鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1029次 | 2019年05月23日
為什么說氫能經(jīng)濟(jì)是可持續(xù)發(fā)展的必然
5月21日，由中國(guó)電池聯(lián)盟、中國(guó)電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)電池專委會(huì)和中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)氫能及燃料電池分會(huì)(籌)聯(lián)合舉辦的“2019新型制氫技術(shù)與加氫站建設(shè)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(fā)展和電解水制氫：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)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(huì)邀請(qǐng)我來和大家作氫能方面的分享，非常感謝各位領(lǐng)導(dǎo)和各位企業(yè)界的朋友，能夠抽時(shí)間來聽這樣一個(gè)報(bào)告，今天主要是講氫能發(fā)展以及電解水制氫。大體地講講目前的狀態(tài)，然后目前存在的挑戰(zhàn)以及我們的發(fā)展前景。
首先我是來自于上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院，目前建立了8個(gè)中心，根據(jù)我們目前建立了所有的電池的技術(shù)。今天主要是分五方面介紹。
第一個(gè)方面講講為什么氫能發(fā)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(jī)的小分子的污染物，對(duì)環(huán)境造成了污染，對(duì)我們可持續(xù)的發(fā)展造成了非常大的危險(xiǎn)。在世界上面，大家認(rèn)為人類的未來可持續(xù)能源主要是太陽能、風(fēng)能、水電能、生物能以及地?zé)崮艿?。但是這些能必須能夠發(fā)電，但是同時(shí)又儲(chǔ)能，因?yàn)檫@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(jīng)濟(jì)是可持續(xù)發(fā)展的必然。
另外就是電話學(xué)能源在整個(gè)的能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換里面，電化學(xué)技術(shù)是最重要的。因?yàn)槲覀儦錃獠荒軌蛑苯拥責(zé)?，?dāng)然有的說可以直接燒，但是直接燒因?yàn)楦邷匾伯a(chǎn)生了氧化氮這樣一個(gè)污染物，直接最好的辦法是通過氫氣將燃料電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡娺@樣一個(gè)方式。這是我們氫氣在整個(gè)的能源系統(tǒng)中，有這樣兩個(gè)電池，氫氣與燃料電池發(fā)揮核心的作用。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前，我們說氫能源利用是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，我們知道世界各國(guó)都力圖通過發(fā)展氫能來解決未來的能源安全問題，并且掌握國(guó)際能源領(lǐng)域的制高點(diǎn)，然后我們知道國(guó)際氫能源委員會(huì)發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研報(bào)告》預(yù)測(cè)到2050年，氫能源需求將是目前的10倍，預(yù)計(jì)到2030年，全球氫能燃料電池乘用車將達(dá)到1500萬輛，是非常大的份額。
那氫能存在的挑戰(zhàn)是什么？第一個(gè)是氫制備、存儲(chǔ)及利用的技術(shù)目前還不完善，氫氣價(jià)格相對(duì)較高，剛才楊博士說了，氫氣價(jià)格目前相對(duì)比較高。另外一個(gè)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(tài)的狀況下是難以運(yùn)輸和儲(chǔ)存，這個(gè)必須是在非常高壓力下才會(huì)儲(chǔ)存，或者是極低溫度下，就是負(fù)的253度變成液體，這樣的情況下。氫氣它是所有化學(xué)元素中最小的分子，我們從元素周期表來看是第一位，這個(gè)小分子可以穿透任何的金屬材料，也就是說它的儲(chǔ)存也有問題，易泄露。但是目前這個(gè)已經(jīng)不是問題了，因?yàn)槟壳半S著新材料的發(fā)展，發(fā)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(gè)問題是低能點(diǎn)火，這也是一個(gè)問題，低于能夠點(diǎn)火的范圍比較寬，它跟空氣的混合，點(diǎn)火很快。最后一個(gè)是脆化金屬材料。
講了它的缺點(diǎn)，它也有它的優(yōu)勢(shì)，首先氫能是一種無污染的，因?yàn)樗D(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，可?chǔ)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(jìn)行儲(chǔ)存。第六個(gè)就是安全性，這個(gè)已經(jīng)證明，尤其是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，燃料電池汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(gè)地方列出了幾種能量密度，包括干木柴、鎳氫電池、鋰電池、標(biāo)準(zhǔn)煤、汽油。氫氣是140.4mj/Kg，相對(duì)于其他的燃料非常高，由于能量高，所以這是它實(shí)現(xiàn)氫能源產(chǎn)業(yè)化的最好技術(shù)。并且它氫能源是與傳統(tǒng)能源長(zhǎng)期發(fā)展建立起來的產(chǎn)業(yè)鏈和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的必備條件。另外一個(gè)相對(duì)于其他電池技術(shù)，高能量密度是氫能燃料電池能夠有望實(shí)現(xiàn)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(fā)展的基礎(chǔ)，能源密度高，這是目前的儲(chǔ)能需要的，尤其是在燃料汽車?yán)锩妗?/p>
