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摸摸氢的“脾气”

来源:科报网
摘要:清华大学的一条主干道两侧,正在展示“第九届清华大学研究生‘良师益友’”的教授名单,毛宗强教授位列其中。毛宗强坦陈,自己只是承担了项目中的一个课题,其他十几家课题承担单位,也都作出了自己的成绩。记者:作为项目首席,您能不能谈谈和这个项目有着怎样的渊源。毛宗强:我是学化工的,1993年从英国留学回来,清华......

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  清华大学的一条主干道两侧,正在展示“第九届清华大学研究生‘良师益友’”的教授名单,毛宗强教授位列其中。  

  这位土生土长的教授,每10年修得一个学位,学风扎实自不必说,在接下来的沟通中,随时能感到他的平易谦和。  

  毛宗强坦陈,自己只是承担了项目中的一个课题,其他十几家课题承担单位,也都作出了自己的成绩。  

  采访中,他还把电话打到哈尔滨工业大学,请那里的课题组负责人描述自己的创新成果……  

  看得出来,毛宗强是个实事求是的科学家。  

  记者:作为项目首席,您能不能谈谈和这个项目有着怎样的渊源?  

  毛宗强:我是学化工的,1993年从英国留学回来,清华大学核研究院领导跟我讲,是不是开拓一个新的研究领域。调研了半年时间,我发现燃料电池是一个不错的方向。  

  向研究院提了个建议,搞质子交换膜和固体氧化物两种燃料电池。当时,好多人都不清楚燃料电池是怎么回事,更不知道所需的材料从哪里来。  

  记者:我们知道,燃料电池并不是新鲜的东西,它的出现已经有100多年了。但是为什么到现在还没有真正发展起来?  

  毛宗强:在燃料电池的研究过程中,确实出现过几次大的起伏。  

  比如,上世纪60年代,上天的卫星用了碱性燃料电池,但是在地上就不行,因为其中的电解质很容易跟空气中的二氧化碳气体发生化学反应。也用过聚合物燃料电池,但是那时的聚合物性能不过关,后来被其他电池取代。  

  上世纪90年代以后,能源的开发利用趋向多元化,全世界对环境保护越来越重视,加上氢的来源比较丰富、能清洁地使用以及容易储存等特点,自然就把目标投向氢能。  

  记者:那么,氢能的应用有几种形式?  

  毛宗强:氢的能源应用方式有三种,一种是用氢的同位素进行核聚变获得能量,这还需要50年或者更长的时间也许才能实现;其次是把氢当做燃料直接来烧,但是容易与空气反应产生氮氧化物等有害气体;还有一种就是用电化学的方法,通过燃料电池这一发电装置,将氢能高效、清洁、方便地变为电能,可以供给交通运输、分布式电站等。  

  记者:我们知道,把氢能源用在汽车上,是国家科技部投了3.8个亿进行部署的“863”重点项目,咱们的工作跟这个重点项目是怎样的关系?  

  毛宗强:我们的工作有一部分就是为这个大方向的研究作基础的技术支持。  

  他们之间的关系可以打个比喻。比如说做茶杯,“973”就是告诉你用什么材料、怎么做,其性能是什么样的。“863”是必须要做出一个成型的杯子样品。  

  很多科学家做了“973”也做“863”,这是有道理的。其实,在973项目的支持下,除了大批的成果,还有一大批年轻人从项目中成长起来,并成为了这个领域的中坚力量。我们这个973项目里就有很多人都承担了863的相关课题。  

  记者:申请这个项目时,确定了哪几个方向?  

  毛宗强:项目是1998年开始申请,到2000年才申请下来的。当时存在技术问题很多,比如如何将甲醇制取氢气的反应器变小而放到小轿车上,如何让制得的氢气能满足燃料电池汽车实际工况的需要。此外,能不能用其他新的方法制取氢气,比如生物发酵处理废水、超临界水处理生物质能的方法、如何高密度地储存氢气、如何制造高效及低成本的燃料电池等等。  

  因为是第一个氢能基础研究项目,希望尽可能包括氢能的方方面面,也尽可能包括国内有实力的研究单位。所以,我们的方向就是三个———氢气的规模制备、储运和相关燃料电池的研究。  

  记者:在氢能规模制备方面,咱们的课题组有什么突破呢?  

