当前位置： 由二氧化碳等温室气体排放引起的全球气候变化问题已经成为本世纪人类面临的最大挑战之一。中国“碳达峰、碳中和”的承诺是全球应对气候变化进程中的一项有里程碑意义的事件，它开启了中国以碳中和目标驱动整个能源系统、经济系统和科技创新系统全面向绿色转型的新时代。作为以煤炭、石油为主要燃料的世界大国，“双碳”目标的实现面临着时间紧、任务重的问题，但同时也为我国科技创新、能源和经济转型带来了重大机遇。在众多产业中，氢能不仅是动力的重要来源，更重要的是其能源属性可以助力构建以新能源为主体的新型电力（能源）系统，因此发展氢能技术是实现碳中和的重要途径，蕴涵了巨大的市场空间（如图1所示）。
图1 氢能产业规模预测
在氢能产业中，氢电耦合作为一种利用电网谷电、清洁能源制氢存储，在用电高峰时再通过氢燃料电池发电，实现电网削峰的技术（如图2所示），可以大幅度提高一次能源中风、光等可再生能源的占比，摆脱环境污染和资源限制，解决能源安全隐患的关键一环，是构建现代能源体系的重要途径。然而此种技术在应用过程中存在着氢转电技术短板，亟待重大技术突破。目前，氢转电的主要方式有两种：一种为氢内燃机与发电机组合，这种方式受制于卡诺循环，效率已达极限；另一种则是氢燃料电池，此种技术虽然能量转换率较高，但在寿命耐久度、功率密度、动态响应等方面临到技术瓶颈期，而且一些关键核心材料技术以及先进质子交换膜制备工艺被国外垄断，难以满足eVTOL、磁悬浮高速飞行列车等未来载运工具对大功率、高能量的动力输出需求。因此，当今社会急需开发一种发电效率高、功率密度大、动态响应好、成本低、寿命长的第三种氢能发电方式。基于此，本人就目前新型开发的一种融合了氢燃料电池和内燃机发电原理的第三类氢能发电方式——氢燃料电化学磁流体发电技术，浅谈一些个人的观点，以期为氢电耦合技术的发展提供一些思路。
图2 氢电耦合能源体系
一、氢燃料电化学磁流体发电技术的性能优势
该技术聚焦氢转电环节，有机融合了氢燃料电池和内燃机发电原理，实现了发电效率高、功率密度大、动态响应好等优良性能的兼顾，且无需质子交换膜等娇贵器件，起到了“1+1>2”的效果，正是当前急需的氢能利用的第三种发电方式！其技术原理是将氢催化电离反应置于强磁场中高速运动，利用电化学反应与磁流体效应耦合作用实现高效发电，如图3所示。
图3 氢燃料电化学磁流体发电技术原理图
二、氢燃料电化学磁流体发电技术实现的可能性
1、简单结构融合了多种成熟原理
该技术是多项原理已验证的系统集成（如图4所示）。其中，涉及的电化学反应原理，与常规的氢燃料电池发电原理是一致的；涉及的感生电势、霍尔电势发电原理，已经在磁流体发电系统上得到了验证；涉及的关键技术之一氢焰电离导电已经应用于氢焰质谱仪；利用涡轮实现能量的回收是受自然界流体本性——涡旋的有序性的启发；利用水汽液相变携带正电荷运动已经在自然界雷电现象中得到了体现；利用光、热效应激发电子跃迁已由爱因斯坦的“光电效应”原理已经做了解答；涉及的冲压进气机理，与现有的冲压发动机原理是一致的；涉及的高速旋转部件密封问题，现有的桨尖喷气旋翼已经解决了……
图4 简单结构融合多种成熟原理
2、发电效率高
（1）反应产物代谢率更高
首先该技术给电化学反应施加了强磁场，在磁场的作用下，电子和质子受到了相反的洛伦兹力，会快速沿径向两侧移动，进而产生感生电势。而氢燃料电池仅是通过质子交换膜实现质子扩散和电子隔离；其次，该技术相对于氢燃料电池质子扩散运动，不仅会产生径向的传导电流，还会因霍尔效应产生环向运载电流；再者，该技术涉及的氢焰直燃机制，不仅可以加速氧的还原反应，还有利于水工质（质子）的快速转移，以及激发电子跃迁。而与之对应的氢燃料电池，不仅没有加快氧还原反应的措施，还需要要求严格的湿度管理系统，保证质子交换膜不被水淹没；最后更重要的是，该技术在上述原理下，微观粒子是有序运动的，而氢燃料电池是无序扩散。
