氫能的開發(fā)與應(yīng)用

文 蔣利軍

氫能的開發(fā)與應(yīng)用

文 蔣利軍

氫能作為二次能源，可以成為連接化石能源和可再生能源的橋梁，將熱力網(wǎng)、電力網(wǎng)和燃料供應(yīng)網(wǎng)連于一體，使化石能源應(yīng)用更清潔，使可再生能源應(yīng)用更高效。

氫能是潔凈的二次能源，其來源廣泛，可存可輸，應(yīng)用多樣。自然界中，氫存在于水、化石燃料和生物質(zhì)當(dāng)中，當(dāng)輸入一定能源后，可從這些物質(zhì)中提取出氫。近年來，全球可再生能源發(fā)展迅速，但由于其在時(shí)間和地理上的分布不均衡，產(chǎn)生的波動(dòng)大，因此造成上網(wǎng)難，如何大規(guī)模消納成為制約可再生能源規(guī)?；l(fā)展的瓶頸。2016年，我國棄風(fēng)電量達(dá)497億千瓦時(shí)，棄風(fēng)、棄光、棄水總量超過800億千瓦時(shí)，相當(dāng)于整個(gè)三峽水電站一年的發(fā)電量，十分可惜。因此，發(fā)展合適的儲能技術(shù)迫在眉睫。

氫能是大規(guī)模儲存可再生能源的重要途徑。氫適合各種規(guī)模的儲能，在儲存過程中無能量損失，可跨季度儲存。例如，可以在風(fēng)電資源豐富的時(shí)候，將剩余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為氫儲存起來，等到枯風(fēng)期使用，這樣可以實(shí)現(xiàn)全年的可再生能源供電。風(fēng)電轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜?，還有另外一個(gè)優(yōu)勢，就是終端利用靈活，氫既可以作為化工原料和工業(yè)氣體，還可用于分布式發(fā)電和燃料電池汽車的氫源，還可直接摻入天然氣管網(wǎng)作為居民燃?xì)獾?。從這個(gè)角度說，氫能作為二次能源，可以成為連接化石能源和可再生能源的橋梁，將熱力網(wǎng)、電力網(wǎng)和燃料供應(yīng)網(wǎng)連于一體，使化石能源應(yīng)用更清潔，使可再生能源應(yīng)用更高效。

制氫方法

目前，比較成熟的制氫方法有堿性電解水、水煤氣和重整制氫等方法。與此同時(shí)，新型電解水制氫方法正在研發(fā)當(dāng)中，如固體聚合物電解質(zhì)電解水制氫技術(shù)（簡稱SPE）和固體氧化物電解水制氫技術(shù)（簡稱SOEC）。SPE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)純水的電解，其功率波動(dòng)適應(yīng)范圍廣，能效比堿性電解水高。但電解水制氫首先需將其他能源轉(zhuǎn)換為電能，然后再制氫，多了一次能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而其總的能量轉(zhuǎn)換效率偏低。理想的方法是直接從太陽能出發(fā)，直接熱分解水制氫，或直接光分解水制氫，其總效能會更高。從生物質(zhì)出發(fā)，發(fā)展生物質(zhì)氣化制氫、微生物制氫也是比較有前途的制氫方法。

直接熱分解水制氫，須達(dá)3000℃的高溫，溫度太高，因而目前一般采用熱化學(xué)制氫，降低對溫度的要求。碘硫法熱化學(xué)制氫是一種新型的制氫方法，它可以與適當(dāng)熱源耦合，制取氫氣。例如，清華大學(xué)利用高溫氣冷堆的副產(chǎn)品熱能直接制氫，目前的制氫能力達(dá)到1m3/h。同樣，這樣的熱源也可以來自聚焦的太陽能。但是這項(xiàng)技術(shù)最大的難點(diǎn)在于反應(yīng)過程的穩(wěn)定控制，同時(shí)硫酸和碘具有強(qiáng)腐蝕性，對容器、管道和閥件材料的耐蝕性要求非常高。

光催化分解水制氫是利用光對催化劑的作用，將電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對，水在這種電子空穴對的作用下發(fā)生電離，氫氧根成為氧氣的來源，氫離子得到電子，還原成氫，實(shí)現(xiàn)了氫氣的制備。但電子和空穴對在遷移過程中會部分復(fù)合，同時(shí)氫和氧也會在催化劑表面部分復(fù)合，從而降低制氫的效率。我們目前的技術(shù)就是在增加光的吸收，減少電子和空穴對復(fù)合及氫氧的復(fù)合上取得進(jìn)展，獲得了整體效率的提高。目前，這項(xiàng)技術(shù)的光-氫轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到6%，按照美國能源部轉(zhuǎn)化率達(dá)到10%即具有工業(yè)價(jià)值的說法，這項(xiàng)技術(shù)還是很有發(fā)展前景的。

儲氫

氫能系統(tǒng)包含制氫、儲氫和氫能應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)，其中儲氫技術(shù)依然是目前整個(gè)氫能發(fā)展中的瓶頸。例如，滿足一個(gè)中型燃料電池轎車500公里的運(yùn)行需求，約需6公斤氫作為燃料，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，這些氫氣的體積與車身的體積相當(dāng)。由于體積過大，不能滿足應(yīng)用，因此需提高氫的儲存密度。理想的儲氫方式不僅要求高儲氫密度，而且要求快速吸/放氫，在3～5分鐘內(nèi)完成車載充氫。同時(shí)還要求使用壽命長、安全性能好、價(jià)格成本低。

