图：加拿大工程研究院院士张久俊

 

       5月21日，由电池联盟、中国电子节能技术协会电池专委会和中国化学与物理电源行业协会氢能及燃料电池分会(筹)联合举办的“2019新型制氢技术与加氢站建设高峰论坛”在苏州隆重召开，加拿大工程研究院院士张久俊做了题为“氢能发展和电解水制氢：现状、挑战和前景”的精彩演讲，以下为张久俊的演讲速记全文：

 

       非常感谢大会邀请我来和大家作氢能方面的分享，非常感谢各位领导和各位企业界的朋友，能够抽时间来听这样一个报告，今天主要是讲氢能发展以及电解水制氢。大体地讲讲目前的状态，然后目前存在的挑战以及我们的发展前景。

 

       首先我是来自于上海大学可持续能源研究院，目前建立了8个中心，根据我们目前建立了所有的电池的技术。今天主要是分五方面介绍。

 

       第一个方面讲讲为什么氢能发展有它的必要性，首先我们知道目前使用的汽车、燃油车、那么尾气排出二氧化碳、一氧化碳等其他有机的小分子的污染物，对环境造成了污染，对我们可持续的发展造成了非常大的危险。在世界上面，大家认为人类的未来可持续能源主要是太阳能、风能、水电能、生物能以及地热能等。但是这些能必须能够发电，但是同时又储能，因为这些能随着气侯变化而变化。以氢气/液氢为主要能源载体的清能经济是可持续发展的必然。

 

       另外就是电话学能源在整个的能源储存和转换里面，电化学技术是最重要的。因为我们氢气不能够直接地烧，当然有的说可以直接烧，但是直接烧因为高温也产生了氧化氮这样一个污染物，直接最好的办法是通过氢气将燃料电池转变为电这样一个方式。这是我们氢气在整个的能源系统中，有这样两个电池，氢气与燃料电池发挥核心的作用。

 

       目前，我们说氢能源利用是未来发展的必然趋势，我们知道世界各国都力图通过发展氢能来解决未来的能源安全问题，并且掌握国际能源领域的制高点，然后我们知道国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》预测到2050年，氢能源需求将是目前的10倍，预计到2030年，全球氢能燃料电池乘用车将达到1500万辆，是非常大的份额。

 

       那氢能存在的挑战是什么？第一个是氢制备、存储及利用的技术目前还不完善，氢气价格相对较高，刚才杨博士说了，氢气价格目前相对比较高。另外一个最大的问题是氢气在室温下任何压力下都不能变成液体，这就是说我们氢气气态的状况下是难以运输和储存，这个必须是在非常高压力下才会储存，或者是极低温度下，就是负的253度变成液体，这样的情况下。氢气它是所有化学元素中最小的分子，我们从元素周期表来看是第一位，这个小分子可以穿透任何的金属材料，也就是说它的储存也有问题，易泄露。但是目前这个已经不是问题了，因为目前随着新材料的发展，发展高聚合物材料和碳纤维的材料，可以阻挡它的泄露。还有一个问题是低能点火，这也是一个问题，低于能够点火的范围比较宽，它跟空气的混合，点火很快。最后一个是脆化金属材料。

 

       讲了它的缺点，它也有它的优势，首先氢能是一种无污染的，因为它转变以后变成水，那么来源非常广阔，刚才我们杨博士也说了，可以通过很多的方法来制氢，另外它的燃烧值和能源密度很高，是我们目前汽油的3倍，天然气的2.5倍。利用的形式很多，可以通过燃料电池转变为电能，可储性，刚才尽管我们说了这么多，不能变成液体的室温下，可以通过高压进行储存。第六个就是安全性，这个已经证明，尤其是在汽车领域的应用，燃料电池汽车领域的应用，已经实验是非常安全的。

 

       我们来看看氢气能量密度与其他燃料的比较，我们看看这个地方列出了几种能量密度，包括干木柴、镍氢电池、锂电池、标准煤、汽油。氢气是140.4mj/Kg，相对于其他的燃料非常高，由于能量高，所以这是它实现氢能源产业化的最好技术。并且它氢能源是与传统能源长期发展建立起来的产业链和基础网络的必备条件。另外一个相对于其他电池技术，高能量密度是氢能燃料电池能够有望实现后来者居上。然后氢能量能量是汽油和天然气的3倍以上，具有快速发展的基础，能源密度高，这是目前的储能需要的，尤其是在燃料汽车里面。