氫能主要應(yīng)用需三個(gè)：第一個(gè)化工原料，氫氣在化工應(yīng)用非常廣泛，第一個(gè)其中是有60%用于合成氨，這就是化肥。38%應(yīng)用于煉油，然后是氫能燃料電池，這是最好的一種未來的發(fā)動(dòng)機(jī)。然后就是小型氫燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)，這樣三個(gè)主要的應(yīng)用場(chǎng)景。怎樣把氫能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能和電能，轉(zhuǎn)變成動(dòng)能發(fā)展氫內(nèi)燃機(jī)，也就是這個(gè)汽車不要燒油了，通過燒氫氣點(diǎn)火燒，但是這方面國(guó)外有幾個(gè)大汽車公司研究，但是研究以后停下來了，因?yàn)槟闶歉邷叵氯紵?，你進(jìn)氣是空氣中的氮?dú)庠诟邷叵庐a(chǎn)生，有氧化氮，這也是我們燒汽油氧化氮的主要來源。第二個(gè)主要的是氫燃料電池，將它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，電能然后?qū)動(dòng)汽車，也轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。燃料電池它有它最大的優(yōu)勢(shì)，第一個(gè)是零排放，殘留物是水，然后是轉(zhuǎn)化效率非常高，達(dá)到60%—80%。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
然后我們?cè)僦v講氫的制備，我們知道氫氣的利用主要包括三大環(huán)節(jié)，一個(gè)是制氫，一個(gè)是儲(chǔ)氫，第三個(gè)就是怎樣來用氫，這樣三個(gè)大的環(huán)節(jié)。在制氫方面，2017年，全球氫氣的生產(chǎn)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?yàn)樗杀靖?，所以我們目前利用可持續(xù)能源，尤其是電解水來制氫，現(xiàn)在成為目前研究新的熱點(diǎn)，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(gè)方法，第一個(gè)是電化學(xué)電解法，也就是水電解方法。當(dāng)然水電解方法也有很多種，另外一種是水煤氣轉(zhuǎn)化法，這基本上是以化學(xué)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?xì)浠衔锝?jīng)過高溫裂解，第二個(gè)是電化學(xué)水分解。
我們來看，美國(guó)有一個(gè)制氫發(fā)展戰(zhàn)略，分為中期和長(zhǎng)期，現(xiàn)在是天然氣，還有一小部分是利用生物質(zhì)來氣化和制氫，并且基本上就是天然氣的重整。重期慢慢發(fā)展電解水，然后在長(zhǎng)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(xì)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(xué)電解水制氫，主要包括5種技術(shù)：一個(gè)是堿性、第二個(gè)是酸性、氯堿、高溫、光助電解制氫5種。電解水主要是電化學(xué)反應(yīng)，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(gè)科學(xué)上的概念，如何衡量電解水設(shè)備它的特點(diǎn)，這里面就有三個(gè)效率，第一個(gè)是法拉弟效率，你多少電產(chǎn)生出來產(chǎn)物相當(dāng)于多少電，比如說你進(jìn)去100個(gè)電離子，出來的產(chǎn)物給你法拉弟是90個(gè)，其中有10個(gè)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(chǎn)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(gè)設(shè)備主要的效率，它這個(gè)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(jù)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(yè)化的電解水就是低溫的堿性溶液電解水，要達(dá)到這個(gè)效率相對(duì)比較低。第一個(gè)利用燃料電池的制氫，它的效率比較高，可以達(dá)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(jìn)行電解水，這有它的優(yōu)勢(shì)，不需要腐蝕性的電解質(zhì)，它是全固態(tài)的電池，電池既可以用于燃料電池，也可以用于電解水產(chǎn)生氫氣，電極之間無氣泡產(chǎn)生，這就是它電耗少，產(chǎn)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(jià)格成本高，它對(duì)電解對(duì)燃料電池有一定的損壞。
