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使用氫能到底有哪些技術瓶頸?

現在社會上一直在講氫能,還有氫能經濟、氫能社會,都在講這樣的事情。但是我們搞化學的人要有個判斷,氫能到底會是怎么樣?未來會怎么走?在什么情況之下我們才能說氫能這件事?

包信和,中國科學技術大學校長、中國科學院院士。他長期從事催化基礎理論研究和新型催化材料的創制,以及能源清潔高效轉化過程的研發,在納米催化基礎、天然氣和煤基合成氣高效轉化等方面取得了一系列重要研究成果,多次獲得國內外學術獎勵。

我們看看氫能到底是怎么一回事。

當能源碳跟氧反應,比如說當空氣和汽油、柴油等燃料一混合,遇到火花就會發爆炸,這樣的爆炸在氣缸內進行,會產生高溫高壓的燃氣,推動活塞做功,內燃機就是這樣來的,它所產生能量大概效率是是百分之三十幾這個樣子,還有百分之六十幾就損失掉了。

 

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碳是自然界里就有的,我們是能夠挖出碳來的,但是它產生溫室氣體——二氧化碳。所以大家可以看到,自然界它還是很平衡、很公平的,有的東西一定會相應產生不好的東西出來。
氫很好,跟氧一反應就能生成水,但是問題就是在自然界當中,氫是不存在的。氫可以用于燃料電池,而且它的運行效率很高,可以達到60%,但是自然界當中沒有氫氣。我們從沒聽說有人可以在什么地方挖到一個氫氣礦出來。所以,雖然氫能的利用會產生水,沒有污染,但是氫這個原料在自然界是沒有的。

為什么人們會想到利用氫呢?大家可以看到,從我們人類的能源發展來講,最早是木材,木材基本上就是碳,也含有一點點氫;后面是煤炭,煤炭里面大概是兩分碳一分氫;再到后面發展到石油,石油大概是兩分氫一分碳;再后面就是天然氣,天然氣是四分氫一分碳。從這個發展過程看下來,基本上人類的能源發展是逐步向氫碳比高的方向邁進的。

 

氫氣在自然界當中是沒有的,但是水通過電解可以產生氫氣,而且它可以跟可再生能源連在一起。有這些條件以后,大家就認為氫可能是未來非常重要的一個能源。未來,氫能在我們的能源體系當中可能會起到什么樣的作用?現在的能源體系是怎么做的呢?化石能源,我們可以把它變成液體材料,像油這樣的東西,最后到終端用戶。還有一個很重要的事兒,就是化石能源可以發電,變成電能以后到終端用戶。但我想未來再怎么變,電總不會少,核能也好,光也好,風也好,電是不能少的。

但是電力能不能開飛機呢?現在還沒有這樣的飛機。假如說未來有了氫燃料電池可以開飛機、開船,就類似于跟油差不多一樣的道理了。所以在未來能源體系當中,氫就有可能替代現在液體燃料的角色。要把氫能這一塊做起來,會有個很長的產業鏈。

首先自然界是沒有氫氣的,你要制備出氫氣出來,接下來儲存、轉換、應用。所以大家可以看到,整個一個產業鏈有好多作研究的人在做這么一件事。比如制備過程,制氫的方法很多,通過化石能源?、水電解、化工原料、工業尾氣等。全世界一年大概用5000億立方米的氫氣,非常遺憾的是在這個制氫結構當中,4%是從可再生能源來的,96%是化石能源來的。使用化石能源就要排放二氧化碳,所以,要想發展氫能經濟燃料電池,就一定要跟可再生能源連起來。

未來可以從可再生能源發展,用光、風、核能把水電解變成氫,只有在這個時候,整個氫能才能夠被利用起來。所以我要套用一句廣告詞,自然界當中實際上是沒有氫的,沒有氫能的,氫能實際上就是可再生能源的搬運工,把可再生能源從這里搬到那里而已。

 

那么氫能利用我們到底有什么卡脖子的事情?搞了這么長時間,為什么就沒有搞起來呢?這個問題到底在哪里呢?

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一是制造技術怎么把燃料電池制造得非常之可靠。氫跟氧在這個燃料電池上面它是不反應的,它一定要有催化劑。催化劑是什么呢?貴金屬催化劑,用鉑、鈀、釕這樣的東西。這個貴金屬呢,它是吸附氫或者吸附氧,解離以后呢,氫氧才在表面反應,反應以后再電子傳遞才會發電。所以大概算了算,現在最好的就是這樣一個技術,依靠現在的條件,一部車子大概需要50克左右的鉑。你們現在誰有一個白金的項鏈或者一個戒指,50克重也不這么容易吧?搞一個車子就要50克。出點錢倒沒什么問題,比如現在有錢的,50克能有多少錢呢?50克,我估計可能幾萬塊錢,可能也能拿下來吧?是不是?也不一定算什么,但是這些貴金屬自然界中沒有這么多量,所以就有問題。所以就出來一個什么研究呢?非貴金屬催化劑做燃料電池。

