氢能产业该如何突围

／本刊记者 才秀敏／

据国际氢能委员会预计，到2030年，全球氢能领域投资总额将达到5000亿美元。从世界范围看，亚洲和欧洲已经成为氢能产业发展最快的地区。然而，经过数年发展，我国氢能产业虽然在技术创新及政策环境等方面都有所突破，但是始终未能得以大规模应用。

实现碳达峰和碳中和，氢能源的利用不可忽略。在上海召开的“碳达峰、碳中和背景下的氢能产业发展高端论坛”上，中国工程院院士曹湘洪介绍，氢能可以显著减少化石能源利用过程中的碳排放。利用先进流程的天然气制氢能效超过80%，燃料电池能效可以达到90%，综合能效达到72%，明显高于燃气轮机联合循环60%的热效率。使用燃料电池的新能源汽车百公里氢耗明显低于同等质量的汽油车的油耗。

氢能发展过程中的安全问题十分重要，氢气使用中的安全风险要可防可控。中国工程院院士涂善东认为，氢的危险性主要有易泄漏性、极宽的燃烧范围、易燃易爆性等，如何保障氢能的本质安全利用问题，需要关注本质安全的储运工艺和装备技术。目前储氢的方式有很多，液化储氢和压缩储氢是不断要努力攻克的方向。因为氢的危险性大，人们寄希望于各种储氢技术，如甲醇、氨和有机液体储氢载体以及利用其他材料储氢。

对于两种储氢载体——氨和甲醇，氨的优势是容易存储、运输和使用，但制造工艺能耗高，温和温度和压力下氨分解的转化率低于60%，相关催化剂还在进一步研究。此外，氨气泄漏有毒性，对于燃料电池来说存在氨中毒的问题。另外一个理想的储氢载体是甲醇，它的优势在于常温下稳定安全，是氢含量最高的液体燃料，被业内看好。

“要保障氢能的本质安全，材料是物质的基础。”过去的研究表明，高强材料的轻质损伤是一个关键问题，所以迫切需要抗氢损伤的高强材料。其研究方向的第一个方法是用涂层覆盖，第二个方法是阻止氢在材料内部的扩散，第三个方法是在微结构调控中引入抗氢的成本。此外，在本质安全设计方面，基于失效模式，还要考虑过量变形、断裂失效和交互作用的破坏等问题。

涂善东强调，安全的科学技术是推动氢能安全应用的关键，其次才是法规体系的完善。

万亿级新能源风口下，我国氢能产业该如何突围？目前，电解水制氢成为新的热点。加拿大工程研究院院士张久俊表示，太阳能、风能、水电能、生物能、地热能等人类未来可持续能源的探索将是重要方向之一，而以氢气、液氢为主要能源载体的氢能经济是可持续发展的必然，电化学能源储存和转换技术在氢能的利用中也将发挥核心作用。

电解水制氢的主要优势表现在原料水及太阳能风能发电取之不尽，用之不竭；可利用用电低谷期剩余电力制氢，以便能源存储；可得到高纯度的产物氢 （>99.999%）；反应速度可以通过槽电压进行控制。其主要挑战表现为催化剂的活性和稳定性低、能量效率低（<50%）、制氢成本高、对水的纯度要求高、电能消耗高等。

张久俊指出，氢制备的总体发展战略可以分为现在、中期、长期三个阶段。现在主要是天然气的裂解产生氢气，中期可能有一些电解水、碳的气化或者是天然气电解水，长期是由太阳能和水来制氢。到2060年，中国的氢产量预计可达1亿吨，其中电解水制氢达80%以上。

电解水制氢具有以水、太阳能、风电为原料，反应速率可以通过电压来控制的优势。同样，电解水制氢也面临着产生的氢气成本高、需要高压储存、耗能高等挑战。目前该制氢方法可能需要提高催化剂的活性和稳定性，这是降低电解水制氢电压、提高效率的最重要途径。

“未来发展电解水制氢最重要的方法是直接分解水产生氢气，就是在一个溶液里加上催化剂，经太阳照射以后产生氢气和氧气。” 张久俊认为，这种方法是人类未来的追求，目前的效率只有10%左右，是一个重大的研发课题。

“缺少核心技术、关键材料和装备，制约了我国氢能产业健康发展。”曹湘洪表示，目前，我国氢能产业面临储运分销成本较高、缺少核心技术和装备、法规与标准制度有待完善等诸多问题。为推动我国氢能产业健康发展，坚持问题导向、加强科技创新，迫在眉睫。

以氢燃料电池汽车为主，结合绿氢制甲醇、绿氢冶金、绿氢供电供热等多种应用场景，积极发展氢能，是我国实现“双碳”目标的重要战略措施，也是逐步改变我国能源结构的社会系统工程。“氢能是未来间隙性、随机性可再生能源系统中必不可少的能源载体。利用弃风弃光的电力制成并储存氢气，或者将氢气转化为能源类产品，更容易实现大规模、长期储存，非常有利于提高可再生能源利用效率。”

在曹湘洪看来，我国应尽快改变缺少核心技术、关键材料的局面。他建议，布局氢能产业链技术研究，在制氢技术方面应重点关注利用绿电的电解水制氢技术，包括新一代规模化低电耗质子交换膜电解水制氢技术、碱性固体阴离子交换膜电解水制氢技术、固体氧化物电解水制氢技术和前沿性太阳能制氢技术等。在氢气储存运输方面应重点关注有机液体储氢、镁氢合金及钛基合金储氢技术、70MPa塑料内胆碳纤维复合材料压缩气瓶的材料与制造技术。

曹湘洪提出未来氢能产业发展的六大趋势：一是替代柴油车的燃料电池汽车为主用户；二是液氢、氢气管道运输将得到发展；三是燃料电池工业发电将得到重视；四是氢储能将成为主要储能方法；五是近期以灰氢为主，中远期向蓝氢、绿氢方向发展；六是难以减排领域氢能逐渐开发利用。电 器