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实现“碳中和”,“潜力股”氢能源备受青睐

济南大学前沿交叉科学研究院 周伟家

目前,在全球范围内,能源系统正在经历由脱碳驱动的重大转变。能源的产生、储存、传输、分配和应用方式在全世界范围都在发生变化。氢能源是一种洁净的二次能源载体,能方便地转换成电和热,转化效率较高,有多种来源途径,是绿色生态发展的大趋势。

与传统化工燃料汽油、柴油相比,氢能具有三大优势。一是较高的含能特性。除核燃料外,氢的燃烧热居所有化工燃料榜首,燃烧1kg氢可放出12MJ(28.6Mcal)的热量,约为汽油的三倍。二是较高的能源转化效率。氢能可以通过燃料电池直接转变为电,过程中的废热可以进一步利用,其效率可达到83%。三是碳的零排放。与化石能源的利用相比,氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放,可以实现良性循环。

氢能源的制备技术包括传统的化石燃料制氢、工业副产物制氢以及新型的电解水制氢、光催化制氢以及生物制氢等技术。值得注意的是,化石燃料制氢、工业副产物制氢和电解水制氢三种技术作为目前主要的氢气来源,化石燃料制氢和工业副产物制氢具有产量高,成本低的优势,但化石燃料制氢排放温室气体二氧化碳,与碳中和的目标相违背;工业副产物制氢一般建设地点都受制于原料供应,并且生产的氢气在燃料电池应用上存在提纯难的问题。

因此,电解水制氢受到越来越多的关注。电解水产氢技术具有清洁无污染和高效的优势,并且可以结合太阳能和风能等分布式能源,将多余的电能转化成可存储的氢能源,但电解水反应存在的关键问题在于高能耗。

针对上述问题,我们科研团队主要从以下三方面解决此问题:合成高效电解水催化剂,降低产氢过电势;利用阳极氧化降解反应取代动力学缓慢的产氧反应;利用分布式能源优化全解水系统。这些研究工作为清洁氢能源制备提供了更多可能。

氢气制备出来之后,下一步需要考虑的就是存储与输运的问题。因为氢气是密度最小的气体,而且扩散能力很强,化学性质十分活泼,这些特点决定了氢气很难以常规形式存储。目前氢气的储存方式主要有三种:高压气态存储、低温液态存储和固态吸氢材料存储。高压储氢是将氢气压缩成高压(15-40MPa),装入钢瓶中储存和运输,存在容积体积大,具有泄露和氢脆等安全问题;液态储氢是将氢气冷却到20K左右液化,体积大大缩小,然后储存在绝热的低温容器中,存在能耗大的问题;可逆金属氢化物储氢安全、储存容量大、使用方便、运输简单,是氢气储存中最方便且最有发展前景的一种储氢方法,但也存在储氢重量偏大的问题。除了氢气的存储,其输运也很重要。当前影响国内加氢站终端氢气售价的主要因素是氢气到站成本(占70%),其中包括氢气成本和储氢、运氢成本。因此除降低储氢和运氢成本之外,如何获得低成本的氢源,将是实现终端加氢站运营经济性的关键。

氢能很重要一个应用领域是氢燃料电池汽车,其应用原理是使氢或含氢物质及空气中的氧通过燃料电池以产生电力,再以电力推动电动机,由电动机推动车辆,整个过程将氢的化学能转换为机械能。氢能源的最大好处是跟空气中的氧反应产生水蒸气之后排出,可有效减少燃油汽车造成的空气污染问题。因此,氢燃料电池汽车可实现真正的零排放、零污染,是传统燃油汽车理想替代品,也是氢能清洁利用的主要方式。目前燃料电池行业无论从技术储备还是商业模式仍处于积极探索中,技术上(电堆和整车技术)的可靠性和经济性都是制约燃料电池行业发展的瓶颈。

“碳中和”下,清洁氢能源已成为能源新趋势,氢气制备技术正乘风破浪,催化剂材料扬帆远航。氢气存储与输运方面,研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料是未来发展的方向。氢能源应用燃料电池方面,配套加氢站建设成发展主旋律。

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