客戶考察水氫電動車 圖片來源/科技日報

跨年之際，大面積的霧霾也跨越了新年，在新年之初，就給我國帶來了沉重的環(huán)境壓力。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，在我國已加速形成倒逼機制。如何高效、安全地使用清潔能源成為一項迫在眉睫的重大課題。

循環(huán)經(jīng)濟是指把傳統(tǒng)的依賴資源消耗的線形增長的經(jīng)濟，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽可鷳B(tài)型資源循環(huán)來發(fā)展的經(jīng)濟。我國高度重視發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設資源節(jié)約型社會，不斷提高資源利用效率，但經(jīng)濟社會發(fā)展仍然面臨著巨大的資源壓力。綠色能源和循環(huán)經(jīng)濟之間是否存在內(nèi)在的關系？當今科技是否已在探索解決綠色能源的同時又推動循環(huán)經(jīng)濟的實現(xiàn)和發(fā)展？記者帶著問題歷經(jīng)兩年的深入調(diào)研和走訪，在廣東一家民營企業(yè)找到了可喜的答案。

氫能：成為綠色能源引領者

氫能具有熱值高，清潔無污染，來源豐富等特點，演繹了自然物質(zhì)循環(huán)利用、持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過程，被公認為是人類最理想的能源。氫能是取之不盡用之不竭的，除了從化石能源中獲得氫能外，還可以通過生物質(zhì)能、太陽能、風能等可再生能源獲得氫氣。目前主要有三種氫能的利用方式，包括直接燃燒、通過氫燃料電池轉(zhuǎn)化為電能及核聚變。其中，通過氫燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能是最高效安全的使用方式，通過電化學反應燃料電池可以直接把氫能變成電能和水，不排放任何有害物質(zhì)。氫燃料電池通過電化學反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陽極，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式。氫燃料電池核心是質(zhì)子交換膜（PEM），它負責把氫的質(zhì)子和電子剝離開。

氫能的開發(fā)利用已被許多發(fā)達國家列為重要國策，美、歐、日等發(fā)達國家和地區(qū)都從國家可持續(xù)發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度，制定了長期的氫能源發(fā)展戰(zhàn)略。我國作為國際氫能經(jīng)濟和燃料電池伙伴計劃國際組織的發(fā)起國之一，于2015年在武漢召開了國際氫能經(jīng)濟和燃料電池伙伴計劃第23屆指導委員會研討會議，目的是建立一種機制以實現(xiàn)高效合作，其重點是研討氫能和燃料電池技術的國際研究、開發(fā)、示范和商業(yè)利用。

在化工廠中制備氫早已不是難題，但如何隨時隨地方便地使用氫成為關鍵。氫密度低的性質(zhì)導致其難以常溫常壓儲存，泄漏后又有爆炸危險，氫90%左右的使用成本都用于壓儲運環(huán)節(jié)。因此，氫的儲運安全和使用成本問題成為制約氫能發(fā)展的主要瓶頸。那能否避開氫的“壓儲運”環(huán)節(jié)，把集中制氫轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际街茪?，讓常壓的氫氣變得唾手可得呢?016年3月國家能源局列入國家發(fā)布的“能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030）”已經(jīng)把分布式制氫納入其中。目前，分布式制氫主要包括電解水制氫、甲醇重整制氫等方式，電解水制氫是一種比較常用的分布式制氫辦法，但因制備成本比較高、損耗高、設備難以小型化，電解水制氫很難推廣應用；相對而言，甲醇重整制氫是一條便捷可行之路，直接通過化學反應甲醇可生成二氧化碳和氫。

甲醇重整制氫需要把二氧化碳和氫進行分離，目前常用的方法是變壓吸附法（PSA法），該方式相對穩(wěn)定，可產(chǎn)生高純度氫氣，目前業(yè)界普遍認為此法不易做到結(jié)構(gòu)小型化。相比之下，可以使結(jié)構(gòu)小型化的膜技術又存在成本過高（主要是催化劑成本）的問題。如此看來，膜技術的突破對于甲醇重整制氫設備的小型化將起到至關重要的作用，并可能直接影響氫能的大范圍推廣和應用。

