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使用氢能到底有哪些技术瓶颈?

现在社会上一直在讲氢能,还有氢能经济、氢能社会,都在讲这样的事情。但是我们搞化学的人要有个判断,氢能到底会是怎么样?未来会怎么走?在什么情况之下我们才能说氢能这件事?

包信和,中国科学技术大学校长、中国科学院院士。他长期从事催化基础理论研究和新型催化材料的创制,以及能源清洁高效转化过程的研发,在纳米催化基础、天然气和煤基合成气高效转化等方面取得了一系列重要研究成果,多次获得国内外学术奖励。

我们看看氢能到底是怎么一回事。

当能源碳跟氧反应,比如说当空气和汽油、柴油等燃料一混合,遇到火花就会发爆炸,这样的爆炸在气缸内进行,会产生高温高压的燃气,推动活塞做功,内燃机就是这样来的,它所产生能量大概效率是是百分之三十几这个样子,还有百分之六十几就损失掉了。

 

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碳是自然界里就有的,我们是能够挖出碳来的,但是它产生温室气体——二氧化碳。所以大家可以看到,自然界它还是很平衡、很公平的,有的东西一定会相应产生不好的东西出来。
氢很好,跟氧一反应就能生成水,但是问题就是在自然界当中,氢是不存在的。氢可以用于燃料电池,而且它的运行效率很高,可以达到60%,但是自然界当中没有氢气。我们从没听说有人可以在什么地方挖到一个氢气矿出来。所以,虽然氢能的利用会产生水,没有污染,但是氢这个原料在自然界是没有的。

为什么人们会想到利用氢呢?大家可以看到,从我们人类的能源发展来讲,最早是木材,木材基本上就是碳,也含有一点点氢;后面是煤炭,煤炭里面大概是两分碳一分氢;再到后面发展到石油,石油大概是两分氢一分碳;再后面就是天然气,天然气是四分氢一分碳。从这个发展过程看下来,基本上人类的能源发展是逐步向氢碳比高的方向迈进的。

 

氢气在自然界当中是没有的,但是水通过电解可以产生氢气,而且它可以跟可再生能源连在一起。有这些条件以后,大家就认为氢可能是未来非常重要的一个能源。未来,氢能在我们的能源体系当中可能会起到什么样的作用?现在的能源体系是怎么做的呢?化石能源,我们可以把它变成液体材料,像油这样的东西,最后到终端用户。还有一个很重要的事儿,就是化石能源可以发电,变成电能以后到终端用户。但我想未来再怎么变,电总不会少,核能也好,光也好,风也好,电是不能少的。

但是电力能不能开飞机呢?现在还没有这样的飞机。假如说未来有了氢燃料电池可以开飞机、开船,就类似于跟油差不多一样的道理了。所以在未来能源体系当中,氢就有可能替代现在液体燃料的角色。要把氢能这一块做起来,会有个很长的产业链。

首先自然界是没有氢气的,你要制备出氢气出来,接下来储存、转换、应用。所以大家可以看到,整个一个产业链有好多作研究的人在做这么一件事。比如制备过程,制氢的方法很多,通过化石能源?、水电解、化工原料、工业尾气等。全世界一年大概用5000亿立方米的氢气,非常遗憾的是在这个制氢结构当中,4%是从可再生能源来的,96%是化石能源来的。使用化石能源就要排放二氧化碳,所以,要想发展氢能经济燃料电池,就一定要跟可再生能源连起来。

未来可以从可再生能源发展,用光、风、核能把水电解变成氢,只有在这个时候,整个氢能才能够被利用起来。所以我要套用一句广告词,自然界当中实际上是没有氢的,没有氢能的,氢能实际上就是可再生能源的搬运工,把可再生能源从这里搬到那里而已。

 

那么氢能利用我们到底有什么卡脖子的事情?搞了这么长时间,为什么就没有搞起来呢?这个问题到底在哪里呢?

