關鍵詞|電解水制氫 優勢
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3.電解水
4.上海大學在氫能與燃料電池方面做的一些工作
5.總結
報告發言人：
加拿大皇家科學院院士，國家工程院院士，工程研究院院士，上海大學可持續能源研究院院長張久俊：
尊敬的各位領導，各位專家，各位朋友，大家上午好。非常榮幸能夠被邀請來參加2019年氫能發展與技術大會。我下面給大家粗略的介紹一下關於氫能發展，把主要的方面放在電解水方面，氫能可能是我們人類終極的能源，這個觀點也被普遍的認可。我今天的報告是「氫能發展及電解水制氫」，主要是集中在目前的現狀，我們的挑戰以及前景。
我們首先講氫能的發展的必要性。我們知道尤其我們現在的運輸、汽車、船舶，我們燒的就是汽油和柴油，燒汽油和柴油，那就排放出了二氧化碳、一氧化碳、氧化氮、氧化硫等等汙染物到我們的大氣中，造成了汙染，對我們人類的可持續發展造成了威脅。我們看看針對這種情況，目前世界各個國家都在發展新能源，我們知道人類未來的能源就是太陽能、風能、水電能、生物能、地熱能等等。剛才任秘書長說，我們目前的石油，就是我們說的化石能源，我專門有一個報告關於化石能源的現狀，就是說這個化石能源按照目前的燃燒速度的話，包括天然氣、石油、碳以及核電，最多能夠燒200-300年。所以發展新能源，利用太陽能、風能、電解能、生物能等等產生電能，將是我們未來的終極能源，以氫氣或者是液態的氫氣、氣態的氫氣為主要能源的載體是氫能經濟的可持續發展的必然。
我們知道這個裡邊氫氣作為一個載體，就要牽扯到電化學能源的存儲和儲存的技術，它在氫能利用中發揮中心的作用，核心的作用。從太陽能、風能以及水電能，發電以後產生的電能，通過電化學的方法制氫，產生氫氣把它儲存起來，因為太陽能、風能，這些能都是我們的氣候影響的。比如說太陽能，今天沒有太陽，產生的電能就少，它這個能源是一種隨著氣候的波動而變化的能源，所以說這種能源在以前就把它叫做垃圾能源，但是現在由於我們有儲能技術，隨著技術的發展要充分的利用起來。最重要的一個方法就是把它儲起來，儲起來我們可以通過電化學的方法，把它產生的電能變成氫氣，然後用氫氣通過燃料電池產生電，再驅動我們的汽車運輸，這種電我們叫是一種可攜帶的電，而不是可攜帶的電。比如牆上插頭用的電，這叫做有有線電，我們用的叫做沒有線的電能，這是非常重要的。
當然我們也可以通過電池和超級電容器把它儲存起來，轉變成我們的家用。比如說我們手機裡邊的鋰電池等等這些，也可以。但是作為一個能源的最大的未來的儲存，還是要制氫。
我們看看為什麼氫能利用是未來發展的必然趨勢？
首先目前世界各個國家都在力圖發展氫能來解決能源的安全問題，掌握國際能源領域的制高點，我們可以看到，目前世界各個發達國家，包括發展中國家都在做這個事情。國際能源儲、國際氫能源委員會發布的氫能源未來發展的調研報告也預示到2050年的時候，氫能需求將是目前的10倍，預計到2030年，全球氫氣的燃料電池，氫能源電池的常用車將達到1000萬至1500萬輛，這樣一個大的市場規模。
我們談到氫能，我們首先要考慮到氫能存在的挑戰，我這裡列出幾個挑戰。第一個，目前氫的製備、存儲以及利用的技術還很不完善，尤其是在我們的交通運輸方面，尤其是燃料電池汽車方面，像這種製備、儲存利用方面還不完善。
