氢能的开发与应用

文 蒋利军

氢能的开发与应用

文 蒋利军

氢能作为二次能源，可以成为连接化石能源和可再生能源的桥梁，将热力网、电力网和燃料供应网连于一体，使化石能源应用更清洁，使可再生能源应用更高效。

氢能是洁净的二次能源，其来源广泛，可存可输，应用多样。自然界中，氢存在于水、化石燃料和生物质当中，当输入一定能源后，可从这些物质中提取出氢。近年来，全球可再生能源发展迅速，但由于其在时间和地理上的分布不均衡，产生的波动大，因此造成上网难，如何大规模消纳成为制约可再生能源规模化发展的瓶颈。2016年，我国弃风电量达497亿千瓦时，弃风、弃光、弃水总量超过800亿千瓦时，相当于整个三峡水电站一年的发电量，十分可惜。因此，发展合适的储能技术迫在眉睫。

氢能是大规模储存可再生能源的重要途径。氢适合各种规模的储能，在储存过程中无能量损失，可跨季度储存。例如，可以在风电资源丰富的时候，将剩余风电转化为氢储存起来，等到枯风期使用，这样可以实现全年的可再生能源供电。风电转变为氢后，还有另外一个优势，就是终端利用灵活，氢既可以作为化工原料和工业气体，还可用于分布式发电和燃料电池汽车的氢源，还可直接掺入天然气管网作为居民燃气等。从这个角度说，氢能作为二次能源，可以成为连接化石能源和可再生能源的桥梁，将热力网、电力网和燃料供应网连于一体，使化石能源应用更清洁，使可再生能源应用更高效。

制氢方法

目前，比较成熟的制氢方法有碱性电解水、水煤气和重整制氢等方法。与此同时，新型电解水制氢方法正在研发当中，如固体聚合物电解质电解水制氢技术（简称SPE）和固体氧化物电解水制氢技术（简称SOEC）。SPE技术可以实现纯水的电解，其功率波动适应范围广，能效比碱性电解水高。但电解水制氢首先需将其他能源转换为电能，然后再制氢，多了一次能量转换环节，因而其总的能量转换效率偏低。理想的方法是直接从太阳能出发，直接热分解水制氢，或直接光分解水制氢，其总效能会更高。从生物质出发，发展生物质气化制氢、微生物制氢也是比较有前途的制氢方法。

直接热分解水制氢，须达3000℃的高温，温度太高，因而目前一般采用热化学制氢，降低对温度的要求。碘硫法热化学制氢是一种新型的制氢方法，它可以与适当热源耦合，制取氢气。例如，清华大学利用高温气冷堆的副产品热能直接制氢，目前的制氢能力达到1m³/h。同样，这样的热源也可以来自聚焦的太阳能。但是这项技术最大的难点在于反应过程的稳定控制，同时硫酸和碘具有强腐蚀性，对容器、管道和阀件材料的耐蚀性要求非常高。

光催化分解水制氢是利用光对催化剂的作用，将电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对，水在这种电子空穴对的作用下发生电离，氢氧根成为氧气的来源，氢离子得到电子，还原成氢，实现了氢气的制备。但电子和空穴对在迁移过程中会部分复合，同时氢和氧也会在催化剂表面部分复合，从而降低制氢的效率。我们目前的技术就是在增加光的吸收，减少电子和空穴对复合及氢氧的复合上取得进展，获得了整体效率的提高。目前，这项技术的光-氢转化效率可以达到6%，按照美国能源部转化率达到10%即具有工业价值的说法，这项技术还是很有发展前景的。

储氢

氢能系统包含制氢、储氢和氢能应用三个环节，其中储氢技术依然是目前整个氢能发展中的瓶颈。例如，满足一个中型燃料电池轿车500公里的运行需求，约需6公斤氢作为燃料，在标准状态下，这些氢气的体积与车身的体积相当。由于体积过大，不能满足应用，因此需提高氢的储存密度。理想的储氢方式不仅要求高储氢密度，而且要求快速吸/放氢，在3～5分钟内完成车载充氢。同时还要求使用寿命长、安全性能好、价格成本低。

