近日，《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》特邀中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士包信和，深度解讀氫能利用的技術(shù)瓶頸以及氫能社會(huì)離我們有多遠(yuǎn)?

包信和談到，從發(fā)展過(guò)程看，人類的能源發(fā)展是逐步向氫碳比高的方向邁進(jìn)的。在氫能利用方面，目前氫能制造和儲(chǔ)氫還存在技術(shù)難關(guān)。

2018年我國(guó)將氫能源及燃料電池的產(chǎn)業(yè)定為發(fā)展元年，日本也成為首ge將氫能發(fā)展定為國(guó)家戰(zhàn)略的國(guó)家。但是，不可否認(rèn)的是，現(xiàn)在的氫能還不是fang便、zui實(shí)yong的能源，很多卡脖子的技術(shù)問(wèn)題還制約著氫能的廣泛應(yīng)用。

那么，怎樣才能突破氫燃料電池的耐久性和氫氣的儲(chǔ)存問(wèn)題？2050年，將氫氣作為新能源的愿景能否實(shí)現(xiàn)？

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士包信和
 

人類對(duì)能源的追求永無(wú)止境，而各種新銳能源正演繹著各自的風(fēng)云，試圖在未來(lái)的能源體系中占據(jù)主導(dǎo)地位，氫能就是其中之一，它被稱為21世紀(jì)的終ji能源。在人們的期待中，氫能取之不盡、清潔高效，還不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳這種溫室氣體，不會(huì)有化石能源的枯竭焦慮。

 01

氫能是可再生能源的搬運(yùn)工

現(xiàn)在社會(huì)上一直在講氫能，還有氫能經(jīng)濟(jì)、氫能社會(huì)，都在講這樣的事情。但是我們搞化學(xué)的人要有個(gè)判斷，氫能到底會(huì)是怎么樣？未來(lái)會(huì)怎么走？在什么情況之下我們才能說(shuō)氫能這件事？

當(dāng)能源碳跟氧反應(yīng)，比如說(shuō)當(dāng)空氣和汽油、柴油等燃料一混合，遇到火花就會(huì)發(fā)爆炸，這樣的爆炸在氣缸內(nèi)進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)猓苿?dòng)活塞做功，內(nèi)燃機(jī)就是這樣來(lái)的，它所產(chǎn)生能量大概效率是是百分之三十幾這個(gè)樣子，還有百分之六十幾就損失掉了。

碳是自然界里就有的，我們是能夠挖出碳來(lái)的，但是它產(chǎn)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(huì)相應(yīng)產(chǎn)生不好的東西出來(lái)。

氫很好，跟氧一反應(yīng)就能生成水，但是問(wèn)題就是在自然界當(dāng)中，氫是不存在的。氫可以用于燃料電池，而且它的運(yùn)行效率很高，可以達(dá)到60%，但是自然界當(dāng)中沒(méi)有氫氣。我們從沒(méi)聽(tīng)說(shuō)有人可以在什么地方挖到一個(gè)氫氣礦出來(lái)。所以，雖然氫能的利用會(huì)產(chǎn)生水，沒(méi)有污染，但是氫這個(gè)原料在自然界是沒(méi)有的。

為什么人們會(huì)想到利用氫這回事呢？大家可以看到，從我們?nèi)祟惖哪茉窗l(fā)展來(lái)講，早是木材，木材基本上就是碳，也含有一點(diǎn)點(diǎn)氫；后面是煤炭，煤炭里面大概是兩分碳一分氫；再到后面發(fā)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(gè)發(fā)展過(guò)程看下來(lái)，基本上人類的能源發(fā)展是逐步向氫碳比高的方向邁進(jìn)的。

氫氣在自然界當(dāng)中是沒(méi)有的，但是水通過(guò)電解可以產(chǎn)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(rèn)為氫可能是未來(lái)非常重要的一個(gè)能源。

未來(lái)，氫能在我們的能源體系當(dāng)中可能會(huì)起到什么樣的作用？現(xiàn)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，后到終端用戶。還有一個(gè)很重要的事兒，就是化石能源可以發(fā)電，變成電能以后到終端用戶。但我想未來(lái)再怎么變，電總不會(huì)少，核能也好，光也好，風(fēng)也好，電是不能少的。

