CBIS2025直擊 | 廈門大學(xué)孫世剛教授：氫燃料電池飛行器在低空經(jīng)濟(jì)中的優(yōu)勢(shì)凸顯
【電池中國(guó)網(wǎng)11月16日 上海訊】11月16日，在第十屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2025)開幕式上，廈門大學(xué)孫世剛教授作題為“氫能與燃料電池的挑戰(zhàn)與研究”的主旨發(fā)言。
以下為現(xiàn)場(chǎng)速記：
氫能跟動(dòng)力電池關(guān)系緊密，是交通領(lǐng)域重要的動(dòng)力解決方案之一，很多電池公司已經(jīng)布局氫能領(lǐng)域。我從下面幾個(gè)方面來給大家介紹：
首先，氫能首先是碳中和的重要途徑和新質(zhì)生產(chǎn)力。這是世界各個(gè)國(guó)家碳中和的時(shí)間表，我國(guó)的任務(wù)很重，因?yàn)槲覀冞_(dá)到碳達(dá)峰是2030年，碳中和是2060年，只有30年的時(shí)間，而且接下來只有5年多的時(shí)間，就需要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，所以這個(gè)任務(wù)非常重。
其實(shí)氫能源是碳達(dá)峰、碳中和的重要途徑，用氫能對(duì)二氧化碳減排，通過可再生能源發(fā)電，到電解水制綠氫。煉鋼行業(yè)大量消耗氫，過去燒炭排放二氧化碳，而用氫則排水。同時(shí)，傳統(tǒng)合成氨，也排放二氧化碳，而用綠氫沒有二氧化碳產(chǎn)生。
我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)一直在布局和推動(dòng)，比如從2016年的政府工作報(bào)告提出推動(dòng)加氫的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，到今年氫能納入《中華人民共和國(guó)能源法》，在剛結(jié)束的二十大四中全會(huì)上新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在布局。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括：制氫、高密度儲(chǔ)運(yùn)氫、用氫，用氫包括工業(yè)原料、動(dòng)力燃料。氫能電化學(xué)技術(shù)，在每個(gè)環(huán)節(jié)都必不可少。
1.電解水制綠氫
氫氣產(chǎn)生有各種途徑，目前大部分還是化石能源制氫、工業(yè)復(fù)產(chǎn)氫、電解水制氫、生物制氫。氫有一個(gè)特點(diǎn)，根據(jù)氫能源的雜質(zhì)含量不同，分為綠氫、灰氫、藍(lán)氫、黑氫/棕氫。
還有天然氫。整個(gè)宇宙75%都是氫氣，但是在地球上找不到純的氫氣，而在地底下。它通過氧化鐵跟水的反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，這叫白氫。全球都在找天然氫，但是我國(guó)目前還不是太多。
另外還有一種是橙氫。它需要人工處理。
這個(gè)圖給出各種氫氣產(chǎn)生的過程。目前，電解制氫的成本比較高，來源于電價(jià)。無論對(duì)于酸性還是堿性，電成本均是主要持續(xù)成本，且堿性下電成本占比更高!因此，需要降低槽壓，催化劑去貴金屬化。
怎么來做這件事情?第一，要有高效的催化劑，各種方式制出，讓極化過程漸顯小，就會(huì)降低槽壓，從而降低成本，少消化電，制成更多的氫氣。
第二個(gè)是小分子電氧化偶聯(lián)制氫，這個(gè)過程也會(huì)降低槽壓，降低成本。
第三個(gè)是電化學(xué)制氫新機(jī)制，金屬可以自發(fā)的產(chǎn)氫氣，也就是把鐵或者鋅，放到酸里產(chǎn)氫氣。把這種過程跟電解制氫耦合的話，可以大幅度降低槽壓，而且只產(chǎn)氫氣。這時(shí)，有0.6伏的槽壓就會(huì)到350毫安每平方厘米的電壓電流。而且這種情況下不會(huì)產(chǎn)生負(fù)產(chǎn)物，正極負(fù)極都產(chǎn)生氫氣，這是一個(gè)很高效的過程，又節(jié)省能源。
三種比較，犧牲陽(yáng)極偶聯(lián)電解制氫優(yōu)勢(shì): 降低“電換氫”槽壓，提升制氫效率和安全性。正負(fù)極同時(shí)產(chǎn)氫，不需要隔膜和氫氧分離裝置，簡(jiǎn)化電解器結(jié)構(gòu)。
2.電化學(xué)儲(chǔ)氫：長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)氫，其實(shí)它的本質(zhì)是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。不同方式儲(chǔ)能的儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)度不同，氫儲(chǔ)能時(shí)間最長(zhǎng)。
氫儲(chǔ)能有兩個(gè)概念，一個(gè)是狹義的氫儲(chǔ)能，通過可再生能源發(fā)電，電制氫以后，這個(gè)氫就地收氫或者儲(chǔ)氫，在電網(wǎng)需要時(shí)，通過燃料電池發(fā)電調(diào)峰。
氫儲(chǔ)能(廣義)強(qiáng)調(diào)“電氫”單向轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等形式存儲(chǔ)氫氣(Power-to-Gas，P2G)，或者轉(zhuǎn)化為甲醇和氨氣等化學(xué)衍生物(Power-to-X，P2X)進(jìn)行更安全地儲(chǔ)存。
