复旦大学青年研究员龚鸣：氢能是能源循环重回平衡的一个前言

12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技首脑峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖仪式在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式公布。会上，2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”获得者复旦大学青年研究员龚鸣就可连续氢能揭晓了他的看法。

图 | 复旦大学青年研究员龚鸣能源可连续是 21 世纪面临最大的挑战之一，现在大部门能源的主要泉源于化石能源，资源很是有限。二氧化碳排放量连续上升，已经打破了近百万年的平衡，并带来了温室效应以及气候变化问题，所以人类不得不重新建设能源平衡。为何会打破能源平衡？又如何回归平衡？自然界的能源循环通过光互助用，在能源前言介导下，牢固二氧化碳并形成葡萄糖这种可提供能源分子，这些分子又能够在呼吸作用下，重新获取能量，闭环这一能源循环，又存有一定余量。

亿万年的积累铸造了当今可供开采的化石能源体系，然而高速的工业化和现代化打破了化石能源在生成和使用上的原有平衡，时间和空间尺度上的严重不匹配造成了整个失衡。面临这个失衡，当今科学家可以通过化学合成的方法牢固二氧化碳快速合成燃料，但这个历程既耗氢又耗能。

现在能量和氢的主要泉源是化石燃料，违背了我们淘汰碳排放的初衷，倒霉于碳中和的目的。所以想要弥补能源上的缺口建设能源平衡，能量必须来自可再生能源，这也是大自然给予我们最大的启示。图 | 可再生能源的生长及其局限性（泉源：龚鸣）氢能应运而生21 世纪以来，可再生能源飞速生长，尤其是光伏风电行业，可是相较于 20 世纪初的电力工业，少了一百年的积累，可再生能源的基础设施建设仍然单薄，同时可再生能源有一个时空不均一的局限性。

好比说太阳能，白昼有而晚上没有；风能，则是中国北方多、南方少。这就需要一个能源前言让我们在可再生能源富足的时候将其储存起来，在可再生能源贫瘠的时候，重新释放出来以获取能源。基于此，氢能应运而生。

水中含有富厚的氢，氢和水之间的相互转化可实现一个能源循环的闭环。除此之外，氢能有许多优势：一是质量能量密度很是大，是锂离子电池的几百倍，一吨锂离子电池的汽车可以跑几百公里，但同等能量密度下几公斤氢气就足够了。

二是氢的产物只有水，没有二氧化碳，所以是一个零排放的能源前言。氢另有着泉源广泛、与可再生能源高度匹配、可以合成燃料去消纳过剩的二氧化碳等优势。虽然氢能有许多优势，可是氢能可能存在一些潜在问题。

只有更好地认识氢能的问题，才气更好驾驭和使用氢能。首先，鉴于历史上有许多氢气爆炸事故的发生，宁静地使用和储存氢气很是重要。可是，其实在宁静性方面，氢气有一些可能是优势的特征，好比，氢气扩散性很是强，能以最快的速度泄露出去，从而淘汰连续燃烧的危险；再好比，氢气的爆炸能量相对来说比力小，所以有研究讲明，氢燃料电池的车的爆炸危害可能比汽油车会小许多。

这也带来了另一点值得我们深入思考和探究的问题，那就是在更辽阔的情况意义上，氢能是可连续的吗？从氢气的性质来说，氢气是密度极低的还原性物质。密度极低就代表会连续往上升，并会最终逃逸出地球。其还原性性质导致会和大气中许多的化学物质举行反映。

十几年前的研究讲明，过量的氢排放会造成臭氧层空洞恶化。这是因为氢会和大气中的氧物种举行反映，形成大量的水分，这些水分会平流层的底部举行累积，使局部的温度降低，倒霉于臭氧的形成，导致臭氧层空洞修复的整个历程变得异常缓慢。这些研究并不是在阻碍氢能的生长，而是为氢能可连续生长更好地未雨绸缪。

好比这个臭氧层空洞的分析取决于大气中氢的含量，氢的含量不仅仅取决于使用量，而是取决于制氢、储氢的泄露率，在提高使用量的前提下淘汰泄露率就可以提高氢能可连续性。“建设更为完善宁静的供应体系，是我们人类在无数次的危机中学到的基本技术。

”龚鸣强调。图 | 制氢路径（泉源：龚鸣）许多国家从 2010 年以来，就提出了种种氢能战略。

中国也在努力地探讨关于氢能的能源战略。美国国家能源局在 2016 年提出了规模化氢能经济战略（H2@Scale），在电能的基础上生长氢能网络，以期电能和氢能深度融合相互支撑，提高可再生能源的使用率以及电力在整个能源系统中的比重，这样可以淘汰我们对化石能源的依赖以及实现碳中和的目的。

在整个氢能链条内里，主要分为四个环节：制氢、储氢、运氢、用氢，每个环节的能量效率以及是否形成闭环，是决议氢能经济以及氢能效率的关键要素。关于电解水制氢技术现在为止，全世界只有 4% 的氢来自于电解水制氢，更多的是来自于化石能源制氢。

