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尊敬的各位领导，各位专家，各位朋友，大家上午好。非常荣幸能够被邀请来参加2019年氢能发展与技术大会。我下面给大家粗略的介绍一下关于氢能发展，把主要的方面放在电解水方面，氢能可能是我们人类终极的能源，这个观点也被普遍的认可。我今天的报告是“氢能发展及电解水制氢”，主要是集中在目前的现状，我们的挑战以及前景。我们首先讲氢能的发展的必要性。我们知道尤其我们现在的运输、汽车、船舶，我们烧的就是汽油和柴油，烧汽油和柴油，那就排放出了二氧化碳、一氧化碳、氧化氮、氧化硫等等污染物到我们的大气中，造成了污染，对我们人类的可持续发展造成了威胁。我们看看针对这种情况，目前世界各个国家都在发展新能源，我们知道人类未来的能源就是太阳能、风能、水电能、生物能、地热能等等。刚才任秘书长说，我们目前的石油，就是我们说的化石能源，我专门有一个报告关于化石能源的现状，就是说这个化石能源按照目前的燃烧速度的话，包括天然气、石油、碳以及核电，最多能够烧200-300年。所以发展新能源，利用太阳能、风能、电解能、生物能等等产生电能，将是我们未来的终极能源，以氢气或者是液态的氢气、气态的氢气为主要能源的载体是氢能经济的可持续发展的必然。
我们知道这个里边氢气作为一个载体，就要牵扯到电化学能源的存储和储存的技术，它在氢能利用中发挥中心的作用，核心的作用。从太阳能、风能以及水电能，发电以后产生的电能，通过电化学的方法制氢，产生氢气把它储存起来，因为太阳能、风能，这些能都是我们的气候影响的。比如说太阳能，今天没有太阳，产生的电能就少，它这个能源是一种随着气候的波动而变化的能源，所以说这种能源在以前就把它叫做垃圾能源，但是现在由于我们有储能技术，随着技术的发展要充分的利用起来。最重要的一个方法就是把它储起来，储起来我们可以通过电化学的方法，把它产生的电能变成氢气，然后用氢气通过燃料电池产生电，再驱动我们的汽车运输，这种电我们叫是一种可携带的电，而不是可携带的电。比如墙上插头用的电，这叫做有有线电，我们用的叫做没有线的电能，这是非常重要的。
当然我们也可以通过电池和超级电容器把它储存起来，转变成我们的家用。比如说我们手机里边的锂电池等等这些，也可以。但是作为一个能源的最大的未来的储存，还是要制氢。
首先目前世界各个国家都在力图发展氢能来解决能源的安全问题，掌握国际能源领域的制高点，我们可以看到，目前世界各个发达国家，包括发展中国家都在做这个事情。国际能源储、国际氢能源委员会发布的氢能源未来发展的调研报告也预示到2050年的时候，氢能需求将是目前的10倍，预计到2030年，全球氢气的燃料电池，氢能源电池的常用车将达到1000万至1500万辆，这样一个大的市场规模。
我们谈到氢能，我们首先要考虑到氢能存在的挑战，我这里列出几个挑战。第一个，目前氢的制备、存储以及利用的技术还很不完善，尤其是在我们的交通运输方面，尤其是燃料电池汽车方面，像这种制备、储存利用方面还不完善。
第二个，氢气的价格也是很高。一个是制备、运输、储存，加起来的话，目前达到60人民币每公斤，大约达到这个水平，这个价格还是很高，不能和还有或者柴油相媲美。
另外一个是根据它的性质，氢气在任何室温下，任何的压力下都不能变成液体。什么意思？它的运输就非常的困难。你运输的话，目前我们运输主要是靠液态氢运输，液态氢是把它的温度降到253度以下，变成液体来进行运输。当然我们目前国内的运输主要是靠把它压到一个高的压，比如说350大气压，这样的情况来运输。一个大的罐车也就运个200公斤氢气，它就是在任何的压力下，任何的室温下，它都不能变成液体，这是它的本身的性质决定的，带来存储和运输的困难。
