鉅大LARGE | 點擊量：1047次 | 2019年05月23日
為什么說氫能經濟是可持續發展的必然
5月21日，由中國電池聯盟、中國電子節能技術協會電池專委會和中國化學與物理電源行業協會氫能及燃料電池分會(籌)聯合舉辦的“2019新型制氫技術與加氫站建設高峰論壇”在蘇州隆重召開，加拿大工程研究院院士張久俊做了題為“氫能發展和電解水制氫：現狀、挑戰和前景”的精彩演講，以下為張久俊的演講速記全文：
非常感謝大會邀請我來和大家作氫能方面的分享，非常感謝各位領導和各位企業界的朋友，能夠抽時間來聽這樣一個報告，今天主要是講氫能發展以及電解水制氫。大體地講講目前的狀態，然后目前存在的挑戰以及我們的發展前景。
首先我是來自于上海大學可持續能源研究院，目前建立了8個中心，根據我們目前建立了所有的電池的技術。今天主要是分五方面介紹。
第一個方面講講為什么氫能發展有它的必要性，首先我們知道目前使用的汽車、燃油車、那么尾氣排出二氧化碳、一氧化碳等其他有機的小分子的污染物，對環境造成了污染，對我們可持續的發展造成了非常大的危險。在世界上面，大家認為人類的未來可持續能源主要是太陽能、風能、水電能、生物能以及地熱能等。但是這些能必須能夠發電，但是同時又儲能，因為這些能隨著氣侯變化而變化。以氫氣/液氫為主要能源載體的清能經濟是可持續發展的必然。
另外就是電話學能源在整個的能源儲存和轉換里面，電化學技術是最重要的。因為我們氫氣不能夠直接地燒，當然有的說可以直接燒，但是直接燒因為高溫也產生了氧化氮這樣一個污染物，直接最好的辦法是通過氫氣將燃料電池轉變為電這樣一個方式。這是我們氫氣在整個的能源系統中，有這樣兩個電池，氫氣與燃料電池發揮核心的作用。
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目前，我們說氫能源利用是未來發展的必然趨勢，我們知道世界各國都力圖通過發展氫能來解決未來的能源安全問題，并且掌握國際能源領域的制高點，然后我們知道國際氫能源委員會發布的《氫能源未來發展趨勢調研報告》預測到2050年，氫能源需求將是目前的10倍，預計到2030年，全球氫能燃料電池乘用車將達到1500萬輛，是非常大的份額。
那氫能存在的挑戰是什么？第一個是氫制備、存儲及利用的技術目前還不完善，氫氣價格相對較高，剛才楊博士說了，氫氣價格目前相對比較高。另外一個最大的問題是氫氣在室溫下任何壓力下都不能變成液體，這就是說我們氫氣氣態的狀況下是難以運輸和儲存，這個必須是在非常高壓力下才會儲存，或者是極低溫度下，就是負的253度變成液體，這樣的情況下。氫氣它是所有化學元素中最小的分子，我們從元素周期表來看是第一位，這個小分子可以穿透任何的金屬材料，也就是說它的儲存也有問題，易泄露。但是目前這個已經不是問題了，因為目前隨著新材料的發展，發展高聚合物材料和碳纖維的材料，可以阻擋它的泄露。還有一個問題是低能點火，這也是一個問題，低于能夠點火的范圍比較寬，它跟空氣的混合，點火很快。最后一個是脆化金屬材料。
講了它的缺點，它也有它的優勢，首先氫能是一種無污染的，因為它轉變以后變成水，那么來源非常廣闊，剛才我們楊博士也說了，可以通過很多的方法來制氫，另外它的燃燒值和能源密度很高，是我們目前汽油的3倍，天然氣的2.5倍。利用的形式很多，可以通過燃料電池轉變為電能，可儲性，剛才盡管我們說了這么多，不能變成液體的室溫下，可以通過高壓進行儲存。第六個就是安全性，這個已經證明，尤其是在汽車領域的應用，燃料電池汽車領域的應用，已經實驗是非常安全的。
我們來看看氫氣能量密度與其他燃料的比較，我們看看這個地方列出了幾種能量密度，包括干木柴、鎳氫電池、鋰電池、標準煤、汽油。氫氣是140.4mj/Kg，相對于其他的燃料非常高，由于能量高，所以這是它實現氫能源產業化的最好技術。并且它氫能源是與傳統能源長期發展建立起來的產業鏈和基礎網絡的必備條件。另外一個相對于其他電池技術，高能量密度是氫能燃料電池能夠有望實現后來者居上。然后氫能量能量是汽油和天然氣的3倍以上，具有快速發展的基礎，能源密度高，這是目前的儲能需要的，尤其是在燃料汽車里面。
