生成水，不會產生任何污染物。

　　「能否用水制氫來開汽車」備受關注

　　化石能源制氫、工業副產氫、電解水制氫，是當前主流的三大制氫路線。「制氫的方法有很多種，除了上述三大技術路線，還有活潑金屬與水反應、重整甲醇制氫等，關鍵要看經濟性。」最近，中國科學技術大學化學與材料學院孟廣耀教授告訴科技日報記者。

　　大陸作為世界第一產氫大國，年產能超過2000萬噸。煤、天然氣、石油等化石燃料生產的氫氣占了將近70%，工業副產氣體制的氫約占30%，電解水占不到1%。

　　人們更多關注的是「能否用水制氫來開汽車」。除去前段時間網上談論的鋁粉還原制氫外，近年來，重整甲醇制氫逐漸進入人們的視野。

　　「這相當於把制氫的過程從工廠移到了汽車上。」孟廣耀告訴記者。他介紹，甲醇和水的蒸氣進入重整室通過高溫(約250℃)反應後，最終產物是二氧化碳和氫氣，成分比例1∶3，但氫氣中會摻雜著微量的一氧化碳。經過氣體提純後，高純度的氫氣進入燃料電池系統中，一氧化碳經過氧化後與二氧化碳一同排到大氣中。氫氣進入燃料電池系統後，後續過程與普通的燃料電池汽車無異。

　　相比建設和經營加氫站網路，甲醇重整僅需要在加油站的基礎上增加甲醇水加註功能，設備更換成本低，操作方便，似乎更易讓人接受。但是，甲醇重整過程得到的氫氣包含一氧化碳等有毒氣體，需要提純並降溫(從超過200℃降到約80℃)，這就要投入額外的設備。

　　「要應用到小轎車上，在裝置體積受限的情況下，輸出的功率是不夠的。另外，一氧化碳還是強氧化劑，極易使氫燃料電池中的催化劑‘中毒休克’，從而減少燃料電池堆的使用壽命。」孟廣耀說，甲醇重整燃料電池汽車在帶來使用便利的同時，卻重新帶來了碳排放和尾氣問題，這似乎違背了使用氫能源的初衷。

　　新技術不斷湧現，實際應用尚需時日

　　「氫能時代」的大門半掩半閉，難以走進人們的生活。對此，科學家從未停止過努力，近年來大陸科研人員的成果尤為搶眼。

　　除去成本因素外，一個重要原因是氫氣的收集和存儲上的諸多技術瓶頸。對此，中國科學技術大學羅毅教授主管的研究小組於2017年7月提出了首個光解水制氫儲氫一體化的材料體系設計，相關成果刊登在《自然·通訊》雜誌上。

　　水解制氫的另一技術障礙在於催化劑的昂貴和低效。2019年4月，《自然·催化》雜誌以封面文章的形式，報導了中國科學技術大學吳宇恩教授課題組運用創新工藝，研制出一種廉價、高效的新型釕單原子合金催化劑。相比市場上的商業釕基催化劑，這種新型催化劑的過電位降低了大約30%，穩定性提高了近10倍，為推進「電解水制氫」的工業化應用邁出重要一步。

　　2019年5月，浙江大學侯陽研究員團隊設計並開發出一種廉價新型催化劑，可模擬光合作用，將水裂解制備出氫氣。這種催化劑可將制備成本降低80%以上，將驅動反應的能量降低5%，具備工業級電解水制氫的潛能。這項成果也發表於《自然·通訊》雜誌。

　　「清華大學、上海交大、大連化物所等單位此類世界級的成果也有不少，使得氫能的高效低成本應用路徑更加明晰起來。」孟廣耀表示，這些實驗室的成果還需經歷技術成熟檢驗、工程化開發，更需要規模應用場景、產業鏈和相關政策的配套，實際應用尚需時日。