儲氫有三種方式：高壓儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。目前，70兆帕下的高壓儲氫技術(shù)已經(jīng)在燃料電池汽車中廣泛使用，但這只是氫能商業(yè)化進(jìn)程中的一個(gè)過渡性技術(shù)。液氫已在航天技術(shù)中成功使用，它可以同時(shí)滿足重量和體積儲氫密度的要求，但問題在于氫液化過程約耗費(fèi)氫自身攜帶能量的30%，同時(shí)存在液氫蒸發(fā)的安全隱患。固態(tài)儲氫的體積儲氫密度最高，約合150kg/m3，但目前其重量儲氫密度偏低、儲罐過重給直接上車帶來困難。目前高壓車載儲氫技術(shù)已能滿足燃料電池汽車行駛500公里的要求，但仍需降低成本，提高儲氧密度。

我國儲氫技術(shù)發(fā)展

從整體來看，我國儲氫技術(shù)的發(fā)展還有很長的路要走。輕質(zhì)是車載移動(dòng)儲氫的前提，我國目前以鋰鎂氮?dú)浒被衔餅閮洳牧?，開發(fā)出輕質(zhì)且高容量的儲氫罐，與國際同類型儲氫罐相比，具有一定優(yōu)勢。作為固定式應(yīng)用，加氫站對儲氫罐重量的要求相對較低，固態(tài)儲氫用于此處較為適宜。從美國加氫站的情況來看，采用高壓式加氫技術(shù)，壓縮機(jī)的故障率最高。為此，我們研制出一種新型加氫站用固態(tài)高壓混合儲氫罐，集靜態(tài)壓縮和高密度儲氫于一身，通過低品位熱源的作用，可使其持續(xù)保持45MPa的高壓，為35MPa氫罐充氫，從而減少壓縮機(jī)的開啟頻率，降低壓縮機(jī)的故障率；當(dāng)室溫儲存時(shí)，罐內(nèi)氫壓降低從而提高了儲罐的安全性；此外，罐內(nèi)儲氫密度比同等體積的高壓罐高一倍，因而可以減少加氫站的占地面積，縮短加氫站的安全距離。固態(tài)儲氫在燃料電池分布式發(fā)電、備用電源用儲氫裝置、非穩(wěn)定風(fēng)/氫轉(zhuǎn)化用儲氫和太陽能集熱/氫化物儲熱中均有一定應(yīng)用。

燃料電池是氫能應(yīng)用的一種重要方式

來自環(huán)境污染和能源緊缺的壓力，倒逼兩個(gè)轉(zhuǎn)變：一是汽車產(chǎn)業(yè)由燃油動(dòng)力向氫動(dòng)力的轉(zhuǎn)變；二是供能模式由集中式向分布式供能的轉(zhuǎn)變。在這種形勢下，燃料電池技術(shù)的顯著進(jìn)步，推動(dòng)了燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)和分布式電站產(chǎn)業(yè)的興起。從全球來看，燃料電池市場快速成長，一部分市場來自汽車，另一部分來自分布式發(fā)電。燃料電池汽車只排放水，不會帶來環(huán)境污染，目前世界各大汽車公司都在開展燃料電池汽車的研發(fā)。除此之外，燃料電池還可以應(yīng)用在潛艇、深?？臻g站和無人機(jī)等方面。

為燃料電池汽車配套的加氫站也在迅速發(fā)展中。目前，全球在運(yùn)行的加氫站有274個(gè)，其中日本有92個(gè)，占據(jù)總量的1/3，在西歐、北美、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，已經(jīng)初步形成加氫站網(wǎng)絡(luò)。

氫能研發(fā)已經(jīng)得到世界各國的重視。我國近年來通過三個(gè)五年計(jì)劃的支持，已經(jīng)形成以大學(xué)和研究所為主的研發(fā)體系，包括制氫、儲氫、輸氫及安全、燃料電池、標(biāo)準(zhǔn)等研發(fā)。目前，我國已經(jīng)具備良好的制氫和儲氫工業(yè)基礎(chǔ)，煤制氫及變壓吸附純化等技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初具雛形。

但是從整體講，我國氫能還是處于世界第二方陣，與國外先進(jìn)水平相比還有差距。我國燃料電池的關(guān)鍵材料、氫氣循環(huán)泵等設(shè)備還依賴進(jìn)口，燃料電池可靠性亟待提高，在氫氣泄露和爆炸等安全研究方面還有很多空白。

為此，對我國氫能發(fā)展提出一些建議：以應(yīng)用為導(dǎo)向，以系統(tǒng)集成為主線，盡快形成可靠的終端產(chǎn)品，再逐次解決材料和部件全部自供問題；以企業(yè)為主導(dǎo)，以產(chǎn)品為目標(biāo)，以資本為紐帶，集中國內(nèi)優(yōu)勢單位，建立協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟，上下游密切結(jié)合，資源共享，快速研發(fā)；燃料電池汽車和分布式電站應(yīng)同步發(fā)展，汽車先商用車后乘用車，分布式發(fā)電與可再生能源微網(wǎng)應(yīng)密切結(jié)合，先供偏遠(yuǎn)地區(qū)后供城市；加氫站應(yīng)首先定位于“可自我持續(xù)運(yùn)行”上，在初期示范車輛不足情況下，宜建混合站，以油養(yǎng)氫，以氣養(yǎng)氫；開展棄風(fēng)（光）制氫、天然氣管網(wǎng)摻氫輸氫技術(shù)可行性和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先研究。

蔣利軍：北京有色金屬研究總院教授級高工