氫能主要應用需三個：第一個化工原料，氫氣在化工應用非常廣泛，第一個其中是有60%用于合成氨，這就是化肥。38%應用于煉油，然后是氫能燃料電池，這是最好的一種未來的發動機。然后就是小型氫燃料電池分布式發電系統，這樣三個主要的應用場景。怎樣把氫能轉變成動能和電能，轉變成動能發展氫內燃機，也就是這個汽車不要燒油了，通過燒氫氣點火燒，但是這方面國外有幾個大汽車公司研究，但是研究以后停下來了，因為你是高溫下燃燒，你進氣是空氣中的氮氣在高溫下產生，有氧化氮，這也是我們燒汽油氧化氮的主要來源。第二個主要的是氫燃料電池，將它轉變為電能，電能然后驅動汽車，也轉變為動能。燃料電池它有它最大的優勢，第一個是零排放，殘留物是水，然后是轉化效率非常高，達到60%—80%。
然后我們再講講氫的制備，我們知道氫氣的利用主要包括三大環節，一個是制氫，一個是儲氫，第三個就是怎樣來用氫，這樣三個大的環節。在制氫方面，2017年，全球氫氣的生產量超過6000萬噸，其中96%都是來自于化石燃料。通過碳的氣化，通過天然氣等大概是96%。只有4%來自于電解水，這為什么？因為它成本高，所以我們目前利用可持續能源，尤其是電解水來制氫，現在成為目前研究新的熱點，并且也是未來的終極之路。
氫氣的制造有哪些方法？這里面列出了多個方法，第一個是電化學電解法，也就是水電解方法。當然水電解方法也有很多種，另外一種是水煤氣轉化法，這基本上是以化學燃料方法制氫。還有高溫水電解制氫，2000多度的溫度下，水分解成氫氣和氧氣。歸納起來兩種重要的方式，一種是碳氫化合物經過高溫裂解，第二個是電化學水分解。
我們來看，美國有一個制氫發展戰略，分為中期和長期，現在是天然氣，還有一小部分是利用生物質來氣化和制氫，并且基本上就是天然氣的重整。重期慢慢發展電解水，然后在長期就要用太陽能直接分解水。太陽能也是有很多種方法，這種不詳細介紹了，如果感興趣，我們可以討論一下這方面的問題。
再看看電解水，這是今天想要跟大家分享的主要部分。我們知道電化學電解水制氫，主要包括5種技術：一個是堿性、第二個是酸性、氯堿、高溫、光助電解制氫5種。電解水主要是電化學反應，然后踐行是電解槽電壓，以及每公斤氫理論電耗。講到這些，跟大家說說一個科學上的概念，如何衡量電解水設備它的特點，這里面就有三個效率，第一個是法拉弟效率，你多少電產生出來產物相當于多少電，比如說你進去100個電離子，出來的產物給你法拉弟是90個，其中有10個電子消耗掉了。那么電壓效率，也就是電解水的電壓一般比熱性的電壓要高，所以產生了電壓效率，總體最重要的是能量效率，能量效率是衡量一個設備主要的效率，它這個效率就是法拉弟效率乘上電壓效率。
這里，我歸納了一下電解水的能量效率，根據各種類型，電解池槽壓，操作溫度和能量效率，我們可以看到目前能夠商業化的電解水就是低溫的堿性溶液電解水，要達到這個效率相對比較低。第一個利用燃料電池的制氫，它的效率比較高，可以達到80—90%，然后高溫的效率都不是特別高。所以最前沿的是光助電解水，目前只是在研究階段。我們看看剛才講了最高的就是離子交換膜燃料電池來進行電解水，這有它的優勢，不需要腐蝕性的電解質，它是全固態的電池，電池既可以用于燃料電池，也可以用于電解水產生氫氣，電極之間無氣泡產生，這就是它電耗少，產生高純度的氫氣。但是它也有問題，比如說酸性條件下的器件腐蝕，膜與電極之間的接觸損壞，價格成本高，它對電解對燃料電池有一定的損壞。