氢气容易泄漏，氢气是所有化学分子里边最小的分子，所有的金属气罐，只要压力达到一定程度，它都要泄漏，产生轻微的泄漏。所以说现在的燃料汽车里边，汽车用的气罐，可以达到比如说350个大气压，或者700个大气压，这个就是靠三层的气罐，最里边一层是一种高聚物，中间是金属合金，最后包括碳纤维，这三种可以完全阻止这个气体的泄漏，但是这个很贵。另外一个它是低点点火，并不是说在空气中氢气越多越容易点火，在氢气很少的情况也容易点火。所以这就是说它点火的范围比较宽。还有一个就是我刚才讲的，它会淬化我们氢气的气罐，这是氢气本身存在的一些挑战。
我们谈完它的挑战，或者是它的缺点，我们就要谈谈氢气的优势，有哪些优势呢？氢能首先是一种无污染的清洁能源，烧了以后，通过燃料电池烧，或者是直接烧了以后，它产生出来的就是水，一个氢分子加上一个氧分子变成水，它就是这个水，所以非常的清洁。
第二个，它的来源比较广泛。比如说电解水，它就是来源于水，或者是从我们的低碳化合物进行裂解，产生氢气，它的来源比较广阔。
第三个，它的燃烧值和能量密度是所有的燃料里边最高的，它是最高的。
第五个也是可以储存的，通过液态或者固态技术有机物的储存等等都可以储存。
相对来说它的安全性实际上在汽车里边应用的话，比汽油要安全，这是在国外已经被通过很多的事件证明的。这也是氢能源的一种优势，刚才我们讲氢气是能量密度最高的，我们比较一下，这里边有一个干柴火、镍氢电池、锂电池、标准煤、汽油、天然气、氢气，我们看看氢气的能量密度是最高的，它达到140.4兆焦耳每公斤，它比起我们的汽油大约是三四倍，能量密度是这么高。所以它是一个非常好的能源的携带者。
这样的高能量的密度的氢气是实现新能源技术产业化的技术。另外，氢能源确确实实是要颠覆我们传统能源长期建立起来的产业链，基础设施的必备条件。一个是清洁很多优势，相对燃料电池来说，相对于其他的电池技术，高能量密度的氢能燃料电池有望实现后来者居上，这样的一个状况。所以我们刚才说的氢能源的能量密度是汽油及天然气的三倍以上，具有快速发展的基础。所以说现在我们看到的市场上的锂电池汽车，为什么占比目前还不是这么多，发展也不是这么快，就是因为它的一个很大的问题，一个就是它的能量密度还不高，所以续航里程还是个问题，尤其是在我们重卡里边应用，它的续航里程更成问题了。所以燃料电池在这方面就很有优势。
我们看看氢能的主要领域在什么地方。我这里列了主要的三个应用领域，第一个就是化工原料，这个在座的各位同仁可能都比较清楚，目前氢气60%都用于合成氨，38%用于炼油或者煤碳深加工，大约是这样一个状态，可能这个数据也不一定全对，大体就是这样一个情况。第二个大的应用就是氢燃料电池汽车，这个预计到2030年全球燃料汽车将达到1000万至1500万辆，上千座的加氢站。主要是集中在美国、日本、德国、韩国以及中国，这是第二个大的应用，氢燃料电池。第三个就是小型的燃料电池分布式的发电系统，就是我们说的微电网系统，这个也是非常重要的一个发展方向在目前来说。就是说整个的一个小区里边，自己有自己的微电网，比较灵活的进行调节。
主要就是三个主要的应用领域，一个是化工原料，第二个是大规模的氢能燃料电池汽车，第三个是小型的分布式的发电系统。我们看怎么样把氢能转变成动能或者电能？第一个，我们可以把氢能转变成动能，就是氢能的内燃机，就是相当于我们汽车一样，可以烧汽油，可以烧天然气，当然也可以烧氢气。但是烧氢气的在国外的几个大的汽车公司也在做，直接烧氢气还是避免不了污染的问题，因为只要一烧，温度1000度以上的话，空气中的氮气就要变成氧化氮，一样排放，还不能达到零排放的问题。所以从效率方面，试了以后还是不行，还是要通过燃料电池。所以氢电机就是把氢能变成动能的一种方式。
第二个大的方式就是氢燃料电池产生电，这是一个主要是通过电化学反应来实现，这个燃料电池能量效率还高，直接燃烧的话，我们受到热力学第二定律限制卡诺循环的限制，也就是说只能达到百分之30几，但是在燃料电池里边，通过电化学的反应，可以达到60%-80%，并且整个的过程也是一个零污染、零排放的过程。所以氢能转变的两种方式，一个是我们可以直接燃烧，另外通过燃料电池产生电。
