氢电能量转化用高性能无机非金属材料

氢电能量转化用高性能无机非金属材料

程相山

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郑州昊润达新材料科技有限公司

摘要：随着我国工业的飞速发展，能源匮乏和环境污染问题日益严重，人们越来越渴望使用环境友好而又可再生的能源。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，可作为电能、热能的有益补充，形成多元互补融合的现代能源供应体系。但中国氢能技术起步较晚，氢电能量转化中的电解水制氢和氢燃料电池部分关键材料长期依赖进口，亟需完成国产化替代。无机非金属材料具有高化学/电化学稳定性、高强度、耐高温等特性。本文综述了其在氢电能量转化器件中催化剂及载体、离子交换膜、扩散层、双极板等领域的研究进展及亮点，指出了氢电能量转化材料发展中存在的问题，并对未来研究方向做出了展望。

关键词：氢电能量转化；高性能；无机非金属材料

引言

基于工业革命以来现代化发展正反两方面的经验教训以及人与自然关系的科学认知，人们逐步认识到依靠以化石能源为主的高碳增长模式，已经改变了人类赖以生存的生态环境，现有的发展方式日益显示出不可持续的态势。2020年，习近平主席在75届联合国大会一般性辩论上宣布：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。如期实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标是以习近平同志为核心的党中央基于推动构建人类命运共同体的责任担当和面向人类可持续发展的内在要求而作出的重大战略决策。我国碳排放总量占全球的1/3，要实现的碳排放减量远远多于其他经济体。整体而言，我国落实“双碳”战略任务十分艰巨，按发达国家经验通常需要50–70年实现的“双碳”目标，实际留给我国的时间只有30年，叠加我国目前高度依赖化石能源，这是一场速度与质量的博弈。面对这场广泛而深刻的经济社会系统性变革，必须依靠科技创新，从战略层面做好CO2排放增量控制、碳中和减排技术储备，科学布局近中远期科技攻关，推动在清洁能源供给端做加法，在能源消耗端做减法，最终实现能源结构、产业结构、生活方式的根本性转变。

1电解水制氢

目前，全球95%以上的氢气由化石燃料重整制得，在生产过程依旧存在CO2排放，约4%～5%的氢气由水电解制取。在技术层面，水电解制氢主要分为碱性水电解(AWE)、质子交换膜水电解(PEMWE)、固体氧化物水电解(SOEC)、阴离子交换膜水电解(AEMWE)，4种技术特征。根据制备过程中碳排放量的不同，可分为灰氢、蓝氢、绿氢，其中灰氢是利用煤气化或甲烷重整技术，蓝氢是在灰氢的基础上增加碳捕获、利用与封存技术(CCUS)以减少95%～97%的碳排放，但也需要额外的能耗导致系统制氢效率的降低。若电力是来源于可再生能源，则认为氢气生产过程没有CO2排放，生产的氢气为绿氢。氢能技术发展的初衷是降低化石能源使用量，生产过程无碳排放的绿氢是未来氢能产业供给的发展方向。电解水制氢技术作为最有前途的氢能获取方式，仍面临设备成本高、使用运维成本高、运行寿命低等问题，其材料体系的不断优化甚至出现颠覆性技术是其取代化石能源制氢的关键。

2无机非金属材料工程实践教学体系改革的具体措施

2.1协同一体化设计

在新工科专业课程体系建设过程中,学院充分调研国内无机非金属材料工程专业学科的发展趋势,认清当前科技革命和产业调整大背景下学科交叉和跨界融合的特点,注重课程体系的全面性,建设和融合了材料基础课程、无机功能材料课程、建筑材料课程等多个课程群,以培养基础扎实、动手能力强、具有创新思维的高素质材料人才。在培养方案制定、课程体系建设方面,学院多次开展邀请兄弟院校专家、企业专家、校友和毕业生开展座谈会,并向用人单位、行业龙头企业、校友等多个对象发放问卷调查,明确了理论教学是实践教学的前提,实践教学在工程教育体系中具有的引领作用。

2.2以能力为评价指标的课程考核

传统的实验主要是以验证性实验为主,主要由学生预习、老师讲解和演示、学生动手和完成实验报告这几个部分组成,学生积极性低,疲于应付,实验报告撰写的过程中过手不过脑,以简单的数据记录和课本摘抄为主。在新工科背景下,以国家一流专业建设、工程教育认证为契机,为有效评价学生实践能力的培养,构建了OBE成果导向的实践能力指标。在实践过程中,首先课程根据培养方案,课程体系与毕业要求指标点相互关联,每门实践课程都有对应的能力指标点。综合类实践环节支撑的毕业要求指标点相对稍集中,以材料工程设计为例,表1为在项目实施过程中,培养方案对问题分析、设计/开发解决方案、使用现代工具、工程与社会、团队与沟通和项目管理这些能力指标的要求,项目考核形式采用不同阶段下的报告提交和汇报答辩,打分采用组内评价、组间评价、指导教师评价和答辩专家评价的综合评价方式来评价学生是否获得该实践课拟培养的能力,课程内容与考核能够确保课程目标的实现,进而支撑毕业要求。

2.3构建立体化、开放式的平台

新工科教育模式对教师的工程经验,对学生解决复杂工程问题和创新的能力提出了更高的要求,而其根本的目的和价值都是实践应用,缺乏人性化的配套实验室和基地限制了学生的创新思维的发展,限制了解决复杂实际工程问题能力的培养。本专业积极改革,近3年专业新增本科教学实验室面积2000m2,加强实践平台的建设,对培养创新创业实践人才具有重要的促进作用。目前,根据学生分阶段递进式的实践教学体系优化构建了三个层次的立体实践平台,第一层次为全校共享的数学、物理、力学、电工等学校集中建设的基础实践中心,以实现基础技能的训练;第二层次为学院建设的三个共享实践平台,如化学实验中心、材料实验中心、分析测试中心,以满足第二阶段和第三阶段的工程化和综合化的科学实践;第三个层次是依托重点实验室平台建设的科研实验室,如高性能混凝土材料实验室、功能与环境材料实验室、建筑节能材料实验室,以满足面向前沿材料科学的研究。

3“鼓励探索、突出原创”(A类)项目评审资助改革及成效

3.1A类项目申请持续走低，分类评审改革需求迫切

“鼓励探索，突出原创”(A类)是指科学问题源于科研人员的灵感和新思想，且具有鲜明的首创性特征，旨在通过自由探索产出从无到有的原创性成果[1]。学科目前实施分类评审的项目包括面上项目、青年基金、地区基金和重点项目。其中，面上项目、青年基金申请量大、覆盖面广，是学科最早实施分类评审改革的项目。

3.2A类改革试点逐步推进，保护原始创新成效显著

青年人是学科原始创新最活跃的群体，但是青年科研人员由于年龄小、资历浅、头衔少和科研资源有限，所提出的原创学术思想，特别是违背现有“常识”、挑战现有权威的学术思想，得不到重视。

结语

在新工科背景下,结合自身高校的特色,结合产业升级和行业的发展趋势,依托项目式教学,深化创新实践教学改革,对推动我国工程教育认证,服务地方社会经济,促进学生创新思维,深入捕捉本行业技术创新和产业发展的机遇有重要的意义。安徽建筑大学无机非金属材料工程专业以国家一流专业建设为契机,依托安徽省先进建筑材料工程实验室,立足于省内和长三角的产业需求,探索了具有示范性和可推广价值的创新实践教学体系,培养了理论知识扎实、动手实践能力强、多视角发现问题、可解决复杂工程问题的新时代卓越工程师。

参考文献

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