氫氣燃燒產(chǎn)生的唯一廢物就是水，它甚至連造成污染的隱患都不存在，憑此優(yōu)勢，氫能成為業(yè)界最為期待的一匹黑馬。

　　據國際氫能委員會(huì )預計，到2030年，全球氫能領(lǐng)域投資總額將達到5000億美元。從世界范圍看，亞洲和歐洲已經(jīng)成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區。

　　然而，經(jīng)過(guò)數年發(fā)展，我國氫能產(chǎn)業(yè)雖然在技術(shù)創(chuàng )新及政策環(huán)境等方面都有所突破，但是始終未能得以大規模應用。

　　萬(wàn)億級新能源風(fēng)口下，我國氫能產(chǎn)業(yè)該如何突圍？近日，在上海召開(kāi)的“碳達峰、碳中和背景下的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展高端論壇”上，多位院士為我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展建言獻策。

　　中國工程院院士曹湘洪：

　　盡快改變缺少核心技術(shù)的局面

　　“缺少核心技術(shù)、關(guān)鍵材料和裝備，制約了我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展?！痹诓芟婧榭磥?lái)，目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)面臨儲運分銷(xiāo)成本較高、缺少核心技術(shù)和裝備、法規與標準制度有待完善等諸多問(wèn)題。為推動(dòng)我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，堅持問(wèn)題導向、加強科技創(chuàng )新，迫在眉睫。

　　曹湘洪表示，以氫燃料電池汽車(chē)為主，結合綠氫制甲醇、綠氫冶金、綠氫供電供熱等多種應用場(chǎng)景，積極發(fā)展氫能，是我國實(shí)現“雙碳”目標的重要戰略措施，也是逐步改變我國能源結構的社會(huì )系統工程。

　　“氫能是未來(lái)間隙性、隨機性可再生能源系統中必不可少的能源載體。利用棄風(fēng)棄光的電力制成并儲存氫氣，或者將氫氣轉化為能源類(lèi)產(chǎn)品，更容易實(shí)現大規模、長(cháng)期儲存，非常有利于提高可再生能源利用效率?！辈芟婧檎f(shuō)。

　　不過(guò)，從綠電制氫、氫氣儲存、運輸到加氫站等各類(lèi)用氫設施建設到各種燃料電池技術(shù)，我國與國際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。在曹湘洪看來(lái)，我國應盡快改變缺少核心技術(shù)、關(guān)鍵材料的局面。

　　他建議，布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)研究，在制氫技術(shù)方面應重點(diǎn)關(guān)注利用綠電的電解水制氫技術(shù)，包括新一代規?；碗姾馁|(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)、堿性固體陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)、固體氧化物電解水制氫技術(shù)和前沿性太陽(yáng)能制氫技術(shù)等。在氫氣儲存運輸方面應重點(diǎn)關(guān)注有機液體儲氫、鎂氫合金及鈦基合金儲氫技術(shù)、70 MPa塑料內膽碳纖維復合材料壓縮氣瓶的材料與制造技術(shù)。

　　此外，曹湘洪還提出未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的六大趨勢：一是替代柴油車(chē)的燃料電池汽車(chē)為主用戶(hù)；二是液氫、氫氣管道運輸將得到發(fā)展；三是燃料電池工業(yè)發(fā)電將得到重視；四是氫儲能將成為主要儲能方法；五是近期以灰氫為主，中遠期向藍氫、綠氫方向發(fā)展；六是難以減排領(lǐng)域氫能逐漸開(kāi)發(fā)利用。

　　中國工程院院士涂善東：

　　保障氫能本質(zhì)安全的基礎是材料

　　氫能發(fā)展過(guò)程中的安全問(wèn)題十分重要，涂善東認為，氫的危險性主要有易泄漏性、極寬的燃燒范圍、易燃易爆性等，如何保障氫能的本質(zhì)安全利用問(wèn)題，需要關(guān)注本質(zhì)安全的儲運工藝和裝備技術(shù)。

　　據涂善東介紹，目前儲氫的方式有很多，液化儲氫和壓縮儲氫是不斷要努力攻克的方向。因為氫的危險性大，大家寄希望于各種儲氫技術(shù)，如甲醇、氨和有機液體儲氫載體以及利用其他材料儲氫。