我们看看氢的制备，制备的话，主要是氢气或者是液氢，这个能源包括制氢、储运氢、用氢三个主要的环节。制氢的方面，在2017年全球的氢气产量超过大约是6000万吨，其中96%的来自于化石燃料，大部分采用天然气和煤油的制氢技术。电解水统计可能就占4%左右，当然这个数据不一样，变化很大，各个地方统计的数据也不一样，但是大约是占到4%左右，但是成本很高，是化石燃料的2倍多一些。
所以目前我们利用可持续的电解水能源制氢，比如说通过太阳能、风能、水利能等等，或者是气电来制氢的话，目前已经成为一个新的热点，尤其是在科学研究领域，或者是在我们前期的产棉化的阶段，我们用可持续能源的电解水制氢，也正在兴起，并且也是我们未来的必由之路。
我们看看有哪些，这个我列出来有大约8种，可以归结为8种制氢方法。第一个就是我们说的电化学的制氢的方法，就是电解水制氢。第二个就是煤气的转化法，也就是炼解法、蒸汽的转化法，焦炉煤气的冷冻制氢，出来的氢气到不了50%的氢气，怎么把它纯化呢？冷冻。把其他的都给它冻成液体，因为氢气在常温下，在任何的压力下都不能变成液态，通过这种方法。还有石油的裂解、合成气和天然气的制氢，含氢无机物质的分解制氢。最后一种高温水解制氢，这个方法现在也研究的比较热，这是一个什么方法？就是利用太阳能，有一个大的聚焦镜，聚焦镜的中间有一个热点，把太阳能一聚，聚集到中间的热点，中间的这个热点的温度可以达到2000度，在这个热点上面放上铁氧化物或者其他的化学东西，把水给上面一放，马上变成氢气和氧气分解，这就是充分的利用太阳能，这个方法叫做STCH，这是我们未来的一种很好的方法，但是目前它的投资力度还是比较大。
另外一种方法就是简单的把我们的水加入到2500度以上，水自动的分解，分解成氢气和氧气，这是一种高温水解法制氢。
总体有这么几种方法，但是我们看到，第一个方法和最后一种方法，那是我们可持续的发展，中间的方法都是靠我们目前的化石能源，我们知道化石能源是一种不可持续的能源。要想真正的发展，我们从人类的未来考虑，我们要采取第一种方法和最后一种方法来制氢。制氢总体可以归结为两个大的方法，第一个就是碳氢化合物经过高温裂解制氢。第二种就是电化学分解水。今天花一些时间给大家简单的讲讲关于电化学电解水制氢。
这个地方是美国DOE，就是美国能源部的一个发展战略，制氢的发展战略，我们在短期内，主要是靠天然气来制氢，有很少一部分是生物体气化，以及天然气电解，很少一部分，这是目前的状况。中期可能这里边太阳能就要加进去了，主要的可能就是煤碳的气化来制氢，当然电解水是一个长期发展的方向。长期的话，我们看到很多太阳能的标志，我们主要的发展还是靠太阳能以及我们的可持续能源的风能、地热能等等，这种能来发电，来制氢，这是短期、中期以及长期的制氢方法。我们讲电解水制氢，我们知道电解水制氢是电化学的电解水制氢，实际上包括五个大的方法。第一个就是碱性电解水制氢。第二个是酸性电解制氢。第三个氯碱电解制氢，我们在座的很多同仁可能也做过这个氯碱工业，氯碱工业里边有很大一部分出来的是氢气，并且这个氢气的纯度也是相当的高。另外就是高温电解制氢。光柱的电解制氢。五大类电解制氢的方法。
我们看看电解水制氢，它的电化学原理实际上在正极上的反应，就是水被氧化，生成氧气，加上质子，在我们氯碱里边它就是被氧化生成氯气，氯化钠被氧化生成氯气。在负极上反应就是水被还原生成氢气。总体的电池反应就是水的分解变成氧气或者氢气，在氯碱工业里可能还附加一个氯气加上氢气，加上氢氧化钠。又能产生氢气，又能产生氯气，又能产生氢氧化钠，这是一个比较好的过程，这个过程现在是非常成熟的一种，尤其是离子焦耳膜的隔膜的发展，使这个技术从各个方面都比较成熟。但是它需要的电压比较高，3.3伏以上的电压。
我们看酸性和碱性以及光柱电解水的槽电压，从理论上讲槽电压也是比较高的，以及它们的耗电情况，这是它的电化学原理。我们看看讲到这个地方，想给大家分享一下，关于我们评判一个电解水设备，怎么来评判它的效率？有三个效率，第一个就是法拉第效率，这个法拉第效率指的是什么？比如说我通过100个电子进入这个电解水系统，我产生出来的氢气或者氧气，比如说根据法拉第定理转变成90个电子了，这个效率就是90%，90除上100是90%，这是法拉第效率。