看看電解水制氫還有哪些優(yōu)勢(shì)？首先原料是水，我們的電從太陽能和風(fēng)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(chǔ)。然后產(chǎn)生的純度高，然后反應(yīng)速度可以通過控制電壓。電解水制氫的挑戰(zhàn)催化劑的低活性和穩(wěn)定性。能源效率低，一般的都是低于50%，產(chǎn)生的氫成本高，對(duì)水的純度要求高，電能消耗高，另外產(chǎn)生的氫氣是一個(gè)室溫氫氣，必須要高壓儲(chǔ)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(shí)用翠九及有哪些？一個(gè)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(jiǎn)單說說上海大學(xué)的氫能與燃料電池做了哪些工作，主要是在5個(gè)方面開展工作：一個(gè)是氫的綜合利用開發(fā)和儲(chǔ)存方面，我們建立了一定的基礎(chǔ)，另外是氫能源電池的關(guān)鍵材料、部件、編寫設(shè)計(jì)。然后是氫能燃料電池的系統(tǒng)集成，第四個(gè)是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與裝備的匹配性研究。第五個(gè)是我們用于我們的運(yùn)輸裝備上，尤其是上海大學(xué)的無人機(jī)方面。我們現(xiàn)在可以批量化的生產(chǎn)催化劑，以及系統(tǒng)精準(zhǔn)對(duì)接上海大學(xué)的無人艇，然后開發(fā)了催化劑和整個(gè)的制氫設(shè)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(guó)內(nèi)的企業(yè)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(jié)一下。顛覆性能源革命是水的直接光分解產(chǎn)生氫氣，這是我們的追求，這個(gè)技術(shù)目前還不能達(dá)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(zhàn)，第一個(gè)氫生產(chǎn)過程成本高，能量效率低，導(dǎo)致高氫能價(jià)值。第二個(gè)高壓和超低溫的氫存儲(chǔ)過程復(fù)雜，耗能高。第三個(gè)氫氣性質(zhì)限制了其安全性，加大了使用的復(fù)雜性及范圍，運(yùn)輸困難，難于普及應(yīng)用。所以目前我們要普及氫能應(yīng)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?yàn)樗吘故侨祟惖慕K極能源，由于我們國(guó)家推得比較大，在政府工作報(bào)告將氫能作為國(guó)家的戰(zhàn)略，這一點(diǎn)我相信剛剛楊博士所說的，氫能作為燃料電池在中國(guó)應(yīng)該是率先進(jìn)行商品化的一個(gè)。
最后總結(jié)所講的內(nèi)容，第一個(gè)以化石燃料為能源的世界是不可持續(xù)的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們的碳、天然氣和石油加上我們的核能，按照我們現(xiàn)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(xiàn)在開始我們就要大力發(fā)展可持續(xù)性的東西，因?yàn)?00年在歷史的長(zhǎng)河中就是一瞬間。以氫氣/液氫為主要能源載體的氫能經(jīng)濟(jì)是可持續(xù)發(fā)展的必然。盡管氫能利用存在很多挑戰(zhàn)，但是未來能源的必然趨勢(shì)，必須大力發(fā)展。
發(fā)展氫能的同時(shí)，就可以推動(dòng)再生能源的發(fā)展，解決氫能經(jīng)濟(jì)制備儲(chǔ)存及大規(guī)模運(yùn)輸是關(guān)鍵。目前的發(fā)展?fàn)顩r，氫能的安全使用不僅是從技術(shù)上能夠得到保障，我們還要提高大眾對(duì)氫能安全性的認(rèn)識(shí)。因?yàn)楹芏辔覀兊拇蟊娞岬綒錃怦R上和氫彈和原子彈連接起來，這還是我們教育程度要加強(qiáng)教育。目前的科學(xué)發(fā)展證明了利用太陽能、水和風(fēng)能產(chǎn)生的電為原料的電化學(xué)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(dāng)中發(fā)展高效率、高穩(wěn)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(jìn)行連用，這在發(fā)展氫能的同時(shí)，也要發(fā)展燃料電池，這就是兩方面的問題，一個(gè)是氫能的問題，一個(gè)是燃料電池的問題，首先發(fā)展哪個(gè)，這是我們目前要討論的問題。
上次一個(gè)會(huì)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(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)是要先進(jìn)一些，在氫能的利用上我們現(xiàn)在剛開始。但是我相信整套的技術(shù)，氫能加燃料電池這樣一個(gè)技術(shù)，兩方面最大的挑戰(zhàn)，一個(gè)是氫能的挑戰(zhàn)，加氫站的問題，假設(shè)在車用上，加氫站是非常大的挑戰(zhàn)，燃料電池價(jià)格是一個(gè)大的挑戰(zhàn)，氫能燃料電池是電動(dòng)車的終極動(dòng)力電源，我再補(bǔ)充一點(diǎn)，它應(yīng)該是終極的主電源，將來我們的汽車發(fā)展到最后，肯定是會(huì)有80%的動(dòng)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(jì)算中發(fā)現(xiàn)這還是很好的方式。目前對(duì)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(tuán)隊(duì)，感謝他們的工作，以及得到了國(guó)家、上海市的有關(guān)支持。非常感謝大家！