　　對于兩種儲氫載體——氨和甲醇，涂善東介紹，氨的優(yōu)勢是容易存儲、運輸和使用，但制造工藝能耗高，溫和溫度和壓力下氨分解的轉化率低于60%，相關(guān)催化劑還在進(jìn)一步研究。此外，氨氣泄漏有毒性，對于燃料電池來(lái)說(shuō)存在氨中毒的問(wèn)題。另外一個(gè)理想的儲氫載體是甲醇，它的優(yōu)勢在于常溫下穩定安全，是氫含量最高的液體燃料，被業(yè)內看好。

　　“要保障氫能的本質(zhì)安全，材料是物質(zhì)的基礎?！蓖可茤|強調說(shuō)，過(guò)去的研究表明，高強材料的輕質(zhì)損傷是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，所以迫切需要抗氫損傷的高強材料。其研究方向的第一個(gè)方法是用涂層覆蓋，第二個(gè)方法是阻止氫在材料內部的擴散，第三個(gè)方法是在微結構調控中引入抗氫的成本。此外，在本質(zhì)安全設計方面，基于失效模式，還要考慮過(guò)量變形、斷裂失效和交互作用的破壞等問(wèn)題。

　　涂善東強調，安全的科學(xué)技術(shù)是推動(dòng)氫能安全應用的關(guān)鍵，其次才是法規體系的完善。他也在致力于倡導一種新的制造模式，打造以可靠性為中心的創(chuàng )新網(wǎng)絡(luò )，希望在氫能制造裝備中，通過(guò)一代材料、一代可靠性技術(shù)和一代先進(jìn)裝備，為我國氫能產(chǎn)業(yè)做貢獻。

　　加拿大工程研究院院士張久?。?/strong>

　　電解水制氫是重大研究課題

　　目前，電解水制氫成為新的熱點(diǎn)。張久俊表示，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電能、生物能、地熱能等人類(lèi)未來(lái)可持續能源的探索將是重要方向之一，而以氫氣、液氫為主要能源載體的氫能經(jīng)濟是可持續發(fā)展的必然，電化學(xué)能源儲存和轉換技術(shù)在氫能的利用中也將發(fā)揮核心作用。

　　張久俊表示，電解水制氫的主要優(yōu)勢表現在原料水及太陽(yáng)能風(fēng)能發(fā)電取之不盡，用之不竭；可利用用電低谷期剩余電力制氫，以便能源存儲；可得到高純度的產(chǎn)物氫（>99.999%）；反應速度可以通過(guò)槽電壓進(jìn)行控制。其主要挑戰表現為催化劑的活性和穩定性低、能量效率低（<50%）、制氫成本高、對水的純度要求高、電能消耗高等。

　　張久俊指出，氫制備的總體發(fā)展戰略可以分為現在、中期、長(cháng)期3個(gè)階段?，F在主要是天然氣的裂解產(chǎn)生氫氣，中期可能有一些電解水、碳的氣化或者是天然氣電解水，長(cháng)期是由太陽(yáng)能和水來(lái)制氫。

　　“2017年全球氫氣生產(chǎn)量超過(guò)6000萬(wàn)噸，大部分采用天然氣和煤。電解水制氫只占4%，成本比較高?！睆埦每∵M(jìn)一步指出，到2060年，中國的氫產(chǎn)量預計可達1億噸，其中電解水制氫達80%以上。

　　在張久俊看來(lái)，電解水制氫具有以水、太陽(yáng)能、風(fēng)電為原料，反應速率可以通過(guò)電壓來(lái)控制的優(yōu)勢。同樣，電解水制氫也面臨著(zhù)產(chǎn)生的氫氣成本高、需要高壓儲存、耗能高等挑戰。他指出，目前該制氫方法可能需要提高催化劑的活性和穩定性，這是降低電解水制氫電壓、提高效率的最重要途徑。

　　“未來(lái)發(fā)展電解水制氫最重要的方法是直接分解水產(chǎn)生氫氣，就是在一個(gè)溶液里加上催化劑，經(jīng)太陽(yáng)照射以后產(chǎn)生氫氣和氧氣?！睆埦每≌f(shuō)，這種方法是人類(lèi)未來(lái)的追求，目前的效率只有10%左右，是一個(gè)重大的研發(fā)課題。

來(lái)源|中國科學(xué)報

編輯|敬之

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