第二个是电压效率，电压效率的意思就是说，电解槽的电压，理论上的电压比如说是1.23，但是由于超电视，加上额外的电压才能使得这个水分解。就是说理论上的电压比上我加的这个电压，这个就是叫做电压效率。但是最重要的一个叫做能量效率，这个能量效率就是法拉第效率乘上电压效率，就是它的能量效率，这个能量效率才是真正的衡量一个电解水的效率，我们考虑的主要是能量。这三个效率。
我们看看根据五种电解水制氢的能量效率，我给它总结一下。这里包括电解池的槽压、操作温度以及能量效率，我们从这里边可以看到，离子焦耳膜酸性的电解水制氢，就是氢能燃料电池的逆过程，它的能量效率是最高的，可以达到80%-90%，但是我们目前最能够产业化的制氢就是碱性的电解水制氢，但是它的效率是30%-40%，当然还有其他的，也都差不多。比如说氯碱膜电解水制氢，这个效率也是相当高的。最后一个也是我们人类永远的追求，光柱的电解水制氢，太阳能来帮助电解水制氢，它的效率目前很低，就是电池本身可能达到10%-20%，但是总体的再加上其他的话，那就是可能百分之几，这样一个效率，很低，但是这是我们的发展方向。
我们刚才说最高的一个就是用燃料电池的逆过程来电解水，这样一个离子焦耳膜的燃料电池的制氢技术，这个技术有它的优势。第一个，它不需要腐蚀性的电解质，因为它是全固态，这是一个。另外一个，这个电堆既可以用于燃料电池的发电，也可以用于电解水产生氢气，这是第二个优势。第三个，电极之间，由于它是全固态，没有气泡的产生，那就是电压比较小，耗电就少，这就是它为什么能量效率高。所以，它产生的氢气非常的纯，可以达到6个9的纯度，但是它也存在着挑战，因为它这个操作过程是一个酸性的过程，所以器件的腐蚀也是一个问题。这个膜与电极之间的接珠也变得损害，因为它是个高电压的操作，所以这个膜与电极之间有损害。
目前来看，因为燃料电池成本也很高，拿到制氢的话可能更高了。所以，电解对燃料电池实际上是一个损害过程，因为它在正极上加了压，比还原的压力要高，所以产生了催化剂的氧化，以及这个里边碳气的氧化等等这些问题。所以这是燃料电池制氢的方法。
讲到这儿以后，想给大家分享一下关于电解水制氢的优势。第一个，首先我们说原料水及太阳能、风能是取之不竭、用之不尽的，这是原料上，取之不竭，用之不尽，第二个，目前我们可以利用低谷的剩余的余电或者是气电来制氢，达到了一个能源存储的效果。我刚才说产生的氢气效率很高，纯度很高，可以达到5个9，6个9。另外一个就是整体的反应的速度，可以通过我们调节它的槽电压来进行，想慢就慢，想快就快，这也是一个优势。讲完优势以后，我们看它存在的挑战，电解水所存在的挑战。
第一个，催化剂的活性和稳定性相对还是比较低。第二个，我们刚才看到大部分方法能量效率都在50%左右，能量效率还是低。产生的氢气的成本高。另外一个，由于电化学反应，对水的纯度要求也比较高，然后电能的消耗比较高，因为产生氢气的室温目前看来是一个大气压的，所以我们要是储存的话，必须把它压起来，压到高压的情况下，这个就要另外的能源的。但是在目前的技术的状况下，提高催化剂的活性和稳定性，降低槽电压，提高能量效率是我们目前重要的一个途径。
我们要发展新型的催化剂，我们看一看目前电解水用了哪些使用的催化剂。第一个就是金属镍及其合金，这样的一个催化剂。这个是传统的材料，就是在负极上出氢的材料，所以它的耐腐蚀性也是比较高的，这个是金属镍及其合金的催化剂。
第二种催化剂就是贵金属以及贵金属氧化物，比如说铂，以及镣、氧化镣、氧化铱等等这些贵金属的催化剂，也是目前可施用的催化剂。
第三种催化剂，我们说是钙钛矿型的氧化物，这种氧化物基本上只用在高温水电解上面，这是这方面。所以在高温的情况下，莱力氧（音）这样的催化剂可能目前是最好的，所以这是第三类催化剂。
第四类催化剂就是（00：30：53）实行的氧化物，这个是用在碱性电解质中是非常好的，当然了，高温下也非常稳定。