  毛宗强:在氢气的制备新方法方面,大连化物所和兰州化物所都做了大量的工作,做出了一个供5000瓦氢燃料电池用的微型氢发生器,但是离“上车”还有一定的距离。  

  还有一个成果,哈尔滨工业大学的任南琪教授用废水制取氢气过程中,培育了一个从来没有被发现的全新的菌属———产乙醇菌属,并收入到国际生物基因库,由此,还命名了一个新的菌种。用这个细菌制取氢气的效率比传统的要高一倍。  

  记者:氢气的储运,一直是个难题,在储氢方面,课题组有什么成绩?  

  毛宗强:首先,南开大学课题组发现了一种储存氢的新型化合物,这种化合物的结构是从来没有发现过的,也被纳入到国际化学数据库。  

  其次,还有一个亮点———浙江大学的“氢浆”储氢方法。固体的储氢合金因为要被反复的储氢、放氢,很容易变成非常细的粉末流失,另外储氢合金的传热性能很差,要复杂的热交换设计,这是储氢合金的劣势。因为有机物也能储氢,把储氢合金分散在能储氢的有机溶剂中,形成一种像豆浆的物质,可以更高效地储氢,这是一个很巧妙很聪明的方法,已经接近产业化了,但是还没有在车载燃料电池中应用。  

  记者:最后一个方向,在氢能燃料电池方面,项目的研究情况怎样?  

  毛宗强:这个方向占据30%的经费,主要成绩体现在相关材料的创新上。  

  一个材料是碳纸。就是用碳纤维做的纸,把催化剂铺在上面,能做成单电极。在燃料电池中,对碳纸有很多的要求,比如电导率、纯度等等。我们国家一直以来都是用进口的。日本有,但是他们垄断,总是抬高价格,还要让购买者写保证“不用于军事领域”,很是让国人受气。石油大学的汪树军接受本项目的支持,最终研发出了国产的碳纸。  

  还有一个重要材料是质子交换膜。原来使用的材料是杜邦公司的产品。我们消化吸收再创新,在研究过程中,掺加了二氧化钛等颗粒,改进了这种膜的保水属性。我们还要提高它的工作温度———由通常的80摄氏度,还要进一步提高到120摄氏度甚至更高。还有一种创新的改性方法,就是在国产的树脂粒子中加入一些二氧化硅等粒子,做成了一种全新的膜,大大改进了它的电导、保水、工作温度等性能。  

  在催化剂方面,铂金材料催化剂要做成两个纳米尺寸,清华大学、武汉大学课题组都做出来了,但是因为国产铂金催化剂的生产成本与进口的相差不大,在产业化过程中并没能引起企业家投资的积极性。  

  记者:您能介绍一下低温固体氧化物燃料电池吗?它先进在哪呢?  

  毛宗强:用陶瓷材料做成的高温固体氧化物电池(SOFC)已经大约有100年历史了,物理学家特别喜欢,因为它工作温度达1000度,所以释放出来的热量很高,可以用它连续发电,得到很高的效率。但是对工程师来讲就很难,因为在1000摄氏度情况下,要求几种材料的膨胀系数都一样,还要具有相适应的导电性能,非常难。国际知名的西门子-西屋等公司做出了样机,也示范了上万小时,但是成本迟迟下不来。我们国家从“六五”就开始做,但是因为材料、组装等问题,一直没有做出一个成型的SOFC电堆。  

  我当时想,是不是可以转换一个思路,搞一个低温的固体氧化物燃料电池?在立题的时候,我就强烈要求研究“低温固体氧化物燃料电池”,到了中期评估,我们做成了一个两片的小电堆,工作温度降到了500多摄氏度,并且重新认识了其传导机理。  

  记者:500摄氏度是个什么概念呢?在国际上是否处于领先地位?  

  毛宗强:氢能经济国际合作组织(IPHE)定出的目标是,到2008年,将低温固体氧化物的工作温度降到500摄氏度,可以说我们的研究成果远远走在了IPHE的前面。在推进低温固体氧化物方面,是个排头兵。  

  我国国家“十一五”也把低温固体氧化物电池列为一个导向性项目。所以,我们希望能够继续得到新的国家计划项目的支持,在低温固体氧化物电池方面取得实质性突破。  



  ■编者按  

  燃料电池——在能源开发利用更加趋向多元化的今天,这个名词出现的频次越来越高。从国家“十一五”规划到863计划、973计划、攻关计划,都能发现有关燃料电池的项目,973计划“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”项目正是其中之一。项目从氢气的规模制备、储运以及相关燃料电池的研究三个方面展开,五年时间取得了令人瞩目的成就。然而,这一研究还有很长的路要走,正如衣宝廉院士所说:“燃料电池的商业化不是百米冲刺,而是厚积薄发的长跑。”
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