甲醇：一種可再生的分布式能源

分布式發(fā)電是將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電、熱或冷能的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的電站相比，分布式發(fā)電更靠近用戶，不需要高壓輸電系統(tǒng)，且建設快、運行費用低，具有經(jīng)濟性、安全性和靈活性等特點，可減少對傳統(tǒng)火力發(fā)電對環(huán)境的破壞，滿足能源可持續(xù)發(fā)展的要求。提及可再生的布式發(fā)電能源，大家可能首先會想到光伏和風力，然而太陽能、風能因受地球自轉(zhuǎn)、氣候、地域等因素影響具有明顯的間歇式特點，無法直接滿足人類可持續(xù)的用電需求。此外，目前比較常見的分布式發(fā)電方式還有天然氣發(fā)電、沼氣發(fā)電、氫能發(fā)電及生物質(zhì)發(fā)電等。甲醇作為一種可再生的能源，它可以通過生物質(zhì)制取，可以直接用于發(fā)電，也可以轉(zhuǎn)變成氫氣發(fā)電，它是一種可再生分布式發(fā)電的能源。

甲醇直接燃燒發(fā)電是熱能轉(zhuǎn)化為機械能，再從機械能轉(zhuǎn)化為電能，二次轉(zhuǎn)化效率過低，一般不為采用，直接甲醇燃料電池DMFC發(fā)電技術，只在2012年前后日本東芝的有關成果獲得報道，至今報道并不多見。為了更全面的了解一種可再生的分布式發(fā)電能源的可行性，記者搜集了目前已有的四種甲醇發(fā)電路徑并進行比對，發(fā)現(xiàn)只有把甲醇變成氫氣，再用氫氣發(fā)電的技術是最成熟的，而且具有相對較高的轉(zhuǎn)換效率和環(huán)保指數(shù)（見表）。

醇水氫燃料電池高效一體機

目前，很多專家學者都在努力攻關醇水氫燃料電池發(fā)電技術，其原理是將甲醇和水的混合溶液利用催化劑進行催化重整產(chǎn)生重整氣，再利用純化膜將重整氣進行提純得到高純度氫氣。為什么要使用甲醇和水的混合溶液為原料呢？甲醇（CH3OH）分子中含有4個氫原子，而水（H2O）中有2個氫原子，兩者進行混合后再進行催化反應可以得到6個氫原子，大大提高了制氫效率。

結(jié)論似乎已經(jīng)出來了，期望著有一種完全新型的新能源發(fā)電設備，該設備以能量密度高、可再生、存儲運輸方便的甲醇為燃料，該設備使用膜技術，讓設備足夠小型化，膜的成本不能高，又能夠產(chǎn)生高純度的氫，且性能穩(wěn)定，再直接與氫燃料電池很好地對接。

水氫機：我國完全自主研發(fā)的甲醇水發(fā)電機

三年前，一家專注于甲醇水蒸氣催化重整氫燃料電池的應用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，“廣東合即得能源科技有限公司”（以下簡稱“合即得”）落戶廣東東莞。三年來，記者跟蹤了這家企業(yè)的技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

該項技術發(fā)明人向華帶領他的團隊把甲醇水蒸氣催化重整制氫技術和氫燃料電池技術結(jié)合起來實現(xiàn)了一體化發(fā)電，并將該設備稱之為“水氫機”。2009年團隊研制出他們的第一臺樣機，并對設備進行迭代研發(fā)。如今，合即得自主研發(fā)的水氫機擁有80多個核心元器件，獨立擁有4套核心膜技術，獨立擁有目前發(fā)電效率較高的3-5-7技術（即3公斤甲醇可產(chǎn)5標立方氫氣發(fā)7度電）。在水氫機的應用開發(fā)上，合即得已生產(chǎn)出電動車移動充電寶、野營發(fā)電機等家用和商業(yè)發(fā)電機產(chǎn)品，同時把水氫機應用在汽車領域，將水氫機作為汽車的能源動力系統(tǒng)，并陸續(xù)生產(chǎn)出水氫警務車、水氫旅游光車等，并成功地改裝了轎車、大巴、觀光車等水氫電動車車型。