我们主要是在四个方面做了一些工作，比如说燃料电池的关键部件，从催化剂、膜，然后到整体的电池。然后是系统的集成，我们得到科技部重点项目的支持，在做这个燃料电池系统的优化。我们还发展了一个电解水制氢的催化剂以及设备。这个是我们膜电极各个方面所做的工作，就不仔细和大家说了，尤其是我们在做燃料电池方面，我们投入了百分之六七十的工作，精力都放在燃料电池上面，我本人一直是在燃料电池的，我是1998年就开始在巴拉德，中国实际上最有名的燃料电池公司工作，工作了6年之后，又到加拿大国家研究院的燃料电池中心工作，一直到2016年回国，我是做燃料电池的，所以我们对燃料电池发力还是比较大的。
这是我们在电解水方面做的一些工作，我们合成了一系列的催化剂，复合极的催化剂，这种催化剂比目前报道的催化剂性能都要高很多，这是我们做的一个电解水的设备，效率也比较高。这也是电解水的催化剂。当然我们也在产学方面发力，我们和很多公司合作，都跟他们在一块做燃料电池或者是氢能和燃料电池方面的工作，他们给我们支持也非常大。
首先要总结的给大家说，颠覆性的能源革命是在水的直接光分解产生氢气，这样一个简单的过程，就是在一个容器里边放上催化剂，光照上以后，直接分解水，产生氢气和氧气，也是目前我们人类面临的一个最大的在氢能方面应用的课题，现在这方面研究也比较多，所以这个地方也要有一个长期的发力。
我们看看氢能利用的挑战，最后我要讲讲这个挑战，我们要清醒的认识到，在氢能利用上，并不是我们想象的这么快，我们知道，氢生产的过程成本高、能量效率低，导致了氢的价格也很高。当然可能在我们铜陵有很多的炼焦厂，或者有很多的工业在制氢方面，可能价格相对来说低，但是当你把它经过高压，通过净化，通过运输，最后用到燃料电池方面，这个价格就提高很多，这是一个。
第二个，高压或者超低温的氢储存的过程都很复杂，能耗也比较高。
第三个挑战是氢气性质实际上还是限制了它的安全性，它毕竟是一个燃料，像汽油一样，它是燃料。所以它就加大了我们使用的复杂性以及范围。
第四个就是运输比较困难，我刚才讲了，它很难被变成液体在室温下，所以就很难普及的应用。所以，普及氢能应用还有一段路要走，这就靠我们在座的同仁发力，尽快的把氢能应用搞上去。
下面就总结一下我今天给大家分享的，首先我们是以化学燃料为能源的世界是不可持续的，这是大家的一个共识。所以，发展清洁可持续能源势在必行，这是第一点。以氢气或者液氢为主要能源载体的氢能经济也是可持续发展的一个必然。尽管刚才我们讲了氢能存在很多挑战，但是未来能源的必然趋势，我们要大力发展。目前氢能可以助推可再生资源的发展，解决氢能经济的制备、储存、大规模的运输，目前是一个关键的问题。我们讲到氢的安全问题，实际上这个不仅从技术上要得到保障，还要提高我们大众对氢气的认识。当然一听说氢气的话，我们大众很可能就是说觉得很危险，有的人会和氢弹联系起来，这个就是我们的认识问题。
我们利用太阳能和风能，以及水电能为原来电化学的制氢，分解水制氢是可行的，也就是我们未来制氢的一种主要的方法。在电解水制氢方面发展高效能的催化剂，高稳定性的催化剂，提高能量效率是我们研究的主要方向。氢能利用，我个人的观点，主要是靠燃料电池来推动，因为汽车工业、运载工业是一个大的工业，所以，我们的氢能利用可能主要是靠燃料电池来实现。我们说氢能是氢能的燃料电池，有版本认为是电动车的终极的主电源，我强调的终极主电源是因为可能在未来的汽车上，燃料电池占很大的一部分，80%，90%，10%，12%可能是电池，锂电池了，其他电池了，这样一个规模。所以，目前我们要降低燃料电池的成本，发展氢气加氢站，是我们主要的努力方向。
内容来源：加拿大皇家科学院院士，国家工程院院士，工程研究院院士，上海大学可持续能源研究院院长张久俊参加由中国化工信息中心，铜陵市人民政府共同主办的2019全国氢能产业与技术发展大会主旨报告
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