但是電力能不能開(kāi)飛機(jī)呢？現(xiàn)在還沒(méi)有這樣的飛機(jī)。假如說(shuō)未來(lái)有了氫燃料電池可以開(kāi)飛機(jī)、開(kāi)船，就類似于跟油差不多一樣的道理了。所以在未來(lái)能源體系當(dāng)中，氫就有可能替代現(xiàn)在液體燃料的角色。要把氫能這一塊做起來(lái)，會(huì)有個(gè)很長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈。

首先自然界是沒(méi)有氫氣的，你要制備出氫氣出來(lái)，接下來(lái)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換、應(yīng)用。所以大家可以看到，整個(gè)一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈有好多做研究的人在做這么一件事。比如制備過(guò)程，制氫的方法很多，通過(guò)化石能源 、水電解、化工原料、工業(yè)尾氣等。

*一年大概用5000億立方米的氫氣，非常遺憾的是在這個(gè)制氫結(jié)構(gòu)當(dāng)中，4%是從可再生能源來(lái)的，96%是化石能源來(lái)的。使用化石能源就要排放二氧化碳，所以，要想發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)燃料電池，就一定要跟可再生能源連起來(lái)。

 未來(lái)可以從可再生能源發(fā)展，用光、風(fēng)、核能把水電解變成氫，只有在這個(gè)時(shí)候，整個(gè)氫能才能夠被利用起來(lái)。所以我要套用一句廣告詞，自然界當(dāng)中實(shí)際上是沒(méi)有氫的，沒(méi)有氫能的，氫能實(shí)際上就是可再生能源的搬運(yùn)工，把可再生能源從這里搬到那里而已。

02

制造和儲(chǔ)存瓶頸待突破

那么氫能利用我們到底有什么卡脖子的事情？搞了這么長(zhǎng)時(shí)間，為什么就沒(méi)有搞起來(lái)呢？這個(gè)問(wèn)題到底在哪里呢？

大家可以看到，一個(gè)是制造技術(shù)，怎么把燃料電池制造得非常之可靠。氫跟氧在這個(gè)燃料電池上面它是不反應(yīng)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(gè)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(yīng)，反應(yīng)以后再電子傳遞才會(huì)發(fā)電。所以大概算了算，現(xiàn)在hao的就是這樣一個(gè)技術(shù)，依靠現(xiàn)在的條件，一部車子大概需要50克左右的鉑。

你們現(xiàn)在誰(shuí)有一個(gè)白金的項(xiàng)鏈或者一個(gè)戒指，50克重也不這么容易吧？搞一個(gè)車子就要50克。出點(diǎn)錢(qián)倒沒(méi)什么問(wèn)題，比如現(xiàn)在有錢(qián)的，50克能有多少錢(qián)呢？50克，我估計(jì)可能幾萬(wàn)塊錢(qián)，可能也能拿下來(lái)吧？是不是？也不一定算什么，但是這些貴金屬自然界中沒(méi)有這么多量，所以就有問(wèn)題。所以就出來(lái)一個(gè)什么研究呢？非貴金屬催化劑做燃料電池。

燃料電池的耐久性問(wèn)題，已經(jīng)獲得了比較好的突破。原來(lái)為什么有這個(gè)問(wèn)題呢？就是燃料電池在實(shí)驗(yàn)室做，做3000小時(shí)5000小時(shí)，一點(diǎn)問(wèn)題沒(méi)有，但是一放到車上去開(kāi)，一兩千小時(shí)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(jìn)去以后，燃料電池的催化劑，它就慢慢就中毒了。就因?yàn)檫@些東西，膜也就堵塞起來(lái)了，催化劑就中毒了。本來(lái)在實(shí)驗(yàn)室搞得好好的，到這個(gè)地方就不行了。

接下來(lái)一個(gè)很重要的一個(gè)事情就是儲(chǔ)氫。這個(gè)氫大家知道，實(shí)驗(yàn)室也有儲(chǔ)氫的鋼瓶。氫是很輕的，是不是？你要把這個(gè)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?，F(xiàn)在有三個(gè)辦法，把它弄得很小。

