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(shù)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(guān)鍵領(lǐng)域均有重要布局。廣州造氫燃料電池有哪些關(guān)鍵的技術(shù)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(lǐng)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(gòu)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(guān)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(lǐng)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(shù)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(guān)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(guān)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(shù)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(gòu)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(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢的氫燃料電池系統(tǒng)及關(guān)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(gòu)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(lǐng)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(lǐng)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(guān)注的儲氫技術(shù)。

　　——李燦中國科學院院士、中國科學技術(shù)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