第二個，氫氣的價格也是很高。一個是製備、運輸、儲存，加起來的話，目前達到60人民幣每公斤，大約達到這個水平，這個價格還是很高，不能和還有或者柴油相媲美。
另外一個是根據它的性質，氫氣在任何室溫下，任何的壓力下都不能變成液體。什麼意思？它的運輸就非常的困難。你運輸的話，目前我們運輸主要是靠液態氫運輸，液態氫是把它的溫度降到253度以下，變成液體來進行運輸。當然我們目前國內的運輸主要是靠把它壓到一個高的壓，比如說350大氣壓，這樣的情況來運輸。一個大的罐車也就運個200公斤氫氣，它就是在任何的壓力下，任何的室溫下，它都不能變成液體，這是它的本身的性質決定的，帶來存儲和運輸的困難。
氫氣容易洩漏，氫氣是所有化學分子裡邊最小的分子，所有的金屬氣罐，只要壓力達到一定程度，它都要洩漏，產生輕微的洩漏。所以說現在的燃料汽車裡邊，汽車用的氣罐，可以達到比如說350個大氣壓，或者700個大氣壓，這個就是靠三層的氣罐，最裡邊一層是一種高聚物，中間是金屬合金，最後包括碳纖維，這三種可以完全阻止這個氣體的洩漏，但是這個很貴。另外一個它是低點點火，並不是說在空氣中氫氣越多越容易點火，在氫氣很少的情況也容易點火。所以這就是說它點火的範圍比較寬。還有一個就是我剛才講的，它會淬化我們氫氣的氣罐，這是氫氣本身存在的一些挑戰。
我們談完它的挑戰，或者是它的缺點，我們就要談談氫氣的優勢，有哪些優勢呢？氫能首先是一種無汙染的清潔能源，燒了以後，通過燃料電池燒，或者是直接燒了以後，它產生出來的就是水，一個氫分子加上一個氧分子變成水，它就是這個水，所以非常的清潔。
第二個，它的來源比較廣泛。比如說電解水，它就是來源於水，或者是從我們的低碳化合物進行裂解，產生氫氣，它的來源比較廣闊。
第三個，它的燃燒值和能量密度是所有的燃料裡邊最高的，它是最高的。
第四個就是利用的形式也比較多。
第五個也是可以儲存的，通過液態或者固態技術有機物的儲存等等都可以儲存。
相對來說它的安全性實際上在汽車裡邊應用的話，比汽油要安全，這是在國外已經被通過很多的事件證明的。這也是氫能源的一種優勢，剛才我們講氫氣是能量密度最高的，我們比較一下，這裡邊有一個乾柴火、鎳氫電池、鋰電池、標準煤、汽油、天然氣、氫氣，我們看看氫氣的能量密度是最高的，它達到140.4兆焦耳每公斤，它比起我們的汽油大約是三四倍，能量密度是這麼高。所以它是一個非常好的能源的攜帶者。
這樣的高能量的密度的氫氣是實現新能源技術產業化的技術。另外，氫能源確確實實是要顛覆我們傳統能源長期建立起來的產業鏈，基礎設施的必備條件。一個是清潔很多優勢，相對燃料電池來說，相對於其他的電池技術，高能量密度的氫能燃料電池有望實現後來者居上，這樣的一個狀況。所以我們剛才說的氫能源的能量密度是汽油及天然氣的三倍以上，具有快速發展的基礎。所以說現在我們看到的市場上的鋰電池汽車，為什麼佔比目前還不是這麼多，發展也不是這麼快，就是因為它的一個很大的問題，一個就是它的能量密度還不高，所以續航裡程還是個問題，尤其是在我們重卡裡邊應用，它的續航裡程更成問題了。所以燃料電池在這方面就很有優勢。