一個(gè)辦法是壓縮氫，就把氫壓在鋼瓶里。我們現(xiàn)在不是用鋼瓶嗎？但我們實(shí)驗(yàn)室的鋼瓶大概是130個(gè)大氣壓、150個(gè)大氣壓，在實(shí)驗(yàn)室里很少有超過(guò)200個(gè)大氣壓的。據(jù)說(shuō)車子上中國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)在搞標(biāo)準(zhǔn)，在搞350個(gè)大氣壓，日本人是搞多少呢？700個(gè)大氣壓。

大家可以看到，700個(gè)大氣壓同300個(gè)大氣壓就差一倍多一點(diǎn)，同這個(gè)150個(gè)大氣壓相比就差5倍，是不是？也就說(shuō)，150大氣壓的鋼瓶，儲(chǔ)存的氫在車上可以跑100公里，假如700個(gè)大氣壓，同樣的鋼瓶?jī)?chǔ)存的氫可以跑差不多500公里。所以儲(chǔ)氫相對(duì)比較好的還是氫瓶，現(xiàn)在基本上世界范圍之內(nèi)都是這么干。

第二個(gè)事情是什么呢？就把氫冷卻下來(lái)，變成液氫。冷卻下來(lái)到這個(gè)地方呢，再把它釋放這個(gè)出來(lái)。這個(gè)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(lái)。而且在行駛過(guò)程當(dāng)中，還得防止瓶子漏氣了，一漏氣以后熱量就進(jìn)去了，接著就放出來(lái)，可能就得爆炸了。假如說(shuō)這個(gè)壓力太高了，它不就爆炸了嗎？所以安全性這地方還有問(wèn)題。

第三個(gè)事情，這都是我們化學(xué)搞的，材料儲(chǔ)氫。各式各樣的儲(chǔ)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(méi)有達(dá)到6%。也就說(shuō)，100公斤的儲(chǔ)氫材料，都儲(chǔ)不了6公斤的氫，儲(chǔ)氫的效率是太低了！假如有一天，儲(chǔ)氫能達(dá)到10%這個(gè)樣子就好了。因?yàn)樗鼔毫σ膊桓?，是吧？就?chǔ)在這個(gè)里面。所以，燃料電池要做起來(lái)以后，儲(chǔ)氫的這個(gè)事情還得要考慮，你不考慮你是沒(méi)辦法走下去的。

日本人近氫能推廣得很厲害，大家可能也都知道，日本人已經(jīng)做到什么程度呢？到2040年它要普及，2020年就有4萬(wàn)臺(tái)。大家可以看到，日本人是用700大氣壓儲(chǔ)氫的，大概儲(chǔ)氫的重量比是7.5%。那么也就是說(shuō)，這里面如果用個(gè)大的瓶子，它可以走得很遠(yuǎn)。那么它的行駛里程，據(jù)說(shuō)到2040年的時(shí)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(guó)從奧運(yùn)會(huì)開(kāi)始就有燃料電池車的示范，從上海的那個(gè)世博會(huì)開(kāi)始，一直在作這樣一個(gè)示范，包括現(xiàn)在還在作這個(gè)示范，一直在做，做得也是蠻好的。

但是還是有很多問(wèn)題，特別是制氫。大家知道，張家口我們2022年是要搞冬奧會(huì)的，冬奧會(huì)里面就希望能夠推氫能燃料電池這樣一個(gè)事兒，所以近他們就在搞一個(gè)項(xiàng)目，就是用這個(gè)風(fēng)同太陽(yáng)能產(chǎn)生電，電解水制氫，制氫以后就運(yùn)行在燃料電池車子。這件事情假如做成了以后，我認(rèn)為意義還是很大的，經(jīng)濟(jì)上可能馬上起不到作用，到不了經(jīng)濟(jì)實(shí)用這樣的程度，但起碼為未來(lái)作了個(gè)示范。

所以中國(guó)也有個(gè)目標(biāo)，到2035年，中國(guó)希望一公斤的氫能夠降到25塊錢(qián)。一公斤氫大概就是11立方米左右，現(xiàn)在跑得好的車子，據(jù)說(shuō)一公斤氫可以跑100公里不到一點(diǎn)。大家知道油現(xiàn)在多少錢(qián)一升呢？可能是六、七塊錢(qián)左右一升，是不是？那么一升油大概能跑多遠(yuǎn)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(gè)樣子，那么就是要60塊錢(qián)，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(qián)，就是跑50塊錢(qián)，我認(rèn)為也是合算的。