（2）电化学反应环境得到改善
相对氢燃料电池，该技术涉及的电化学反应温度和压力更高，这有利于电化学反应活性和效率的提高，更有利于氢氧键的形成。如前所述，富含氢氧键的水合氢粒子是水汽液相变循环增效的关键。
3、损耗更少
（1）热损耗更小
首先，相比于氢燃料电池，电荷流动需要穿越电解质中包括包括活化电阻、欧姆电阻、浓度电阻等在内的离子传输阻力、电池隔膜阻力，该技术电子在催化层电离后直接进入铜箔传导，因此等效内阻相对小。其次，该技术结构的扇叶采用了冲压进气技术，形成了类似冲压发动机的结构。在扇叶高速旋转过程中，高速进气流迎面吹来，在进气道内急剧扩张减速，气压和温度升高后经推进喷管膨胀加速，温度迅速降低并由喷口高速排出。在此过程中，由于扇叶高速旋转，进气流相对速度很大而绝对速度很低，而气体急剧的升压减速会吸收大量的热能进入燃烧腔稀薄燃烧。稀薄燃烧释放的能量又助推扇叶高速旋转，转换为机械能以及电能。可见，不论是系统自身运动产生的热量，还是稀薄燃烧释放的热能，都在冲压喷气过程中得到有效利用，最终转化为电能，故该技术的能量利用率更高。
（2）能量得到了多重利用
氢燃料电化学磁流体发电技术不仅利用了电化学反应热与直燃热共同做功，而且利用喷气推进的尾气涡旋驱动容积式水泵，实现了水工质气液循环增效。而氢燃料电池，有氢循环泵、水循环泵、空气泵、散热系统等辅助系统，会消耗额外能量。
4、功率密度大
该技术涉及电荷切割磁感线产生的法拉第电势、电荷在磁场中移动产生的霍尔电势、以及氢焰磁流体发电产生的电势，这些电势是串联关系，可以输出很大的电压。其次该技术物质流动更快、电化学反应更高效，而且电离催化层是并联关系，极易增大电流，因此释放的电流更大。最后该技术结构简单紧凑（直径300mm左右），体积很小，而更大的电压输出，更高的电流输出，意味着该技术有更大的功率输出，故此技术功率密度更大。
5、低成本、高寿命
虽然，该技术是多项原理已验证的系统集成，但通过巧妙的结构设计而有机融为一体，实现了多功能结构复用，组成较简单。这种简单的组成意味着我们的装置设计、加工等成本更低、工艺更简单，也意味着耐久性更好，寿命更高。此外，该技术对核心器件的要求很低。没有质子交换膜等娇贵器件，而对电离催化层的性能也只聚焦活性。这种，可以不受制于国外技术，为我国在氢能利用方面突破国外垄断提供了可能。最后，该技术的物质流动更剧烈，气液对催化层有强烈冲刷作用。同时，氢焰直燃可以灼烧杂质。因此，该技术对空气、氢气等质量要求不高。而与之对应的氢燃料电池，包含杂质的进气很容易污染催化层和质子膜，降低发电效率。
6、其他性能
①动态响应好。系统状态参数变化空间大、响应快；具有类似内燃机的动态响应，快速响应负载变化。而氢燃料电池的电离、扩散等平衡态比较脆弱；难以快速形成新平衡，很难满足快速的负载变化。
②氢先直燃，启动温度不限。而氢燃料电池启动温度高于-30℃。
总之，氢燃料电化学磁流体发电技术具有能量转换率高、功率密度大、动态响应好、结构简单、成本低、寿命长、冷启动、无氮氧化物排放等特点，为突破“氢转电”技术瓶颈提供了第三种全新发电方式。山西省作为我国首个全省域能源革命综合改革试点，正在积极推进能源转型发展蹚新路，高度重视创新生态建设尤其是颠覆性技术创新。面对全国范围内氢能利用技术瓶颈问题，要应在科技创新过程中敢于另辟蹊径，勇于换道领跑。相信在不久的将来，科研人员定会突破氢燃料电化学磁流体发电的关键技术难题，有效助力山西省能源转型，为早日实现“碳达峰、碳中和”目标提供新的技术支撑。
供稿人：马铁华 中北大学 教授
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