“这是由价钱和资源决议的，好比我国就是一个富煤少气的国家，所以大家更愿意用煤制氢。而日本是资源相对匮乏一点的国家，更倾向用电解水制氢，所以各个国家会选取各个国家适合自己的制氢路径。”龚鸣表现。

图 | 电解水制氢技术（泉源：龚鸣）关于电解水制氢，就是阴极产氢和阳极产氧，两个电极把水破裂成氢气和氧气的历程。电解水的理论电压是 1.23 伏，电耗是 2.943 度电/立方氢。

龚鸣先容，电解水制氢最大的优势在于，如果电来自于可再生能源，电解水制氢就是一个零排放技术。另外，电解水制氢的纯度很是高，高纯氢的应用领域很是重要，可是现在电解水制氢主要的一个制约因素是高电耗带来的高成本。图 | 高效碱槽电解水制氢（泉源：龚鸣）电解水制氢主要可以分为四大类技术：碱槽电解、质子交流膜（PEM）电解、阴离子交流膜（AEM）电解以及高温固体氧化物电解，其中前三类主要针对可再生能源。碱槽电解技术相对比力成熟，适合大规模制氢，但产速较低、电耗较大。

针对这两个劣势，质子交流膜技术可以替换碱性电解质实现纯水的电解，产速较高、电耗较低，但对应的成本会急剧上升。阴离子交流膜技术可以潜在联合两者的优势，但仍局限于阴离子膜的开发。而高温氧化物电解技术可以针对核能废热废电实现高产速的氢气制备，可是同样部门技术仍在开发当中。

一直以来，龚鸣从事碱性电解水的研究，主要目的是通过高品貌、低成本的催化剂，以降低整个电解水制氢的电耗。他表现：“通过精准的质料设计，可以比现在工业上用的催化剂降低或许 20% 的能耗。

由于现在电解水的主要成原来自于电耗，所以 20% 的能耗下降就意味着可以大大降低制氢的成本。”随着制氢电耗逐步下降，催化剂的研发也逐渐靠近一个瓶颈期。

如何突破现有能耗形成下一代电解水技术，龚鸣又提出了他的一些思考。他指出在可连续性方面，电解水制氢可能存在一些潜在问题，那就是关于电解水中的水。由于对电解水来说水的价钱远小于电的价钱，所以大家关注地比力少，但实际上现在的技术对水质有着很是高的要求，而我们的淡水资源很是有限，且可再生能源和水资源在地域尺度上严重不匹配。另外，富产的氧气其实应用也很是有限，造成一定水平上资源的浪费。

因而，面向制氢可连续性问题，需要在思量氢经济的时候，更需要思量一下氧治理。好比，是否能有一种天然的资源可以捕捉氧，形成高附加值的产物？这样就可以在产氢的同时将水中的氧转移到更有价值的地方去，从而进一步降低制氢的成本。

龚鸣称，这些天然资源其实并不难找，好比说天然生物质、尿液中的尿素、工业废水中的有机质，这样可以解决资源不匹配地域尺度的问题，以实现“有什么电什么”的下一代耦合电解水产氢技术。固然这个技术另有很长的路要走，但无疑是下一个提高制氢可连续性的潜在方案。如何储氢？储氢是保证氢能宁静以及可连续性的重要环节，主要分为物理储氢和化学储氢。

物理储氢是通过物理隔离的方式将氢气储存的一种方式，效率比力高，可是实现长时间储存碰面临一定的泄露风险，无法完成可连续性的目的。化学储氢，则通过化学反映将氢转化成含氢的物质举行储存，宁静性比力高，但对应整个能源循环的效率就有所下降，因为整个历程需要分外的能量。图 | 储氢与运氢（泉源：龚鸣）图 | 化学储氢的现状与未来（泉源：龚鸣）物理储氢是现在主流的技术，但未来大家可能更多地结构化学储氢。

各个国家对此提出了差别的战略，美国能源局已提出目的，去寻找一些兼顾高储氢密度和储氢能效的质料，尤其是固态储氢。但现在储氢密度比力高的质料储氢能效比力低，储氢能效比力高的质料储氢密度比力低，这个两难的逆境需要连续的研发。日本则提出液态有机物的储氢技术，可通过液态甲苯和液态甲基环己烷之间的相互转化，实现氢气的宁静存储以及运输，但同样受限于其循环能效龚鸣表现，提高储氢可连续性的一种方式是不局限于储氢质料的寻找，而更多地提高历程效率。好比，传统方式是通过先制氢再储氢的方式，整个历程步骤较多，导致历程效率叠加时的总效能下降。

把制氢和储氢联合起来，不直接发生氢气，而是直接发生含氢的物质，将这些物质举行储存，需要的时候再通过化学反映把氢气释放出来，这样可以大大淘汰整个历程所需要的步骤，提高整个储氢用氢历程的效率。这是龚鸣一直在思考和研究的偏向。龚鸣最后强调，氢能是淘汰碳排放，实现碳中和，能源循环重回平衡的一个能源前言。

在整个氢能链条下，只有保证整个氢平衡、氢循环以及高效的氢能存储与转换，才气真正实现可连续氢。而在思量氢经济的前提下思量一下氧治理和碳中和是一条潜在可行的路径。他也最终表现了他对可连续氢能未来蓬勃生长的期待和展望。

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