氫氣轉化：規避氫能事故，開辟應用新途徑

近來，國家動力局歸納司發布《避免電力出產事端的二十五項要點要求(2022年版)(征求意見稿)》，其間第2項“避免火災事端”的第6條是“避免氫氣體系爆破事端”，提出發電機氫氣冷卻體系、氫站或氫氣體系在運行、修理、氫氣純度、排放等方面的8項要求。這是電力出產中用鮮血換來的名貴經歷，價值極大，應該推行履行，也值得其他涉氫部門學習借鑒。

動力用氫比工業用氫更危險

氫氣能夠用作工業原料，我國年產氫氣超越2500萬噸，80%用于合成氨。這些工業部門現已建立起完善的安全操作規程，再加上氫氣從出產、傳送到運用都在企業內部的密封管道和容器中，除非泄漏、決裂會造成事端外，正常出產中的事端很少，安全是有保障的。

現今，氫氣作為能量的載體進入動力范疇，一方面是因為可再生動力電解水制得的氫氣能夠長時間寄存，這一點勝過儲能電池;另一方面，燃料電池技能的前進使得氫氣有了用武之地。于是，開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氫氣，主要有如下理由。

首先，我國氫能出產地與運用地間隔悠遠，不只高壓管線建設耗資巨大，并且管材的氫脆簡單引起安全問題。例如，用管狀高壓容器運送，短途可行，遠程的能耗過高，經濟上不可行。而工業用氫是就地出產、就地運用。其次，動力氫氣從出產到終端運用要通過產地儲存、緊縮、輸運、用地儲存、再行緊縮分裝等許多環節，要在不同容器間發生多次轉移，引發安全問題的或許性增加，而工業用氫多在一個密閉的管線體系中完成。最后，加氫站高度分散，點多面廣;燃料電池電動轎車更是星羅棋布，發生事端的概率要比工業集中用氫大得多。

動力氫氣現在用量尚少，但國內外現已多次出現事端。北京大學教授李星國新出書的《氫與氫能》一書以43頁的篇幅詳細講述了“氫氣的安全性”，介紹事端、分析原因、羅列措施，內容豐富，值得研讀。

氫氣轉化有利于提高安全性

動力氫氣的儲存、運送、分發等環節難題多，安全性差。將氫氣轉化為液態動力主要有體積縮小、體積能量密度提高級優勢，可是還需歸納對比安全性、出產本錢，以及全過程的能量轉化功率。

液氫的密度比常溫氫氣約高780倍，明顯有利于儲運。可是，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，每天還會蒸騰發生約1%氣態氫。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，如金屬延展性下降、連接部失掉密封性、對人體的凍傷等。因而，除航天等不計工本的特種用途外，液氫并不適于作為普遍運用的氫能。日本現在正在嘗試從海外運回液氫，其后效當拭目而待。

將氫氣轉化為動力液氨，能夠工業化規劃出產，工藝成熟，設備齊全，可完成較高密度儲存、運送。可是，液氨的儲存、運送也需加壓，并且運用時分解放氫既要吸熱又有毒，弊大利小。

數據顯現，乙醇的體積能量密度高。乙醇可從二氧化碳經光合作用轉化生成的生物質轉化而來，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，能夠一步將氫氣轉化為二氧化碳制甲醇，能量轉化功率現已大于50%。其體積能量密度不低，又易于儲存運送，安全性遠高于氫氣。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。這種甲醇可稱之為“綠氫甲醇”。

迄今為止，冰島已完成年產4000噸的甲醇出產。中國科學院上海高級研討院與兩家企業合作，開展了二氧化碳加氫制甲醇技能及中試擴大研討，于2020年7月建成5000噸/年的工業試驗裝置。

由此可見，此“綠氫甲醇”之路已通。

“綠氫甲醇”拓荒電動轎車新路徑

甲醇作為動力，可通過多種燃料電池發電，也可重整為氫氣用于質子交換膜燃料電池。可是，燃料電池發電的全壽期能量轉化功率未必高過內燃機。現在，國內用煤制甲醇(可稱為“灰氫甲醇”)的內燃機轎車技能現已成熟，制作本錢和運用方便性遠勝過燃料電池。“綠氫甲醇”當然也可這樣運用，這就成就了零排放的“綠氫甲醇轎車”。

為了大幅度節約“綠氫甲醇”，應該開展“綠氫甲醇增程式電動車”，其裝量較少的電池由風力或光伏發電提供充電電能;用內燃機作增程器，不燒油而用“綠氫甲醇”;車上蓄電與發電并聯，節省燃料50%;不必常充電即可行長里程。這種復合動力體系堪稱珠聯璧合，是氫能轎車的升級，也是未來純電動車的開展方向。

氫氣轉化為甲醇，拓荒了氫能應用和增程式電動車的美好應用新途徑，亟待政府布局。上海市具備條件率先開展“綠氫甲醇增程式電動車”，可將其列入相關開展規劃，與氫燃料電池電動車開展并行不悖，為全國開路。

如此，則用了氫能而回避了遍用氫氣的危險，且完成了轎車的碳中和。

(作者系中國工程院院士)

中國科學報作者：楊裕生

標簽：

氫氣轉化氫能

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