看看電解水制氫還有哪些優勢？首先原料是水，我們的電從太陽能和風能來，所以它的原料是取之不接，用之不盡，可利用電低谷期剩余電力制氫，以便能源存儲。然后產生的純度高，然后反應速度可以通過控制電壓。電解水制氫的挑戰催化劑的低活性和穩定性。能源效率低，一般的都是低于50%，產生的氫成本高，對水的純度要求高，電能消耗高，另外產生的氫氣是一個室溫氫氣，必須要高壓儲存，耗能高。所以目前來看，最大的問題是在催化劑上。那么催化劑目前看看電話接實用翠九及有哪些？一個是金屬鎳及合金，這是在堿性溶液可靠的催化劑，另外是貴金屬催化劑。另外是鈣鈦礦型氧化劑，然后是尖晶石型氧化物，這也是高溫氧化方面。
簡單說說上海大學的氫能與燃料電池做了哪些工作，主要是在5個方面開展工作：一個是氫的綜合利用開發和儲存方面，我們建立了一定的基礎，另外是氫能源電池的關鍵材料、部件、編寫設計。然后是氫能燃料電池的系統集成，第四個是燃料電池發動機與裝備的匹配性研究。第五個是我們用于我們的運輸裝備上，尤其是上海大學的無人機方面。我們現在可以批量化的生產催化劑，以及系統精準對接上海大學的無人艇，然后開發了催化劑和整個的制氫設備，這是我們合成的催化劑，就是MOF銥鉑催化劑，然后就是OER銥催化劑，這也是碳支持的銥催化劑。我們也和國內的企業合作氫能和燃料電池方面。
講到這里，把今天所講的和大家總結一下。顛覆性能源革命是水的直接光分解產生氫氣，這是我們的追求，這個技術目前還不能達到高的效果，但是這是我們的追求，可能最后就是采用這樣的方式。我們來看氫能利用存在哪些挑戰，第一個氫生產過程成本高，能量效率低，導致高氫能價值。第二個高壓和超低溫的氫存儲過程復雜，耗能高。第三個氫氣性質限制了其安全性，加大了使用的復雜性及范圍，運輸困難，難于普及應用。所以目前我們要普及氫能應用可能還有一段路要走，但是這并不代表我們不要做這件事，因為它畢竟是人類的終極能源，由于我們國家推得比較大，在政府工作報告將氫能作為國家的戰略，這一點我相信剛剛楊博士所說的，氫能作為燃料電池在中國應該是率先進行商品化的一個。
最后總結所講的內容，第一個以化石燃料為能源的世界是不可持續的，據統計，我們的碳、天然氣和石油加上我們的核能，按照我們現在燃燒的速度和使用的效率，最多是在300年全部消耗盡。從現在開始我們就要大力發展可持續性的東西，因為300年在歷史的長河中就是一瞬間。以氫氣/液氫為主要能源載體的氫能經濟是可持續發展的必然。盡管氫能利用存在很多挑戰，但是未來能源的必然趨勢，必須大力發展。
發展氫能的同時，就可以推動再生能源的發展，解決氫能經濟制備儲存及大規模運輸是關鍵。目前的發展狀況，氫能的安全使用不僅是從技術上能夠得到保障，我們還要提高大眾對氫能安全性的認識。因為很多我們的大眾提到氫氣馬上和氫彈和原子彈連接起來，這還是我們教育程度要加強教育。目前的科學發展證明了利用太陽能、水和風能產生的電為原料的電化學電解水制氫是可行的，也是未來制氫的主要方法。在電解水當中發展高效率、高穩定性的催化劑，是提高氫能制氫能量效率降低成本的主要方向。
氫能的利用主要還是靠燃料電池進行連用，這在發展氫能的同時，也要發展燃料電池，這就是兩方面的問題，一個是氫能的問題，一個是燃料電池的問題，首先發展哪個，這是我們目前要討論的問題。
上次一個會議上我將燃料電池的全面概況為在座的朋友們介紹一下，就是燃料電池方面的發展，現在國內是要先進一些，在氫能的利用上我們現在剛開始。但是我相信整套的技術，氫能加燃料電池這樣一個技術，兩方面最大的挑戰，一個是氫能的挑戰，加氫站的問題，假設在車用上，加氫站是非常大的挑戰，燃料電池價格是一個大的挑戰，氫能燃料電池是電動車的終極動力電源，我再補充一點，它應該是終極的主電源，將來我們的汽車發展到最后，肯定是會有80%的動力來自于燃料電池，20%來自于其他的電池，這從燃料電池的計算中發現這還是很好的方式。目前對于降低能源電池的成本以及加氫站，是我們氫能盈利的主要方向。
講到這里，我將我以前出的書為大家介紹一下，我在加拿大出了24本的書，這是我們的團隊，感謝他們的工作，以及得到了國家、上海市的有關支持。非常感謝大家！
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