氢能源车如何“氢”装上阵?

　　稍有化学知识的人，都会对氢气与氧气燃烧，释放大量能量并产生水的化学反应谙熟于心。氢气也是科学家认可的最洁净的零碳能源之一。随着科技的发展，如今，人类对氢的利用达到了新高度，氢燃料电池已经应用于汽车、轮船、飞机等交通工具，其高能量转换效率、零碳排放、低噪音等优势正吸引众多企业进行技术研发和产品线拓展，成为新能源赛道中一道亮丽的风景线。

装配氢燃料发动机的运输车

　　近年来，广州高度重视氢能发展，制定了《广州市氢能产业发展规划(2019—2030年)》，计划到2025年初步建成氢能产业链。目前，广州在加氢站、氢燃料电池等氢能关键领域均有重要布局。广州造氢燃料电池有哪些关键的技术突破?实现了哪些应用?本期《科技周刊》将为大家揭秘氢燃料电池中的科技密码。

　　来到位于白云区的广东云韬氢能科技有限公司，一排全新生产的氢燃料电池发动机整齐地摆放在车间内准备封装。目前公司的生产线每年能生产2500台氢燃料电池发动机。云韬氢能研究院副院长鲁亮向记者介绍了氢燃料电池的原理——

　　1氢燃料电池为车辆供电

　　鲁亮告诉记者，氢燃料电池是将氢气和空气分别供给阳极和阴极，氢气在阳极上被氧化成氢离子和电子，其中氢离子通过质子交换膜传递到阴极，与空气中的氧气在阴极上反应产生水和热能;电子则通过外部电路传递到阳极，形成电流。

　　为了保障效率与安全运行，氢燃料电池由两个核心板块组成，一是电堆，二是支持电堆反应的各项系统总成。

　　2多个储氢罐为电池供能

　　氢燃料电池需要源源不断的氢气供能。记者看到，云韬氢能这批氢燃料电池的牵引车储氢罐主要安装在驾驶室的后方，共有8个罐，每个容积210升。因为氢气难于压缩，也是相同压强下密度最低的气体，这8个罐大约仅能装40公斤氢气。

　　和其他重卡车尾有排气管不同，其车尾部仅有一个排水的小口。氢能重卡行驶过程中，水可以直接排放到路面，实现绿色无污染。

　　3重卡加满气可驶350公里

　　自今年3月底运营开始至9月底，搭载云韬氢能发动机的首批30台氢能重卡，已在广州实际行驶超77万公里。

　　氢燃料电池发动机主要安装在重卡的驾驶室下方，储氢罐则在驾驶室后方。在8个储氢罐加满氢气的情况下，可以让一辆49吨的重卡行驶350公里。氢能重卡按照国家限速标准，可以按照最高90km/h的速度行驶。

装配在车上的由云韬氢能自主研发的“领航一号”发动机

　　4加氢站满足定期加氢需求

　　有了储氢罐供能之后，氢燃料电池汽车还需要定期加氢。目前，加氢站的氢气主要源自工业副产氢，它主要通过两种方式产生：一是焦炉煤气制氢，在钢铁厂的焦炉煤气中含有大量氢气，目前可通过提纯和脱氧等工艺制取高浓度氢气;第二是氯碱化工制氢：在电解饱和氯化钠溶液制取烧碱的过程中，产生的氢气也可被收集制取高纯度氢气。

　　从钢企购氢保障纯度99.99%

　　氢燃料电池对氢气的纯度要求很高，必须要达到99.99%才能保障电堆的安全工作。鲁亮表示：“加氢站通常从钢铁等工业企业购氢，比如加氢站在韶关就会与韶钢合作，合作过程中会重点规定加氢站的氢气浓度，一旦其中一氧化碳或硫化物超标，对于催化剂、质子交换膜会产生较大影响。”

　　产品优势

　　能源成本低

　　以成本计算，49吨的氢能重卡每百公里的氢耗大约为9~9.5公斤;而一辆相同载重的柴油重卡，每百公里大约消耗柴油45升。目前，加氢站每公斤氢气的售价约30元，每升0号柴油价格约为7元，氢能源车成本较柴油车略低，一旦油价上涨，氢能就会更加便宜，这也让渣土车公司很愿意使用氢能源车。

　　能源转化效率高

　　鲁亮介绍，“氢能转化为电能的利用率能达到50%以上;而内燃机车中，汽油转化为动能的效率普遍只有20%~30%。”

　　安全性能

　　全球未发生一起爆炸事故

　　氢气在空气中的爆炸极限为4.0%～75.6%，属于极易爆炸的气体。在实际操作中，如何保障氢燃料电池的安全?鲁亮介绍，目前全世界的氢燃料电池在使用过程中，尚未发生一起爆炸事故。氢气发生爆炸，必须要在密闭的空间里，同时必须要有明火，而氢燃料电池车目前主要在室外作业，即使发生了氢气泄漏，气体也会迅速扩散，浓度很难达到爆炸要求。

　　特种设备储存安全性高

　　目前主要采用高压储氢瓶装运氢气，高压储氢瓶属特种设备，国家对其监管要求非常高，储氢瓶必须经过碰撞、跌落、枪击、明火实验的验证，安全性有极高保障。

　　攻关重点

　　提高氢燃料电池发动机耐久性

　　鲁亮介绍，目前，氢燃料电池的科技攻关重点主要是提高催化剂的催化性能和提高氢燃料电池发动机的耐久性。

　　“我们的发动机能跑50万公里还是100万公里，直接决定整个运营周期的成本，这是所有氢燃料电池生产企业都急需进一步攻关的。”