 

       氢能主要应用需三个：第一个化工原料，氢气在化工应用非常广泛，第一个其中是有60%用于合成氨，这就是化肥。38%应用于炼油，然后是氢能燃料电池，这是最好的一种未来的发动机。然后就是小型氢燃料电池分布式发电系统，这样三个主要的应用场景。怎样把氢能转变成动能和电能，转变成动能发展氢内燃机，也就是这个汽车不要烧油了，通过烧氢气点火烧，但是这方面国外有几个大汽车公司研究，但是研究以后停下来了，因为你是高温下燃烧，你进气是空气中的氮气在高温下产生，有氧化氮，这也是我们烧汽油氧化氮的主要来源。第二个主要的是氢燃料电池，将它转变为电能，电能然后驱动汽车，也转变为动能。燃料电池它有它最大的优势，第一个是零排放，残留物是水，然后是转化效率非常高，达到60%—80%。

 

       然后我们再讲讲氢的制备，我们知道氢气的利用主要包括三大环节，一个是制氢，一个是储氢，第三个就是怎样来用氢，这样三个大的环节。在制氢方面，2017年，全球氢气的生产量超过6000万吨，其中96%都是来自于化石燃料。通过碳的气化，通过天然气等大概是96%。只有4%来自于电解水，这为什么？因为它成本高，所以我们目前利用可持续能源，尤其是电解水来制氢，现在成为目前研究新的热点，并且也是未来的终极之路。

 

       氢气的制造有哪些方法？这里面列出了多个方法，第一个是电化学电解法，也就是水电解方法。当然水电解方法也有很多种，另外一种是水煤气转化法，这基本上是以化学燃料方法制氢。还有高温水电解制氢，2000多度的温度下，水分解成氢气和氧气。归纳起来两种重要的方式，一种是碳氢化合物经过高温裂解，第二个是电化学水分解。

 

       我们来看，美国有一个制氢发展战略，分为中期和长期，现在是天然气，还有一小部分是利用生物质来气化和制氢，并且基本上就是天然气的重整。重期慢慢发展电解水，然后在长期就要用太阳能直接分解水。太阳能也是有很多种方法，这种不详细介绍了，如果感兴趣，我们可以讨论一下这方面的问题。

 

       再看看电解水，这是今天想要跟大家分享的主要部分。我们知道电化学电解水制氢，主要包括5种技术：一个是  碱性、第二个是酸性、氯碱、高温、光助电解制氢5种。电解水主要是电化学反应，然后践行是电解槽电压，以及每公斤氢理论电耗。讲到这些，跟大家说说一个  科学上的概念，如何衡量电解水设备它的特点，这里面就有三个效率，第一个是法拉弟效率，你多少电产生出来产物相当于多少电，比如说你进去100个电离子，出来的产物给你法拉弟是90个，其中有10个电子消耗掉了。那么电压效率，也就是电解水的电压一般比热性的电压要高，所以产生了电压效率，总体最重要的是能量效率，能量效率是衡量一个设备主要的效率，它这个效率就是法拉弟效率乘上电压效率。

 

       这里，我归纳了一下电解水的能量效率，根据各种类型，电解池槽压，操作温度和能量效率，我们可以看到目前能够商业化的电解水就是低温的碱性溶液电解水，要达到这个效率相对比较低。第一个利用燃料电池的制氢，它的效率比较高，可以达到80—90%，然后高温的效率都不是特别高。所以最前沿的是光助电解水，目前只是在研究阶段。我们看看刚才讲了最高的就是离子交换膜燃料电池来进行电解水，这有它的优势，不需要腐蚀性的电解质，它是全固态的电池，电池既可以用于燃料电池，也可以用于电解水产生氢气，电极之间无气泡产生，这就是它电耗少，产生高纯度的氢气。但是它也有问题，比如说酸性条件下的器件腐蚀，膜与电极之间的接触损坏，价格成本高，它对电解对燃料电池有一定的损坏。

 