這里講一下電化學(xué)固態(tài)鎂儲(chǔ)氫，其在固態(tài)儲(chǔ)氫的能源密度是最高的。電化學(xué)固態(tài)鎂儲(chǔ)氫，是基于一種氫負(fù)離子導(dǎo)體來儲(chǔ)氫。這種方式只需要一個(gè)大氣壓，不需要幾百個(gè)大氣壓。所以固態(tài)儲(chǔ)氫是非常有前景的方式。
液態(tài)儲(chǔ)氫，把可再生能源發(fā)電，通過電催化加氫還原，或者通過氮加上氫變成氨，都可以。
3.氫電轉(zhuǎn)換：燃料電池
氫能是能源終極解決方案，通過可再生能源發(fā)電，電解水制氫，氫氣存儲(chǔ)后，可以做燃料，這個(gè)燃料可以提供到給氫燃料電池，或者是氫發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以用到大型重卡或者氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等場(chǎng)景，用途非常廣。
談到制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫都面臨需要解決的問題。發(fā)展新能源汽車，旨在減少對(duì)石油的依賴。通過可再生發(fā)電后，一條路線是燃料電池，目前主要應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)車輛(公交、重卡);另外一條路線是動(dòng)力鋰電池，主要驅(qū)動(dòng)新能源汽車。
鋰電池領(lǐng)域，這些年除了在汽車方面，其實(shí)在飛機(jī)、船舶方面也有很大的發(fā)展。燃料電池領(lǐng)域，2025年1月9日下午，中國(guó)首型1噸級(jí)別混動(dòng)傾轉(zhuǎn)翼eVTOL(電動(dòng)垂直起降無人機(jī))搭載液態(tài)氫能燃料電池的飛行驗(yàn)證順利完成。一系列示范，說明氫燃料電池有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
值得注意的是，氫燃料電池飛行器(eVols)在低空域經(jīng)濟(jì)中的優(yōu)勢(shì)凸顯。我國(guó)目前發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)，氫能無人機(jī)憑借續(xù)航長(zhǎng)、壽命長(zhǎng)、補(bǔ)能快等優(yōu)勢(shì)，正綻放無限潛力。
以我國(guó)新能源汽車發(fā)展為例來看，截至去年年底保有量3140萬，今年還會(huì)更快發(fā)展。這個(gè)量是全世界最大數(shù)量，但是只占我國(guó)3.5億輛機(jī)動(dòng)車的8.9%。未來發(fā)展還有很大空間。
燃料電池目前雖然相對(duì)應(yīng)用比較少，2024年突破25840輛，但是行業(yè)規(guī)劃到2025年將達(dá)10萬輛，今年可能還達(dá)不到，而且到2035年要達(dá)100萬輛，目前增長(zhǎng)還是慢。
為什么電動(dòng)車發(fā)展這么快，燃料電池這么慢?這有它固有的瓶頸，還有技術(shù)問題。最大的問題是催化劑和質(zhì)子交換膜。目前用于催化劑主要是鉑基金屬，鉑基金屬資源少，分布很不均勻，90%在南非，我國(guó)占量很少，這是一個(gè)限制。
還有價(jià)格問題，燃料電池催化劑還被少數(shù)幾家國(guó)際公司所壟斷，我國(guó)燃料電池工藝發(fā)展，要研發(fā)新一代催化劑。
跟大家介紹下燃料電池催化劑前沿進(jìn)展：
一是提高鉑基催化劑的性能和利用率。這方面主要通過調(diào)控鉑基催化劑的表面結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)，以及強(qiáng)化燃料電池傳輸過程等方法。
二是探索和開發(fā)非貴金屬催化劑。包括非貴金屬催化劑(鐵、鈷、鎳、等)，以及非金屬催化劑(碳、氮、磷、等)。
總結(jié)：氫能源是碳達(dá)峰、碳中和的重要途徑，是亟需發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力，更是人類社會(huì)的終極能源解決方案。在氫能源的制、儲(chǔ)、用各環(huán)節(jié)，電化學(xué)技術(shù)都發(fā)揮著不可替代的作用，但也面臨著一系列新挑戰(zhàn)。當(dāng)前，亟需針對(duì)電化學(xué)關(guān)鍵技術(shù)的核心科學(xué)問題，如電催化劑、反應(yīng)原理等，開展原創(chuàng)性基礎(chǔ)科學(xué)研究，并在電解水制綠氫電解槽、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，CO？和N？還原電解器等工程技術(shù)方面，超越傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合基礎(chǔ)理論研究的突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
最后，非常感謝我們團(tuán)隊(duì)從事這方面的研究，還有國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
非常感謝大家，謝謝!
(以上為演講速記，未經(jīng)演講者審閱。)
相關(guān)閱讀：
驗(yàn)證碼：