储氢有三种方式：高压储氢、液态储氢和固态储氢。目前，70兆帕下的高压储氢技术已经在燃料电池汽车中广泛使用，但这只是氢能商业化进程中的一个过渡性技术。液氢已在航天技术中成功使用，它可以同时满足重量和体积储氢密度的要求，但问题在于氢液化过程约耗费氢自身携带能量的30%，同时存在液氢蒸发的安全隐患。固态储氢的体积储氢密度最高，约合150kg/m³，但目前其重量储氢密度偏低、储罐过重给直接上车带来困难。目前高压车载储氢技术已能满足燃料电池汽车行驶500公里的要求，但仍需降低成本，提高储氧密度。

我国储氢技术发展

从整体来看，我国储氢技术的发展还有很长的路要走。轻质是车载移动储氢的前提，我国目前以锂镁氮氢氨基化合物为储氢材料，开发出轻质且高容量的储氢罐，与国际同类型储氢罐相比，具有一定优势。作为固定式应用，加氢站对储氢罐重量的要求相对较低，固态储氢用于此处较为适宜。从美国加氢站的情况来看，采用高压式加氢技术，压缩机的故障率最高。为此，我们研制出一种新型加氢站用固态高压混合储氢罐，集静态压缩和高密度储氢于一身，通过低品位热源的作用，可使其持续保持45MPa的高压，为35MPa氢罐充氢，从而减少压缩机的开启频率，降低压缩机的故障率；当室温储存时，罐内氢压降低从而提高了储罐的安全性；此外，罐内储氢密度比同等体积的高压罐高一倍，因而可以减少加氢站的占地面积，缩短加氢站的安全距离。固态储氢在燃料电池分布式发电、备用电源用储氢装置、非稳定风/氢转化用储氢和太阳能集热/氢化物储热中均有一定应用。

燃料电池是氢能应用的一种重要方式

来自环境污染和能源紧缺的压力，倒逼两个转变：一是汽车产业由燃油动力向氢动力的转变；二是供能模式由集中式向分布式供能的转变。在这种形势下，燃料电池技术的显著进步，推动了燃料电池汽车产业和分布式电站产业的兴起。从全球来看，燃料电池市场快速成长，一部分市场来自汽车，另一部分来自分布式发电。燃料电池汽车只排放水，不会带来环境污染，目前世界各大汽车公司都在开展燃料电池汽车的研发。除此之外，燃料电池还可以应用在潜艇、深海空间站和无人机等方面。

为燃料电池汽车配套的加氢站也在迅速发展中。目前，全球在运行的加氢站有274个，其中日本有92个，占据总量的1/3，在西欧、北美、日本等发达国家和地区，已经初步形成加氢站网络。

氢能研发已经得到世界各国的重视。我国近年来通过三个五年计划的支持，已经形成以大学和研究所为主的研发体系，包括制氢、储氢、输氢及安全、燃料电池、标准等研发。目前，我国已经具备良好的制氢和储氢工业基础，煤制氢及变压吸附纯化等技术处于国际先进水平，燃料电池产业链已经初具雏形。

但是从整体讲，我国氢能还是处于世界第二方阵，与国外先进水平相比还有差距。我国燃料电池的关键材料、氢气循环泵等设备还依赖进口，燃料电池可靠性亟待提高，在氢气泄露和爆炸等安全研究方面还有很多空白。

为此，对我国氢能发展提出一些建议：以应用为导向，以系统集成为主线，尽快形成可靠的终端产品，再逐次解决材料和部件全部自供问题；以企业为主导，以产品为目标，以资本为纽带，集中国内优势单位，建立协同创新联盟，上下游密切结合，资源共享，快速研发；燃料电池汽车和分布式电站应同步发展，汽车先商用车后乘用车，分布式发电与可再生能源微网应密切结合，先供偏远地区后供城市；加氢站应首先定位于“可自我持续运行”上，在初期示范车辆不足情况下，宜建混合站，以油养氢，以气养氢；开展弃风（光）制氢、天然气管网掺氢输氢技术可行性和标准预先研究。

蒋利军：北京有色金属研究总院教授级高工