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导读

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。

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？

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。

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。

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原文始发于微信公众号（金属加工）：使用氢能到底有哪些技术瓶颈？