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一是制造技术怎么把燃料电池制造得非常之可靠。氢跟氧在这个燃料电池上面它是不反应的,它一定要有催化剂。催化剂是什么呢?贵金属催化剂,用铂、钯、钌这样的东西。这个贵金属呢,它是吸附氢或者吸附氧,解离以后呢,氢氧才在表面反应,反应以后再电子传递才会发电。所以大概算了算,现在最好的就是这样一个技术,依靠现在的条件,一部车子大概需要50克左右的铂。你们现在谁有一个白金的项链或者一个戒指,50克重也不这么容易吧?搞一个车子就要50克。出点钱倒没什么问题,比如现在有钱的,50克能有多少钱呢?50克,我估计可能几万块钱,可能也能拿下来吧?是不是?也不一定算什么,但是这些贵金属自然界中没有这么多量,所以就有问题。所以就出来一个什么研究呢?非贵金属催化剂做燃料电池。

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燃料电池的耐久性问题,已经获得了比较好的突破。原来为什么有这个问题呢?就是燃料电池在实验室做,做3000小时5000小时,一点问题没有,但是一放到车上去开,一两千小时就不行了。为什么就不行了呢?燃料电池它是要吸空气的,不是吗?空气里面有粒子,粒子里面就有金属,贵金属,还有硫。这种东西一吸进去以后,燃料电池的催化剂,它就慢慢就中毒了。就因为这些东西,膜也就堵塞起来了,催化剂就中毒了。本来在实验室搞得好好的,到这个地方就不行了。

二是储氢这个氢大家知道,实验室也有储氢的钢瓶。氢是很轻的,是不是?你要把这个氢带到车上去,你可不能弄太大的东西,你一定要把它弄得很小。现在有三个办法,把它弄得很小。

 

一个办法是压缩氢,就把氢压在钢瓶里。我们现在不是用钢瓶吗?但我们实验室的钢瓶大概是130个大气压、150个大气压,在实验室里很少有超过200个大气压的。据说车子上中国现在已经在搞标准,在搞350个大气压,日本人是搞多少呢?700个大气压。大家可以看到,700个大气压同300个大气压就差一倍多一点,同这个150个大气压相比就差5倍,是不是?也就说,150大气压的钢瓶,储存的氢在车上可以跑100公里,假如700个大气压,同样的钢瓶储存的氢可以跑差不多500公里。所以储氢相对比较好的还是氢瓶,现在基本上世界范围之内都是这么干。

 

第二个事情是什么呢?就把氢冷却下来,变成液氢。冷却下来到这个地方呢,再把它释放这个出来。这个氢密度是很高的,但是安全性差,而且它要耗很多能量,把它冷却下来。而且在行驶过程当中,还得防止瓶子漏气了,一漏气以后热量就进去了,接着就放出来,可能就得爆炸了。假如说这个压力太高了,它不就爆炸了吗?所以安全性这地方还有问题。

 

第三个事情,这都是我们化学搞的,材料储氢。各式各样的储氢材料,高分子的也有,金属的也有,用纳米碳管的也有,什么东西都有。但非常遗憾,迄今为止重量百分比都没有达到6%。也就说,100公斤的储氢材料,都储不了6公斤的氢,储氢的效率是太低了!假如有一天,储氢能达到10%这个样子就好了。因为它压力也不高,是吧?就储在这个里面。所以,燃料电池要做起来以后,储氢的这个事情还得要考虑,你不考虑你是没办法走下去的。

 

日本人最近氢能推广得很厉害,大家可能也都知道,日本人已经做到什么程度呢?到2040年它要普及,2020年就有4万台。大家可以看到,日本人是用700大气压储氢的,大概储氢的重量比是7.5%。那么也就是说,这里面如果用个大的瓶子,它可以走得很远。那么它的行驶里程,据说到2040年的时候,可以跑1000公里。大家想一想,假如加一次气跑1000公里,倒也是蛮好的,是吧?

 

我们中国从奥运会开始就有燃料电池车的示范,从上海的那个世博会开始,一直在作这样一个示范,包括现在还在作这个示范,一直在做,做得也是蛮好的。但是还是有很多问题,特别是制氢。大家知道,张家口我们2022年是要搞冬奥会的,冬奥会里面就希望能够推氢能燃料电池这样一个事儿,所以最近他们就在搞一个项目,就是用这个风同太阳能产生电,电解水制氢,制氢以后就运行在燃料电池车子。这件事情假如做成了以后,我认为意义还是很大的,经济上可能马上起不到作用,到不了经济实用这样的程度,但最起码为未来作了个示范。

 

所以中国也有个目标,到2035年,中国希望一公斤的氢能够降到25块钱。一公斤氢大概就是11立方米左右,现在跑得好的车子,据说一公斤氢可以跑100公里不到一点。大家知道油现在多少钱一升呢?可能是六、七块钱左右一升,是不是?那么一升油大概能跑多远呢?小车大概一般跑100公里,好的车子耗油大概五、六升的样子,大型的SUV,可能就要15升这个样子,那么就是要60块钱,是吧?那假如百公里消耗氢气能够变到一公斤,跑100公里25块钱,就是跑50块钱,我认为也是合算的。