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從工廠到汽車 “移動制氫” 氫能技術困局尚待破解

科技日報 2019-06-12 09:28:39

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圖片來源:攝圖網

近日,中國科學院固體物理研究所李越研究員課題組,運用簡單的兩步水熱法,組裝成具有分級結構的異質全解水催化劑。這種納米催化劑具有優異的全解水活性,在較低的電壓和電流下持續工作100小時,沒有明顯的衰減,證明其穩定性非常好,為開發低成本、高活性的雙功能電解水催化劑提供了有效的設計思路。

氫能經濟是20世紀70年代提出的可持續能源方案,以用之不竭的太陽光驅動,把水分解為氫氣和氧氣。而氫是一種清潔能源,燃燒生成水,不會產生任何污染物。

“能否用水制氫來開汽車”備受關注

化石能源制氫、工業副產氫、電解水制氫,是當前主流的三大制氫路線。“制氫的方法有很多種,除了上述三大技術路線,還有活潑金屬與水反應、重整甲醇制氫等,關鍵要看經濟性。”近日,中國科學技術大學化學與材料學院孟廣耀教授告訴科技日報記者。

我國作為世界第一產氫大國,年產能超過2000萬噸。煤、天然氣、石油等化石燃料生產的氫氣占了將近70%,工業副產氣體制的氫約占30%,電解水占不到1%。

人們更多關注的是“能否用水制氫來開汽車”。除去前段時間網上談論的鋁粉還原制氫外,近年來,重整甲醇制氫逐漸進入人們的視野。

“這相當于把制氫的過程從工廠移到了汽車上。”孟廣耀告訴記者。他介紹,甲醇和水的蒸氣進入重整室通過高溫(約250℃)反應后,最終產物是二氧化碳和氫氣,成分比例1∶3,但氫氣中會摻雜著微量的一氧化碳。經過氣體提純后,高純度的氫氣進入燃料電池系統中,一氧化碳經過氧化后與二氧化碳一同排到大氣中。氫氣進入燃料電池系統后,后續過程與普通的燃料電池汽車無異。

相比建設和運營加氫站網絡,甲醇重整僅需要在加油站的基礎上增加甲醇水加注功能,設備更換成本低,操作方便,似乎更易讓人接受。但是,甲醇重整過程得到的氫氣包含一氧化碳等有毒氣體,需要提純并降溫(從超過200℃降到約80℃),這就要投入額外的設備。

“要應用到小轎車上,在裝置體積受限的情況下,輸出的功率是不夠的。另外,一氧化碳還是強氧化劑,極易使氫燃料電池中的催化劑‘中毒休克’,從而減少燃料電池堆的使用壽命。”孟廣耀說,甲醇重整燃料電池汽車在帶來使用便利的同時,卻重新帶來了碳排放和尾氣問題,這似乎違背了使用氫能源的初衷。

新技術不斷涌現,實際應用尚需時日

“氫能時代”的大門半掩半閉,難以走進人們的生活。對此,科學家從未停止過努力,近年來我國科研人員的成果尤為搶眼。

除去成本因素外,一個重要原因是氫氣的收集和存儲上的諸多技術瓶頸。對此,中國科學技術大學羅毅教授領導的研究小組于2017年7月提出了首個光解水制氫儲氫一體化的材料體系設計,相關成果刊登在《自然·通訊》雜志上。

水解制氫的另一技術障礙在于催化劑的昂貴和低效。2019年4月,《自然·催化》雜志以封面文章的形式,報道了中國科學技術大學吳宇恩教授課題組運用創新工藝,研制出一種廉價、高效的新型釕單原子合金催化劑。相比市場上的商業釕基催化劑,這種新型催化劑的過電位降低了大約30%,穩定性提高了近10倍,為推進“電解水制氫”的工業化應用邁出重要一步。

2019年5月,浙江大學侯陽研究員團隊設計并開發出一種廉價新型催化劑,可模擬光合作用,將水裂解制備出氫氣。這種催化劑可將制備成本降低80%以上,將驅動反應的能量降低5%,具備工業級電解水制氫的潛能。這項成果也發表于《自然·通訊》雜志。

“清華大學、上海交大、大連化物所等單位此類世界級的成果也有不少,使得氫能的高效低成本應用路徑更加明晰起來。”孟廣耀表示,這些實驗室的成果還需經歷技術成熟檢驗、工程化開發,更需要規模應用場景、產業鏈和相關政策的配套,實際應用尚需時日。

責編 張北

原標題: 氫能技術從工廠到汽車 “移動制氫”困局尚待破解

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