氫氣轉(zhuǎn)化：規(guī)避氫能事故，開辟應(yīng)用新途徑

近日，國家動力局歸納司發(fā)布《避免電力出產(chǎn)事端的二十五項要點要求(2022年版)(征求意見稿)》，其間第2項“避免火災(zāi)事端”的第6條是“避免氫氣體系爆破事端”，提出發(fā)電機氫氣冷卻體系、氫站或氫氣體系在運轉(zhuǎn)、修理、氫氣純度、排放等方面的8項要求。這是電力出產(chǎn)中用鮮血換來的名貴經(jīng)驗，價值極大，應(yīng)該推廣執(zhí)行，也值得其他涉氫部門學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)。

動力用氫比工業(yè)用氫更危險

氫氣可以用作工業(yè)原料，我國年產(chǎn)氫氣超過2500萬噸，80%用于合成氨。這些工業(yè)部門現(xiàn)已建立起完善的安全操作規(guī)程，再加上氫氣從出產(chǎn)、傳送到運用都在企業(yè)內(nèi)部的密封管道和容器中，除非走漏、破裂會形成事端外，正常出產(chǎn)中的事端很少，安全是有保證的。

現(xiàn)今，氫氣作為能量的載體進入動力領(lǐng)域，一方面是由于可再生動力電解水制得的氫氣可以長時間存放，這一點勝過儲能電池;另一方面，燃料電池技術(shù)的前進使得氫氣有了用武之地。于是，發(fā)展氫能和氫燃料電池電動轎車呼聲很高。

可是，以相同用氫量估計，動力氫氣的事端概率將遠高于工業(yè)氫氣，主要有如下理由。

首先，我國氫能出產(chǎn)地與運用地距離遙遠，不僅高壓管線建造耗資巨大，而且管材的氫脆容易引起安全問題。例如，用管狀高壓容器運送，近距離可行，遠程的能耗過高，經(jīng)濟上不可行。而工業(yè)用氫是就地出產(chǎn)、就地運用。其次，動力氫氣從出產(chǎn)到終端運用要經(jīng)過產(chǎn)地貯存、緊縮、輸運、用地貯存、再行緊縮分裝等許多環(huán)節(jié)，要在不同容器間產(chǎn)生屢次轉(zhuǎn)移，引發(fā)安全問題的可能性增加，而工業(yè)用氫多在一個密閉的管線體系中完結(jié)。最后，加氫站高度分散，點多面廣;燃料電池電動轎車更是漫山遍野，產(chǎn)生事端的概率要比工業(yè)集中用氫大得多。

動力氫氣現(xiàn)在用量尚少，但國內(nèi)外現(xiàn)已屢次呈現(xiàn)事端。北京大學(xué)教授李星國新出書的《氫與氫能》一書以43頁的篇幅具體講述了“氫氣的安全性”，介紹事端、剖析原因、列舉辦法，內(nèi)容豐富，值得研讀。

氫氣轉(zhuǎn)化有利于進步安全性

動力氫氣的貯存、運送、分發(fā)等環(huán)節(jié)難題多，安全性差。將氫氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)動力主要有體積縮小、體積能量密度進步等優(yōu)勢，可是還需歸納對比安全性、出產(chǎn)成本，以及全過程的能量轉(zhuǎn)化功率。

液氫的密度比常溫氫氣約高780倍，顯然有利于儲運?？墒?，液氫需在20K的低溫下保存，緊縮—液化耗能很高，容器要用極好的低溫絕熱材料，每天還會蒸騰產(chǎn)生約1%氣態(tài)氫。因而，其除具有氫氣一切的安全隱患外，還有超低溫引起的一系列問題，如金屬延展性降低、連接部失去密封性、對人體的凍傷等。因而，除航天等不計成本的特種用途外，液氫并不適于作為普遍運用的氫能。日本目前正在測驗從海外運回液氫，其后效當(dāng)拭目以待。

將氫氣轉(zhuǎn)化為動力液氨，可以工業(yè)化規(guī)劃出產(chǎn)，工藝老練，設(shè)備齊全，可完成較高密度貯存、運送?？墒牵喊钡馁A存、運送也需加壓，而且運用時分解放氫既要吸熱又有毒，弊大利小。

數(shù)據(jù)顯現(xiàn)，乙醇的體積能量密度高。乙醇可從二氧化碳經(jīng)光協(xié)作用轉(zhuǎn)化生成的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，是可再生的動力。遺憾的是，它至今還難以簡易地從氫氣轉(zhuǎn)化而成。

相比之下，在高溫文催化劑作用下，可以一步將氫氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳制甲醇，能量轉(zhuǎn)化功率現(xiàn)已大于50%。其體積能量密度不低，又易于貯存運送，安全性遠高于氫氣。不僅如此，此舉還消除了本要排放到大氣中的二氧化碳，為碳中和作貢獻。這種甲醇可稱之為“綠氫甲醇”。

迄今為止，冰島已完成年產(chǎn)4000噸的甲醇出產(chǎn)。我國科學(xué)院上海高級研討院與兩家企業(yè)協(xié)作，開展了二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)及中試放大研討，于2020年7月建成5000噸/年的工業(yè)試驗裝置。

由此可見，此“綠氫甲醇”之路已通。

“綠氫甲醇”開辟電動轎車新路徑

甲醇作為動力，可通過多種燃料電池發(fā)電，也可重整為氫氣用于質(zhì)子交換膜燃料電池。可是，燃料電池發(fā)電的全壽期能量轉(zhuǎn)化功率未必高過內(nèi)燃機?，F(xiàn)在，國內(nèi)用煤制甲醇(可稱為“灰氫甲醇”)的內(nèi)燃機轎車技術(shù)現(xiàn)已老練，制作成本和運用方便性遠勝過燃料電池。“綠氫甲醇”當(dāng)然也可這樣運用，這就成就了零排放的“綠氫甲醇轎車”。

為了大幅度節(jié)約“綠氫甲醇”，應(yīng)該發(fā)展“綠氫甲醇增程式電動車”，其裝量較少的電池由風(fēng)力或光伏發(fā)電提供充電電能;用內(nèi)燃機作增程器，不燒油而用“綠氫甲醇”;車上蓄電與發(fā)電并聯(lián)，節(jié)約燃料50%;不必常充電即可行長路程。這種復(fù)合動力體系可謂珠聯(lián)璧合，是氫能轎車的晉級，也是未來純電動車的發(fā)展方向。

氫氣轉(zhuǎn)化為甲醇，開辟了氫能使用和增程式電動車的夸姣使用新途徑，亟待政府布局。上海市具備條件率先發(fā)展“綠氫甲醇增程式電動車”，可將其列入相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，與氫燃料電池電動車發(fā)展雙管齊下，為全國開路。

如此，則用了氫能而回避了遍用氫氣的風(fēng)險，且完成了轎車的碳中和。

(作者系我國工程院院士)

我國科學(xué)報作者：楊裕生

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氫氣轉(zhuǎn)化氫能

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