許洛袈

在北京2022年冬奧會(huì)開幕倒計(jì)時(shí)一周年之際，北京冬奧組委會(huì)正式對(duì)外發(fā)布了冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)火炬外觀設(shè)計(jì)，并透露了不少關(guān)于冬奧會(huì)火炬的詳細(xì)信息，其中，采用氫作為燃料是本次火炬設(shè)計(jì)中的科技亮點(diǎn)之一。

作為一支火炬，最重要的功能毫無疑問是傳遞“圣火”，在此期間，需要保持“圣火”一直處于燃燒狀態(tài)，同時(shí)降低下雨天和刮風(fēng)對(duì)火炬火焰的影響，為此對(duì)火炬的材質(zhì)和燃料都有著特殊要求。

與夏季奧運(yùn)會(huì)相比，冬季奧運(yùn)會(huì)火炬還要兼顧在超低溫環(huán)境下，火炬是否可以正常燃燒，而氫具有質(zhì)量熱值高、擴(kuò)散性好、可燃濃度范圍廣、點(diǎn)火能量低等特點(diǎn)[1]，其最小點(diǎn)火能量不足汽油最小點(diǎn)火能量的十分之一（約0.02兆焦耳），因此在低溫下也能迅速點(diǎn)燃。

不過，單純作為燃料燃燒對(duì)氫來說真是有些屈才了。作為宇宙中最多的元素，在宇宙大爆炸之后的大約4億年后，宇宙溫度降低，無數(shù)的氫原子開始聚集形成恒星，首次核聚變就這么誕生了。在我們生活的太陽(yáng)系中，恒星太陽(yáng)每秒可將數(shù)以億噸的氫轉(zhuǎn)化為氦，并將熱量輻射到整個(gè)太陽(yáng)系。

科學(xué)家由此得到靈感，利用氫的同位素（氦、氘、氚）獲得了宇宙中最古老的能量，并制造了目前世界上威力最大的核武器——?dú)鋸?。誠(chéng)然，氫彈是恐怖的，但科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫不再“暴躁”且變得可控時(shí)，它或許是解決未來能源問題的關(guān)鍵，因?yàn)闅淙紵蟮淖罱K產(chǎn)物只有水，對(duì)環(huán)境沒有污染。因此氫能也被譽(yù)為21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉碵2]，成為了全球新一輪碳減排和碳中和的首選方向，被多個(gè)國(guó)家納入能源戰(zhàn)略部署中。

我國(guó)在2019年將氫能源首次寫入政府工作報(bào)告，明確將推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同年6月，北京冬奧組委會(huì)發(fā)布了《北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)低碳管理工作方案》。根據(jù)方案，冬奧會(huì)將始終貫徹“綠色辦奧”理念，不僅是接力火炬，北京冬奧會(huì)開幕式賽場(chǎng)上的主火炬也將使用氫燃料。此外，還將示范運(yùn)營(yíng)1000多輛氫燃料汽車、30多個(gè)加氫站，在比賽期間，延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)將有700余輛氫燃料大巴車投入使用。

就目前而言，氫燃料電池是氫能較為常見的終端應(yīng)用，最早的氫燃料電池主要用于航空航天，為太空飛船和衛(wèi)星提供電力，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的不斷降低，氫燃料電池才逐漸應(yīng)用于各大領(lǐng)域，包括電力（發(fā)電和備用電源）、交通（汽車、大巴車）、物流運(yùn)輸（叉車、卡車和物流車）、船舶和無人機(jī)等[3]。

這種燃料電池不燃燒氫，而是將其轉(zhuǎn)化為電能，具體來說，氫燃料電池主要由陽(yáng)極、陰極和電解液等部件構(gòu)成。氫氣在進(jìn)入燃料電池陽(yáng)極后，發(fā)生可控的催化化學(xué)反應(yīng)，分離為質(zhì)子（即氫原子核）和電子。其中，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在催化劑的作用下與氧氣相結(jié)合形成水分子（H2O）;而電子也從陽(yáng)極出發(fā)，經(jīng)過外部電路，最后到達(dá)陰極，并在外部電路中形成電流。因此，氫燃料電池也是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[3]。

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，氫燃料電池汽車在運(yùn)行過程中沒有“廢物”排出，對(duì)環(huán)境友好;與其他類型的電動(dòng)汽車（主要是鋰電池）相比，其在充能和單位體積內(nèi)能量密度上都更具有優(yōu)勢(shì)，說白了，就是能跑得更遠(yuǎn)，至少大大減弱了電動(dòng)車主的續(xù)航焦慮。另外值得一提的是，在冬季不少鋰電池可能“罷工”的情況下，氫燃料電池還能正常工作。

不過，氫能的優(yōu)勢(shì)雖然不少，但制約其發(fā)展的瓶頸也很明顯，主要在氫的制備和儲(chǔ)運(yùn)方面。

據(jù)國(guó)際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，目前全球每年專用氫氣產(chǎn)量約7000萬噸，其中通過化石燃料燃燒所產(chǎn)生的氫氣（灰氫）占比約95%，而藍(lán)氫和綠氫占比很小。

正因?yàn)槿绱?，?duì)于“氫能是否真的環(huán)?！钡臓?zhēng)議也從未停止，因?yàn)樵诨覛涞闹苽溥^程中會(huì)排放大量的二氧化碳，盡管使用的是清潔能源，但生產(chǎn)清潔能源的方式卻并不“綠色”，這無異于“拆東墻補(bǔ)西墻”，并不能解決實(shí)質(zhì)性問題。

而藍(lán)氫則是在灰氫的基礎(chǔ)上，運(yùn)用碳封存和碳捕捉等技術(shù)，減少生產(chǎn)過程中的碳排放，從而實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)，屬于生產(chǎn)技術(shù)的過渡期。

綠氫，是指通過可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能）搭建電力系統(tǒng)，然后再通過電解水的方式制氫，生產(chǎn)的全過程都沒有碳排放。但綠氫制備的裝置——電解槽生產(chǎn)技術(shù)和制造成本都很高，目前只停留于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，尚未達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用。

此外，氫氣的儲(chǔ)運(yùn)在短期內(nèi)依然以高壓氣態(tài)為主，但由于氫氣具有易泄露擴(kuò)散且能量密度高的特性，有潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，這就對(duì)氫能設(shè)備的安全性提出了更高的要求。如何實(shí)現(xiàn)安全且高效的氫能儲(chǔ)運(yùn)，還有比較長(zhǎng)的路要走。

話說回來，我們也并不幻想在幾年之內(nèi)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)該更客觀和理性地看待氫能，而本次冬奧會(huì)上的氫能應(yīng)用也體現(xiàn)了中國(guó)在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展上的決心，相信在“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施推進(jìn)下，我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也將進(jìn)一步提速。

參考文獻(xiàn)

[1]孫柏剛，包凌志，羅慶賀.缸內(nèi)直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展及趨勢(shì)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2021，12（3）：265-278.

[2]趙永志，蒙波，陳霖新，等.氫能源的利用現(xiàn)狀分析[J].化工進(jìn)展，2015，34（9）：3248-3255.

[3]徐自亮，余英，李力.氫燃料電池應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)，2018，20（2）：7-17.