氢气作能源，我们还有多远的路要走？

来源：科技日报

科技日报记者 吴长锋

近日，中国科学院固体物理研究所李越研究员课题组，运用简单的两步水热法，组装成具有分级结构的异质全解水催化剂。这种纳米催化剂具有优异的全解水活性，在较低的电压和电流下持续工作100小时，没有明显的衰减，证明其稳定性非常好，为开发低成本、高活性的双功能电解水催化剂提供了一种有效的设计思路。

氢能经济是20世纪70年代提出的一个最“完美”的可持续能源方案。以用之不竭的太阳光驱动，把水分解为氢气和氧气。而氢是一种清洁能源，燃烧生成水，不会产生任何污染物，达到环保可再生可持续发展的目标。

面对日益严重的环境和能源危机，我们离这一美好的目标还有多远的路要走呢？

多种路线并存

经济性是重要考量

汽车尾气排放更多受到人们关注。发展氢燃料电池汽车，首先要解决氢的来源问题。化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢，是当前主流的三大制氢路线。 

“制氢的方法有很多种，除了上述三大技术路线，还有活泼金属与水反应、重整甲醇制氢等，关键要看有没有经济性。”中国科学技术大学化学与材料学院孟广耀教授告诉科技日报记者。

孟广耀认为，我国各地区条件不一，制氢也要因地制宜。“西北不少地方风能、光能资源丰富，‘弃电’若用在电解水制氢中，不仅降低制氢成本，还能提高清洁能源使用效率。”

在今年上半年的上海车展上，包括丰田、现代、上汽大通中外车企带来了多款氢燃料电池汽车，成为一大亮点。记者了解到，当前加氢站的氢气价格约70元/千克，按百公里使用成本算，明显高于燃油车。“现在还在示范运营阶段，简单拿氢气价格和汽柴油价格比并不合适。”孟广耀表示。

虽然氢燃料电池汽车拥有节能环保、加氢时间短（只要5分钟，与加油相当）、续航里程长等优点，但国内的氢燃料电池汽车产业目前还面临一些挑战，包括技术成熟度有待提升、制造成本高等问题。

作为国内固体氧化物燃料电池的开拓者，孟广耀教授表示：“燃料电池系统所使用的关键零部件如膜电极、催化剂、空压机等，应该说国内的科研院所都有涉及，与日韩等相比，技术成熟度还不高，尚需时日才能完善相关产业链，实现氢燃料电池汽车的批量化生产。”

“移动制氢”的困局

事实上，我国作为世界第一产氢大国，产能超过2000万吨/年。煤、天然气、石油等化石燃料生产的氢气占了将近70%，工业副产气体制得氢气约占30%，电解水占不到1%。 

人们更高的关注度在于“能否用水制氢来开汽车”，除去前段时间网上谈论的铝粉还原制氢外，近年来，重整甲醇水制氢逐渐进入人们的视野。

“这相当于是把制氢的过程从工厂移到了汽车上，好处是摆脱加氢站约束，直接制造氢气提供给燃料电池使用，坏处是重新带来碳排放和尾气问题。”孟广耀告诉记者，甲醇与水蒸气在一定的温度和压力条件下，通过催化剂催化发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳。 

孟广耀介绍，甲醇和水的蒸气进入重整室通过高温（约250°C）反应后，最终产物是二氧化碳和氢气，成分比例1:3，但会掺杂着微量的一氧化碳。经过气体提纯后，高纯度的氢气进入燃料电池系统中，一氧化碳经过氧化后与二氧化碳一同排到大气中。氢气进入燃料电池系统后，后续过程与普通的燃料电池汽车无异。

由于加氢站网络有建设及运营费用高昂，建设时间长，法规程序复杂的缺点，甲醇重整仅需要在加油站的基础上增加甲醇水加注功能，设备更换成本低，操作方便，相关法规完善，可谓优势明显，似乎可以更让人容易接受。

但是，甲醇水重整过程得到的氢气包含一氧化碳等有毒气体，需要提纯并降温（从超过200°C降到约80°C），这需要额外的设备，也是额外的成本。

“要应用到小轿车上，在装置体积受限的情况下，输出的功率是不够的。另外，一氧化碳还是强氧化剂，极易使得氢燃料电池中的催化剂‘中毒休克’，从而减少燃料电池堆的使用寿命。”孟广耀表示，甲醇重整燃料电池汽车在带来使用便利的同时，却重新带来了碳排放和尾气问题，这似乎违背了使用氢能源的初衷。

新技术不断涌现

实际应用尚待时日

“氢能时代”的大门半掩半闭，难以走进人生活。对此，科学家从未停止过努力，近年来我国科研人员的成果尤为抢眼。

除去成本因素外，一个重要原因是氢气的收集和存储上的诸多技术瓶颈。2017年7月，中国科学技术大学罗毅教授领导的研究小组，提出了首个光解水制氢储氢一体化的材料体系设计，该方案具有低成本、通用性、安全储氢的优点，以较低的成本，巧妙地抑制了光解水制氢的逆反应发生，实现了氢气的有效提纯，是首个安全制氢与储氢一体化的设计。将有望为实现太阳能裂解水转换为氢能，以及氢能的大规模应用解决最困难的氢气分离和安全存储运输两个瓶颈问题。他们的成果被著名的《自然.通讯》刊登。

水解制氢的另一技术障碍在于催化剂的昂贵和低效。2019年4月，《自然·催化》以封面文章的形式，报道了中国科学技术大学吴宇恩教授课题组运用创新工艺，研制出一种廉价、高效的新型钌单原子合金催化剂，相比市场上的商业钌基催化剂，这种新型催化剂的过电位降低了大约30%，稳定性提高了近10倍，为向推进“电解水制氢”的工业化应用迈出重要一步。 

2019年5月，浙江大学侯阳研究员团队设计并开发出一种廉价新型催化剂，可模拟光合作用，将水裂解制备出氢气。这种催化剂可将制备成本降低80%以上，将驱动反应的能量降低5%，具备工业级电解水制氢的潜能。这项成果也发表于《自然·通讯》杂志。

“我国的清华大学、上海交大、大连化物所等单位此类世界级的成果也有不少，使得氢能的高效低成本应用路径更加明晰起来。”孟广耀教授表示，这些实验室的成果还需经历技术成熟检验、工程化开发，更需要规模应用场景、产业链和相关政策的配套，实际应用尚需时日。