我們看看氫能的主要領域在什麼地方。我這裡列了主要的三個應用領域，第一個就是化工原料，這個在座的各位同仁可能都比較清楚，目前氫氣60%都用於合成氨，38%用於煉油或者煤碳深加工，大約是這樣一個狀態，可能這個數據也不一定全對，大體就是這樣一個情況。第二個大的應用就是氫燃料電池汽車，這個預計到2030年全球燃料汽車將達到1000萬至1500萬輛，上千座的加氫站。主要是集中在美國、日本、德國、韓國以及中國，這是第二個大的應用，氫燃料電池。第三個就是小型的燃料電池分布式的發電系統，就是我們說的微電網系統，這個也是非常重要的一個發展方向在目前來說。就是說整個的一個小區裡邊，自己有自己的微電網，比較靈活的進行調節。
主要就是三個主要的應用領域，一個是化工原料，第二個是大規模的氫能燃料電池汽車，第三個是小型的分布式的發電系統。我們看怎麼樣把氫能轉變成動能或者電能？第一個，我們可以把氫能轉變成動能，就是氫能的內燃機，就是相當於我們汽車一樣，可以燒汽油，可以燒天然氣，當然也可以燒氫氣。但是燒氫氣的在國外的幾個大的汽車公司也在做，直接燒氫氣還是避免不了汙染的問題，因為只要一燒，溫度1000度以上的話，空氣中的氮氣就要變成氧化氮，一樣排放，還不能達到零排放的問題。所以從效率方面，試了以後還是不行，還是要通過燃料電池。所以氫電機就是把氫能變成動能的一種方式。
第二個大的方式就是氫燃料電池產生電，這是一個主要是通過電化學反應來實現，這個燃料電池能量效率還高，直接燃燒的話，我們受到熱力學第二定律限制卡諾循環的限制，也就是說只能達到百分之30幾，但是在燃料電池裡邊，通過電化學的反應，可以達到60%-80%，並且整個的過程也是一個零汙染、零排放的過程。所以氫能轉變的兩種方式，一個是我們可以直接燃燒，另外通過燃料電池產生電。
我們看看氫的製備，製備的話，主要是氫氣或者是液氫，這個能源包括制氫、儲運氫、用氫三個主要的環節。制氫的方面，在2017年全球的氫氣產量超過大約是6000萬噸，其中96%的來自於化石燃料，大部分採用天然氣和煤油的制氫技術。電解水統計可能就佔4%左右，當然這個數據不一樣，變化很大，各個地方統計的數據也不一樣，但是大約是佔到4%左右，但是成本很高，是化石燃料的2倍多一些。
所以目前我們利用可持續的電解水能源制氫，比如說通過太陽能、風能、水利能等等，或者是氣電來制氫的話，目前已經成為一個新的熱點，尤其是在科學研究領域，或者是在我們前期的產棉化的階段，我們用可持續能源的電解水制氫，也正在興起，並且也是我們未來的必由之路。
我們看看有哪些，這個我列出來有大約8種，可以歸結為8種制氫方法。第一個就是我們說的電化學的制氫的方法，就是電解水制氫。第二個就是煤氣的轉化法，也就是煉解法、蒸汽的轉化法，焦爐煤氣的冷凍制氫，出來的氫氣到不了50%的氫氣，怎麼把它純化呢？冷凍。把其他的都給它凍成液體，因為氫氣在常溫下，在任何的壓力下都不能變成液態，通過這種方法。還有石油的裂解、合成氣和天然氣的制氫，含氫無機物質的分解制氫。最後一種高溫水解制氫，這個方法現在也研究的比較熱，這是一個什麼方法？就是利用太陽能，有一個大的聚焦鏡，聚焦鏡的中間有一個熱點，把太陽能一聚，聚集到中間的熱點，中間的這個熱點的溫度可以達到2000度，在這個熱點上面放上鐵氧化物或者其他的化學東西，把水給上面一放，馬上變成氫氣和氧氣分解，這就是充分的利用太陽能，這個方法叫做STCH，這是我們未來的一種很好的方法，但是目前它的投資力度還是比較大。
另外一種方法就是簡單的把我們的水加入到2500度以上，水自動的分解，分解成氫氣和氧氣，這是一種高溫水解法制氫。