白云区的云韬氢能生产基地生产车间。

　　提高加氢站数量

　　一位参加培训的重卡司机告诉记者，加氢站的数量远远没有加油站的数量多，如果不是走日常固定路线，有可能让他的运营效率受到影响。

　　●构建氢能全产业链

　　●打造一核、一枢纽、三基地产业布局

　　●建成集制取、储运、交易、应用一体化的氢能产业体系

　　广州科学家：研究新型质子交换膜阳极材料成本有望降至1/6

　　中国科学院广州能源研究所制氢与利用科研团队负责人、研究员闫常峰告诉记者，团队主要的研究方向是水电解制氢、与氢燃料电池相关的纳米催化材料、氢气制备和燃料电池应用的器械装置和系统等领域的研究。其中，质子交换膜水电解制氢是团队近两年投入精力最多的研究方向。

　　闫常峰介绍，目前，水电解制氢共有3条技术路线，第一种是碱性水电解制氢，即对盐水进行电解，生成烧碱、氢气和氯气的传统方法，目前该方法已经比较成熟;第二种方法是质子交换膜水电解制氢，这是团队主要的攻关课题;此外，还有第三种方法，即离子交换膜水电解制氢，“我们研究制氢的目的是储能，大家知道，风、光等可再生能源发电具有波动性和间歇性，风时有时无，太阳晴天有，晚上无，因此很难直接并网，必须通过储能提高这些能源的利用，而将这些电能制氢储能将是未来最主要的储能解决方案之一。”

　　闫常峰表示，质子交换膜水电解制氢比传统制氢方法效率更高，此前，团队已向相关企业提供电堆样品，储能能力可以做到兆瓦级。但目前困扰这一技术大规模商用的原因仍在于成本偏高。“质子交换膜的阳极主要使用的是贵金属铱，其价格为每克1250元，比黄金还贵很多，为了降低成本，我们的主要办法是开发使用非铱的贵金属材料，其价格只有铱的1/6，并且目前我们在实验室内已经稳定运行了3700小时，这大大提高了之前世界上最长的非铱阳极材料1000小时的使用时间纪录。”

　　发展规划：广州将建我国南部氢能枢纽构建氢能全产业链

　　近年来，广州大力推动氢能产业发展，氢能制、加、储、运、用产业链基本形成，氢能产业零部件上下游集聚效应初显，培育出鸿基创能、云韬氢能、氢电中科等一批在国内具有技术领先优势的氢燃料电池系统及关键零部件企业，韩国现代汽车氢燃料电池系统项目首期工程已建成投产;建成广石化1500吨/年、广钢气体1000吨/年制氢项目。

　　根据《广州市氢能产业发展规划》(2019—2030年)(以下简称《发展规划》)，广州将建成我国南部地区氢能枢纽，构建氢能全产业链。

　　《发展规划》提出，将重点建设黄埔氢能产业创新核心区、南沙氢能产业枢纽、番禺乘用车制造及分布式发电研发基地、从化商用车生产基地和白云专用车生产基地，打造一核、一枢纽、三基地产业布局。

　　到2030年，广州市将建成集制取、储运、交易、应用一体化的氢能产业体系，氢能与电力、热力等共同支撑二次能源供给，建成大湾区氢能研发设计中心、装备制造中心、检验检测中心、市场运营中心、国际交流中心。燃料电池固定发电系统在储能、备用电源、分布式能源和冷热电联供等领域的装机量累计5万套，燃料电池动力系统在汽车、轨道交通、船舶、航空等领域的装机量累计超过10万套。建设绿色氢电综合调峰电站不低于10座，建成加氢站100座以上。氢能产业实现产值预计2000亿元以上。

　　氢能的发展要突破制、储、运、用几个环节的限制。因为氢气体积密度很低，不易大规模存储和运输。传统高压气瓶的方法储放氢比较方便，但储氢量很低，需要发展轻质、耐高压、安全的储氢容器。化合物储氢正在兴起，也就是将氢与化合物反应后储存在化合物中，例如，甲苯加氢合成甲基环己烷，储氢量可达6wt%以上，金属氢化镁储氢理论上可获得较高的储氢量(>7wt%)，合成氨可储存17wt%以上氢，特别如合成甲醇可储氢18wt%以上(包含水汽重整过程中从水中获得的氢)。其中，甲醇和氨易于运输和储存，是值得关注的储氢技术。

　　——李灿中国科学院院士、中国科学技术大学化学与材料科学学院院长

　　光分解水会产生氢气。一方面，这些氢气可以给氢燃料电池使用或直接燃烧产生能量，另外也可以通过氢气和二氧化碳反应生成甲醇等含能化合物，以方便储存。

　　光解水是世界上最为重要、最为热门的研究课题，我们实验室也有不少老师从事这方面的研究，我们也会支持实验室的年轻人往这个方向拓展。相信一定能看到那一天，我们通过高效利用太阳光，彻底解决能源问题。

　　——张东辉中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员、分子反应动力学国家重点实验室主任

　　广州日报新花城记者：武威 庄小龙