氫氣轉(zhuǎn)化：規(guī)避氫能事故，開(kāi)辟應(yīng)用新途徑

近來(lái)，國(guó)家動(dòng)力局歸納司發(fā)布《避免電力出產(chǎn)事端的二十五項(xiàng)要點(diǎn)要求(2022年版)(征求意見(jiàn)稿)》，其間第2項(xiàng)“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(jī)氫氣冷卻體系、氫站或氫氣體系在運(yùn)行、修理、氫氣純度、排放等方面的8項(xiàng)要求。這是電力出產(chǎn)中用鮮血換來(lái)的名貴經(jīng)歷，價(jià)值極大，應(yīng)該推行履行，也值得其他涉氫部門(mén)學(xué)習(xí)借鑒。

動(dòng)力用氫比工業(yè)用氫更危險(xiǎn)

氫氣能夠用作工業(yè)原料，我國(guó)年產(chǎn)氫氣超越2500萬(wàn)噸，80%用于合成氨。這些工業(yè)部門(mén)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(yùn)用都在企業(yè)內(nèi)部的密封管道和容器中，除非泄漏、決裂會(huì)造成事端外，正常出產(chǎn)中的事端很少，安全是有保障的。

現(xiàn)今，氫氣作為能量的載體進(jìn)入動(dòng)力范疇，一方面是因?yàn)榭稍偕鷦?dòng)力電解水制得的氫氣能夠長(zhǎng)時(shí)間寄存，這一點(diǎn)勝過(guò)儲(chǔ)能電池;另一方面，燃料電池技能的前進(jìn)使得氫氣有了用武之地。于是，開(kāi)展氫能和氫燃料電池電動(dòng)轎車(chē)呼聲很高。

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

首先，我國(guó)氫能出產(chǎn)地與運(yùn)用地間隔悠遠(yuǎn)，不只高壓管線建設(shè)耗資巨大，并且管材的氫脆簡(jiǎn)單引起安全問(wèn)題。例如，用管狀高壓容器運(yùn)送，短途可行，遠(yuǎn)程的能耗過(guò)高，經(jīng)濟(jì)上不可行。而工業(yè)用氫是就地出產(chǎn)、就地運(yùn)用。其次，動(dòng)力氫氣從出產(chǎn)到終端運(yùn)用要通過(guò)產(chǎn)地儲(chǔ)存、緊縮、輸運(yùn)、用地儲(chǔ)存、再行緊縮分裝等許多環(huán)節(jié)，要在不同容器間發(fā)生多次轉(zhuǎn)移，引發(fā)安全問(wèn)題的或許性增加，而工業(yè)用氫多在一個(gè)密閉的管線體系中完成。最后，加氫站高度分散，點(diǎn)多面廣;燃料電池電動(dòng)轎車(chē)更是星羅棋布，發(fā)生事端的概率要比工業(yè)集中用氫大得多。

動(dòng)力氫氣現(xiàn)在用量尚少，但國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已多次出現(xiàn)事端。北京大學(xué)教授李星國(guó)新出書(shū)的《氫與氫能》一書(shū)以43頁(yè)的篇幅詳細(xì)講述了“氫氣的安全性”，介紹事端、分析原因、羅列措施，內(nèi)容豐富，值得研讀。

氫氣轉(zhuǎn)化有利于提高安全性

動(dòng)力氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)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(dòng)力主要有體積縮小、體積能量密度提高級(jí)優(yōu)勢(shì)，可是還需歸納對(duì)比安全性、出產(chǎn)本錢(qián)，以及全過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化功率。

液氫的密度比常溫氫氣約高780倍，明顯有利于儲(chǔ)運(yùn)?？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(huì)蒸騰發(fā)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(wèn)題，如金屬延展性下降、連接部失掉密封性、對(duì)人體的凍傷等。因而，除航天等不計(jì)工本的特種用途外，液氫并不適于作為普遍運(yùn)用的氫能。日本現(xiàn)在正在嘗試從海外運(yùn)回液氫，其后效當(dāng)拭目而待。

將氫氣轉(zhuǎn)化為動(dòng)力液氨，能夠工業(yè)化規(guī)劃出產(chǎn)，工藝成熟，設(shè)備齊全，可完成較高密度儲(chǔ)存、運(yùn)送?？墒?，液氨的儲(chǔ)存、運(yùn)送也需加壓，并且運(yùn)用時(shí)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)光合作用轉(zhuǎn)化生成的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)，是可再生的動(dòng)力。遺憾的是，它至今還難以簡(jiǎn)易地從氫氣轉(zhuǎn)化而成。

相比之下，在高溫文催化劑作用下，能夠一步將氫氣轉(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，又易于儲(chǔ)存運(yùn)送，安全性遠(yuǎn)高于氫氣。不只如此，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(xiàn)。這種甲醇可稱(chēng)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)。中國(guó)科學(xué)院上海高級(jí)研討院與兩家企業(yè)合作，開(kāi)展了二氧化碳加氫制甲醇技能及中試擴(kuò)大研討，于2020年7月建成5000噸/年的工業(yè)試驗(yàn)裝置。

由此可見(jiàn)，此“綠氫甲醇”之路已通。

“綠氫甲醇”拓荒電動(dòng)轎車(chē)新路徑

甲醇作為動(dòng)力，可通過(guò)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?？墒?，燃料電池發(fā)電的全壽期能量轉(zhuǎn)化功率未必高過(guò)內(nèi)燃機(jī)?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)用煤制甲醇(可稱(chēng)為“灰氫甲醇”)的內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)技能現(xiàn)已成熟，制作本錢(qián)和運(yùn)用方便性遠(yuǎn)勝過(guò)燃料電池。“綠氫甲醇”當(dāng)然也可這樣運(yùn)用，這就成就了零排放的“綠氫甲醇轎車(chē)”。

為了大幅度節(jié)約“綠氫甲醇”，應(yīng)該開(kāi)展“綠氫甲醇增程式電動(dòng)車(chē)”，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(jī)作增程器，不燒油而用“綠氫甲醇”;車(chē)上蓄電與發(fā)電并聯(lián)，節(jié)省燃料50%;不必常充電即可行長(zhǎng)里程。這種復(fù)合動(dòng)力體系堪稱(chēng)珠聯(lián)璧合，是氫能轎車(chē)的升級(jí)，也是未來(lái)純電動(dòng)車(chē)的開(kāi)展方向。

氫氣轉(zhuǎn)化為甲醇，拓荒了氫能應(yīng)用和增程式電動(dòng)車(chē)的美好應(yīng)用新途徑，亟待政府布局。上海市具備條件率先開(kāi)展“綠氫甲醇增程式電動(dòng)車(chē)”，可將其列入相關(guān)開(kāi)展規(guī)劃，與氫燃料電池電動(dòng)車(chē)開(kāi)展并行不悖，為全國(guó)開(kāi)路。

如此，則用了氫能而回避了遍用氫氣的危險(xiǎn)，且完成了轎車(chē)的碳中和。

(作者系中國(guó)工程院院士)

中國(guó)科學(xué)報(bào)作者：楊裕生

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氫氣轉(zhuǎn)化氫能

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