總體有這麼幾種方法，但是我們看到，第一個方法和最後一種方法，那是我們可持續的發展，中間的方法都是靠我們目前的化石能源，我們知道化石能源是一種不可持續的能源。要想真正的發展，我們從人類的未來考慮，我們要採取第一種方法和最後一種方法來制氫。制氫總體可以歸結為兩個大的方法，第一個就是碳氫化合物經過高溫裂解制氫。第二種就是電化學分解水。今天花一些時間給大家簡單的講講關於電化學電解水制氫。
這個地方是美國DOE，就是美國能源部的一個發展戰略，制氫的發展戰略，我們在短期內，主要是靠天然氣來制氫，有很少一部分是生物體氣化，以及天然氣電解，很少一部分，這是目前的狀況。中期可能這裡邊太陽能就要加進去了，主要的可能就是煤碳的氣化來制氫，當然電解水是一個長期發展的方向。長期的話，我們看到很多太陽能的標誌，我們主要的發展還是靠太陽能以及我們的可持續能源的風能、地熱能等等，這種能來發電，來制氫，這是短期、中期以及長期的制氫方法。
我們講電解水制氫，我們知道電解水制氫是電化學的電解水制氫，實際上包括五個大的方法。第一個就是鹼性電解水制氫。第二個是酸性電解制氫。第三個氯鹼電解制氫，我們在座的很多同仁可能也做過這個氯鹼工業，氯鹼工業裡邊有很大一部分出來的是氫氣，並且這個氫氣的純度也是相當的高。另外就是高溫電解制氫。光柱的電解制氫。五大類電解制氫的方法。
我們看看電解水制氫，它的電化學原理實際上在正極上的反應，就是水被氧化，生成氧氣，加上質子，在我們氯鹼裡邊它就是被氧化生成氯氣，氯化鈉被氧化生成氯氣。在負極上反應就是水被還原生成氫氣。總體的電池反應就是水的分解變成氧氣或者氫氣，在氯鹼工業裡可能還附加一個氯氣加上氫氣，加上氫氧化鈉。又能產生氫氣，又能產生氯氣，又能產生氫氧化鈉，這是一個比較好的過程，這個過程現在是非常成熟的一種，尤其是離子焦耳膜的隔膜的發展，使這個技術從各個方面都比較成熟。但是它需要的電壓比較高，3.3伏以上的電壓。
我們看酸性和鹼性以及光柱電解水的槽電壓，從理論上講槽電壓也是比較高的，以及它們的耗電情況，這是它的電化學原理。我們看看講到這個地方，想給大家分享一下，關於我們評判一個電解水設備，怎麼來評判它的效率？有三個效率，第一個就是法拉第效率，這個法拉第效率指的是什麼？比如說我通過100個電子進入這個電解水系統，我產生出來的氫氣或者氧氣，比如說根據法拉第定理轉變成90個電子了，這個效率就是90%，90除上100是90%，這是法拉第效率。
第二個是電壓效率，電壓效率的意思就是說，電解槽的電壓，理論上的電壓比如說是1.23，但是由於超電視，加上額外的電壓才能使得這個水分解。就是說理論上的電壓比上我加的這個電壓，這個就是叫做電壓效率。但是最重要的一個叫做能量效率，這個能量效率就是法拉第效率乘上電壓效率，就是它的能量效率，這個能量效率才是真正的衡量一個電解水的效率，我們考慮的主要是能量。這三個效率。
我們看看根據五種電解水制氫的能量效率，我給它總結一下。這裡包括電解池的槽壓、操作溫度以及能量效率，我們從這裡邊可以看到，離子焦耳膜酸性的電解水制氫，就是氫能燃料電池的逆過程，它的能量效率是最高的，可以達到80%-90%，但是我們目前最能夠產業化的制氫就是鹼性的電解水制氫，但是它的效率是30%-40%，當然還有其他的，也都差不多。比如說氯鹼膜電解水制氫，這個效率也是相當高的。最後一個也是我們人類永遠的追求，光柱的電解水制氫，太陽能來幫助電解水制氫，它的效率目前很低，就是電池本身可能達到10%-20%，但是總體的再加上其他的話，那就是可能百分之幾，這樣一個效率，很低，但是這是我們的發展方向。