通過近10年的研發(fā)，合即得的甲醇水蒸氣催化重整氫燃料電池發(fā)電技術取得了驕人的進步，水氫機的優(yōu)勢也越來越明顯：制氫純度大于99.9999%；設備性能穩(wěn)定，有關產(chǎn)品已連續(xù)不間斷工作11個月；實現(xiàn)了小型化，體積從以前的衣柜大小成現(xiàn)在的電腦機箱大小，30kw水氫機尺寸僅為1210×270×800mm；發(fā)電效率也大大提高，每公斤甲醇可產(chǎn)生2.3度電；設備可進行快速啟動和遠程操控；設備系統(tǒng)安全可靠，無任何高壓儲氫設備；整機基本無運動部件，噪音小于55db。

目前，合即得向華團隊已擁有500多項專利，包括“一種基于甲醇水制氫系統(tǒng)的發(fā)電機及其發(fā)電方法”“一種甲醇水蒸氣重整制氫設備及制氫方法”“甲醇水制氫設備的膜分離器及其制備方法”等涉及到燃料重整、燃料電池、氫氣提純的核心專利，掌握多種燃料重整制氫的反應器研發(fā)和工程技術、世界領先的燃料電池系統(tǒng)集成技術及多種不同場景的多種氫氣提純和制氫生產(chǎn)設備工藝。2015年合即得的“新能源汽車高效安全移動制氫燃料電池研究與應用”項目獲得廣東省科技廳應用型科技研發(fā)專項資金重大項目立項支持。2016年合即得通過了中關村蘭德評價研究院20多個專家院士的評價，高度評價水氫機是氫能時代具有標志性的機器，是蒸汽機、內(nèi)燃機發(fā)展進步的產(chǎn)物，一致肯定水氫機的廣泛應用極具社會價值和經(jīng)濟價值。自2014年至2016年合即得由廣東省科學技術情報研究所查新中心出具了 “甲醇水氫燃料電池供電系統(tǒng)”“甲醇水制氫技術及其在發(fā)電系統(tǒng)的應用”“一種多組合獨立式醇水制氫燃料電池汽車的研發(fā)”等多個科技查新報告，總體結(jié)論為：未見相同的技術路線，類似技術路線的多項指標（包括設備大小、氫氣純度、發(fā)電效率、啟動時間等），未見有與其相同的文獻報道。

此外，合即得正在努力在移動電力、應急電力、戶（野）外電力、備用電力等實現(xiàn)與多個行業(yè)的對接，應用場景有眾多的想象空間。在加快行業(yè)應用的同時，合即得的創(chuàng)新步伐還在加速，在進一步提高發(fā)電效率、進一步降低成本以及進一步小型化的同時，合即得還在積極向上游甲醇的生物質(zhì)制備、分布式制備以及二氧化碳捕集等方面開展合作。

偉大的創(chuàng)新來自敢想、敢做和孜孜不倦的追求。在全國科技創(chuàng)新政策、環(huán)境、需求日益增強的今天，科技創(chuàng)新更需要民族的自信。1769年蒸汽機發(fā)明屬于英國，1876年內(nèi)燃機發(fā)明屬于德國，1946年計算機發(fā)明屬于美國；2009年的水氫機能否屬于中國，能否在人類科技創(chuàng)新的歷史上留下濃墨重彩的一筆？歷史會給出最好的答案。

甲醇電力路線對比

路徑工藝路線技術現(xiàn)狀轉(zhuǎn)換效率環(huán)保指數(shù)

路徑1甲醇——內(nèi)燃機——電力成熟20%—30%排放PM2.5

路徑2（DMFC）甲醇——燃料電池——電力不成熟10%—30%無排放PM2.5

路徑3甲醇——氫內(nèi)燃機——電力成熟25%—45%排放PM2.5

路徑4（IMFC）甲醇——氫燃料電池——電力成熟35%—70%無排放PM2.5