       看看电解水制氢还有哪些优势？首先原料是水，我们的电从太阳能和风能来，所以它的原料是取之不接，用之不尽，可利用电低谷期剩余电力制氢，以便能源存储。然后产生的纯度高，然后反应速度可以通过控制电压。电解水制氢的挑战催化剂的低活性和稳定性。能源效率低，一般的都是低于50%，产生的氢成本高，对水的纯度要求高，电能消耗高，另外产生的氢气是一个室温氢气，必须要高压储存，耗能高。所以目前来看，最大的问题是在催化剂上。那么催化剂目前看看电话接实用翠九及有哪些？一个是金属镍及合金，这是在碱性溶液可靠的催化剂，另外是贵金属催化剂。另外是钙钛矿型氧化剂，然后是尖晶石型氧化物，这也是高温氧化方面。

 

       简单说说上海大学的氢能与燃料电池做了哪些工作，主要是在5个方面开展工作：一个是氢的综合利用开发和储存方面，我们建立了一定的基础，另外是氢能源电池的关键材料、部件、编写设计。然后是氢能燃料电池的系统集成，第四个是燃料电池发动机与装备的匹配性研究。第五个是我们用于我们的运输装备上，尤其是上海大学的无人机方面。我们现在可以批量化的生产催化剂，以及系统精准对接上海大学的无人艇，然后开发了催化剂和整个的制氢设备，这是我们合成的催化剂，就是MOF铱铂催化剂，然后就是OER铱催化剂，这也是碳支持的铱催化剂。我们也和国内的企业合作氢能和燃料电池方面。

 

       讲到这里，把今天所讲的和大家总结一下。颠覆性能源革命是水的直接光分解产生氢气，这是我们的追求，这个技术目前还不能达到高的效果，但是这是我们的追求，可能最后就是采用这样的方式。我们来看氢能利用存在哪些挑战，第一个氢生产过程成本高，能量效率低，导致高氢能价值。第二个高压和超低温的氢存储过程复杂，耗能高。第三个氢气性质限制了其安全性，加大了使用的复杂性及范围，运输困难，难于普及应用。所以目前我们要普及氢能应用可能还有一段路要走，但是这并不代表我们不要做这件事，因为它毕竟是人类的终极能源，由于我们国家推得比较大，在政府工作报告将氢能作为国家的战略，这一点我相信刚刚杨博士所说的，氢能作为燃料电池在中国应该是率先进行商品化的一个。

 

       最后总结所讲的内容，第一个以化石燃料为能源的世界是不可持续的，据统计，我们的碳、天然气和石油加上我们的核能，按照我们现在燃烧的速度和使用的效率，最多是在300年全部消耗尽。从现在开始我们就要大力发展可持续性的东西，因为300年在历史的长河中就是一瞬间。以氢气/液氢为主要能源载体的氢能经济是可持续发展的必然。尽管氢能利用存在很多挑战，但是未来能源的必然趋势，必须大力发展。

 

       发展氢能的同时，就可以推动再生能源的发展，解决氢能经济制备储存及大规模运输是关键。目前的发展状况，氢能的安全使用不仅是从技术上能够得到保障，我们还要提高大众对氢能安全性的认识。因为很多我们的大众提到氢气马上和氢弹和原子弹连接起来，这还是我们教育程度要加强教育。目前的科学发展证明了利用太阳能、水和风能产生的电为原料的电化学电解水制氢是可行的，也是未来制氢的主要方法。在电解水当中发展高效率、高稳定性的催化剂，是提高氢能制氢能量效率降低成本的主要方向。

 

       氢能的利用主要还是靠燃料电池进行连用，这在发展氢能的同时，也要发展燃料电池，这就是两方面的问题，一个是氢能的问题，一个是燃料电池的问题，首先发展哪个，这是我们目前要讨论的问题。

上次一个会议上我将燃料电池的全面概况为在座的朋友们介绍一下，就是燃料电池方面的发展，现在国内是要先进一些，在氢能的利用上我们现在刚开始。但是我相信整套的技术，氢能加燃料电池这样一个技术，两方面最大的挑战，一个是氢能的挑战，加氢站的问题，假设在车用上，加氢站是非常大的挑战，燃料电池价格是一个大的挑战，氢能燃料电池是电动车的终极动力电源，我再补充一点，它应该是终极的主电源，将来我们的汽车发展到最后，肯定是会有80%的动力来自于燃料电池，20%来自于其他的电池，这从燃料电池的计算中发现这还是很好的方式。目前对于降低能源电池的成本以及加氢站，是我们氢能盈利的主要方向。

 

       讲到这里，我将我以前出的书为大家介绍一下，我在加拿大出了24本的书，这是我们的团队，感谢他们的工作，以及得到了国家、上海市的有关支持。非常感谢大家！