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燃料電池的耐久性問題,已經獲得了比較好的突破。原來為什么有這個問題呢?就是燃料電池在實驗室做,做3000小時5000小時,一點問題沒有,但是一放到車上去開,一兩千小時就不行了。為什么就不行了呢?燃料電池它是要吸空氣的,不是嗎?空氣里面有粒子,粒子里面就有金屬,貴金屬,還有硫。這種東西一吸進去以后,燃料電池的催化劑,它就慢慢就中毒了。就因為這些東西,膜也就堵塞起來了,催化劑就中毒了。本來在實驗室搞得好好的,到這個地方就不行了。

二是儲氫這個氫大家知道,實驗室也有儲氫的鋼瓶。氫是很輕的,是不是?你要把這個氫帶到車上去,你可不能弄太大的東西,你一定要把它弄得很小。現在有三個辦法,把它弄得很小。

 

一個辦法是壓縮氫,就把氫壓在鋼瓶里。我們現在不是用鋼瓶嗎?但我們實驗室的鋼瓶大概是130個大氣壓、150個大氣壓,在實驗室里很少有超過200個大氣壓的。據說車子上中國現在已經在搞標準,在搞350個大氣壓,日本人是搞多少呢?700個大氣壓。大家可以看到,700個大氣壓同300個大氣壓就差一倍多一點,同這個150個大氣壓相比就差5倍,是不是?也就說,150大氣壓的鋼瓶,儲存的氫在車上可以跑100公里,假如700個大氣壓,同樣的鋼瓶儲存的氫可以跑差不多500公里。所以儲氫相對比較好的還是氫瓶,現在基本上世界范圍之內都是這么干。

 

第二個事情是什么呢?就把氫冷卻下來,變成液氫。冷卻下來到這個地方呢,再把它釋放這個出來。這個氫密度是很高的,但是安全性差,而且它要耗很多能量,把它冷卻下來。而且在行駛過程當中,還得防止瓶子漏氣了,一漏氣以后熱量就進去了,接著就放出來,可能就得爆炸了。假如說這個壓力太高了,它不就爆炸了嗎?所以安全性這地方還有問題。

 

第三個事情,這都是我們化學搞的,材料儲氫。各式各樣的儲氫材料,高分子的也有,金屬的也有,用納米碳管的也有,什么東西都有。但非常遺憾,迄今為止重量百分比都沒有達到6%。也就說,100公斤的儲氫材料,都儲不了6公斤的氫,儲氫的效率是太低了!假如有一天,儲氫能達到10%這個樣子就好了。因為它壓力也不高,是吧?就儲在這個里面。所以,燃料電池要做起來以后,儲氫的這個事情還得要考慮,你不考慮你是沒辦法走下去的。

 

日本人最近氫能推廣得很厲害,大家可能也都知道,日本人已經做到什么程度呢?到2040年它要普及,2020年就有4萬臺。大家可以看到,日本人是用700大氣壓儲氫的,大概儲氫的重量比是7.5%。那么也就是說,這里面如果用個大的瓶子,它可以走得很遠。那么它的行駛里程,據說到2040年的時候,可以跑1000公里。大家想一想,假如加一次氣跑1000公里,倒也是蠻好的,是吧?

 

我們中國從奧運會開始就有燃料電池車的示范,從上海的那個世博會開始,一直在作這樣一個示范,包括現在還在作這個示范,一直在做,做得也是蠻好的。但是還是有很多問題,特別是制氫。大家知道,張家口我們2022年是要搞冬奧會的,冬奧會里面就希望能夠推氫能燃料電池這樣一個事兒,所以最近他們就在搞一個項目,就是用這個風同太陽能產生電,電解水制氫,制氫以后就運行在燃料電池車子。這件事情假如做成了以后,我認為意義還是很大的,經濟上可能馬上起不到作用,到不了經濟實用這樣的程度,但最起碼為未來作了個示范。

 

所以中國也有個目標,到2035年,中國希望一公斤的氫能夠降到25塊錢。一公斤氫大概就是11立方米左右,現在跑得好的車子,據說一公斤氫可以跑100公里不到一點。大家知道油現在多少錢一升呢?可能是六、七塊錢左右一升,是不是?那么一升油大概能跑多遠呢?小車大概一般跑100公里,好的車子耗油大概五、六升的樣子,大型的SUV,可能就要15升這個樣子,那么就是要60塊錢,是吧?那假如百公里消耗氫氣能夠變到一公斤,跑100公里25塊錢,就是跑50塊錢,我認為也是合算的。

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