我們剛才說最高的一個就是用燃料電池的逆過程來電解水，這樣一個離子焦耳膜的燃料電池的制氫技術，這個技術有它的優勢。第一個，它不需要腐蝕性的電解質，因為它是全固態，這是一個。另外一個，這個電堆既可以用於燃料電池的發電，也可以用於電解水產生氫氣，這是第二個優勢。第三個，電極之間，由於它是全固態，沒有氣泡的產生，那就是電壓比較小，耗電就少，這就是它為什麼能量效率高。所以，它產生的氫氣非常的純，可以達到6個9的純度，但是它也存在著挑戰，因為它這個操作過程是一個酸性的過程，所以器件的腐蝕也是一個問題。這個膜與電極之間的接珠也變得損害，因為它是個高電壓的操作，所以這個膜與電極之間有損害。
目前來看，因為燃料電池成本也很高，拿到制氫的話可能更高了。所以，電解對燃料電池實際上是一個損害過程，因為它在正極上加了壓，比還原的壓力要高，所以產生了催化劑的氧化，以及這個裡邊碳氣的氧化等等這些問題。所以這是燃料電池制氫的方法。
講到這兒以後，想給大家分享一下關於電解水制氫的優勢。第一個，首先我們說原料水及太陽能、風能是取之不竭、用之不盡的，這是原料上，取之不竭，用之不盡，第二個，目前我們可以利用低谷的剩餘的餘電或者是氣電來制氫，達到了一個能源存儲的效果。我剛才說產生的氫氣效率很高，純度很高，可以達到5個9，6個9。另外一個就是整體的反應的速度，可以通過我們調節它的槽電壓來進行，想慢就慢，想快就快，這也是一個優勢。講完優勢以後，我們看它存在的挑戰，電解水所存在的挑戰。
第一個，催化劑的活性和穩定性相對還是比較低。第二個，我們剛才看到大部分方法能量效率都在50%左右，能量效率還是低。產生的氫氣的成本高。另外一個，由於電化學反應，對水的純度要求也比較高，然後電能的消耗比較高，因為產生氫氣的室溫目前看來是一個大氣壓的，所以我們要是儲存的話，必須把它壓起來，壓到高壓的情況下，這個就要另外的能源的。但是在目前的技術的狀況下，提高催化劑的活性和穩定性，降低槽電壓，提高能量效率是我們目前重要的一個途徑。
我們要發展新型的催化劑，我們看一看目前電解水用了哪些使用的催化劑。第一個就是金屬鎳及其合金，這樣的一個催化劑。這個是傳統的材料，就是在負極上出氫的材料，所以它的耐腐蝕性也是比較高的，這個是金屬鎳及其合金的催化劑。
第二種催化劑就是貴金屬以及貴金屬氧化物，比如說鉑，以及鐐、氧化鐐、氧化銥等等這些貴金屬的催化劑，也是目前可施用的催化劑。
第三種催化劑，我們說是鈣鈦礦型的氧化物，這種氧化物基本上只用在高溫水電解上面，這是這方面。所以在高溫的情況下，萊力氧（音）這樣的催化劑可能目前是最好的，所以這是第三類催化劑。
第四類催化劑就是（00：30：53）實行的氧化物，這個是用在鹼性電解質中是非常好的，當然了，高溫下也非常穩定。
我們主要是在四個方面做了一些工作，比如說燃料電池的關鍵部件，從催化劑、膜，然後到整體的電池。然後是系統的集成，我們得到科技部重點項目的支持，在做這個燃料電池系統的優化。我們還發展了一個電解水制氫的催化劑以及設備。這個是我們膜電極各個方面所做的工作，就不仔細和大家說了，尤其是我們在做燃料電池方面，我們投入了百分之六七十的工作，精力都放在燃料電池上面，我本人一直是在燃料電池的，我是1998年就開始在巴拉德，中國實際上最有名的燃料電池公司工作，工作了6年之後，又到加拿大國家研究院的燃料電池中心工作，一直到2016年回國，我是做燃料電池的，所以我們對燃料電池發力還是比較大的。
這是我們在電解水方面做的一些工作，我們合成了一系列的催化劑，複合極的催化劑，這種催化劑比目前報導的催化劑性能都要高很多，這是我們做的一個電解水的設備，效率也比較高。這也是電解水的催化劑。當然我們也在產學方面發力，我們和很多公司合作，都跟他們在一塊做燃料電池或者是氫能和燃料電池方面的工作，他們給我們支持也非常大。
首先要總結的給大家說，顛覆性的能源革命是在水的直接光分解產生氫氣，這樣一個簡單的過程，就是在一個容器裡邊放上催化劑，光照上以後，直接分解水，產生氫氣和氧氣，也是目前我們人類面臨的一個最大的在氫能方面應用的課題，現在這方面研究也比較多，所以這個地方也要有一個長期的發力。
我們看看氫能利用的挑戰，最後我要講講這個挑戰，我們要清醒的認識到，在氫能利用上，並不是我們想像的這麼快，我們知道，氫生產的過程成本高、能量效率低，導致了氫的價格也很高。當然可能在我們銅陵有很多的煉焦廠，或者有很多的工業在制氫方面，可能價格相對來說低，但是當你把它經過高壓，通過淨化，通過運輸，最後用到燃料電池方面，這個價格就提高很多，這是一個。
第二個，高壓或者超低溫的氫儲存的過程都很複雜，能耗也比較高。
第三個挑戰是氫氣性質實際上還是限制了它的安全性，它畢竟是一個燃料，像汽油一樣，它是燃料。所以它就加大了我們使用的複雜性以及範圍。
第四個就是運輸比較困難，我剛才講了，它很難被變成液體在室溫下，所以就很難普及的應用。所以，普及氫能應用還有一段路要走，這就靠我們在座的同仁發力，儘快的把氫能應用搞上去。
下面就總結一下我今天給大家分享的，首先我們是以化學燃料為能源的世界是不可持續的，這是大家的一個共識。所以，發展清潔可持續能源勢在必行，這是第一點。以氫氣或者液氫為主要能源載體的氫能經濟也是可持續發展的一個必然。儘管剛才我們講了氫能存在很多挑戰，但是未來能源的必然趨勢，我們要大力發展。目前氫能可以助推可再生資源的發展，解決氫能經濟的製備、儲存、大規模的運輸，目前是一個關鍵的問題。我們講到氫的安全問題，實際上這個不僅從技術上要得到保障，還要提高我們大眾對氫氣的認識。當然一聽說氫氣的話，我們大眾很可能就是說覺得很危險，有的人會和氫彈聯繫起來，這個就是我們的認識問題。
我們利用太陽能和風能，以及水電能為原來電化學的制氫，分解水制氫是可行的，也就是我們未來制氫的一種主要的方法。在電解水制氫方面發展高效能的催化劑，高穩定性的催化劑，提高能量效率是我們研究的主要方向。氫能利用，我個人的觀點，主要是靠燃料電池來推動，因為汽車工業、運載工業是一個大的工業，所以，我們的氫能利用可能主要是靠燃料電池來實現。我們說氫能是氫能的燃料電池，有版本認為是電動車的終極的主電源，我強調的終極主電源是因為可能在未來的汽車上，燃料電池佔很大的一部分，80%，90%，10%，12%可能是電池，鋰電池了，其他電池了，這樣一個規模。所以，目前我們要降低燃料電池的成本，發展氫氣加氫站，是我們主要的努力方向。
內容來源：加拿大皇家科學院院士，國家工程院院士，工程研究院院士，上海大學可持續能源研究院院長張久俊參加由中國化工信息中心，銅陵市人民政府共同主辦的2019全國氫能產業與技術發展大會主旨報告
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