CBIS2025直擊 | 廈門大學孫世剛教授：氫燃料電池飛行器在低空經濟中的優勢凸顯
【電池中國網11月16日 上海訊】11月16日，在第十屆動力電池應用國際峰會(CBIS2025)開幕式上，廈門大學孫世剛教授作題為“氫能與燃料電池的挑戰與研究”的主旨發言。
以下為現場速記：
氫能跟動力電池關系緊密，是交通領域重要的動力解決方案之一，很多電池公司已經布局氫能領域。我從下面幾個方面來給大家介紹：
首先，氫能首先是碳中和的重要途徑和新質生產力。這是世界各個國家碳中和的時間表，我國的任務很重，因為我們達到碳達峰是2030年，碳中和是2060年，只有30年的時間，而且接下來只有5年多的時間，就需要實現碳達峰，所以這個任務非常重。
其實氫能源是碳達峰、碳中和的重要途徑，用氫能對二氧化碳減排，通過可再生能源發電，到電解水制綠氫。煉鋼行業大量消耗氫，過去燒炭排放二氧化碳，而用氫則排水。同時，傳統合成氨，也排放二氧化碳，而用綠氫沒有二氧化碳產生。
我國氫能產業一直在布局和推動，比如從2016年的政府工作報告提出推動加氫的基礎設施建設，到今年氫能納入《中華人民共和國能源法》，在剛結束的二十大四中全會上新興產業的發展在布局。
氫能產業鏈包括：制氫、高密度儲運氫、用氫，用氫包括工業原料、動力燃料。氫能電化學技術，在每個環節都必不可少。
1.電解水制綠氫
氫氣產生有各種途徑，目前大部分還是化石能源制氫、工業復產氫、電解水制氫、生物制氫。氫有一個特點，根據氫能源的雜質含量不同，分為綠氫、灰氫、藍氫、黑氫/棕氫。
還有天然氫。整個宇宙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產生氫氣，這叫白氫。全球都在找天然氫，但是我國目前還不是太多。
另外還有一種是橙氫。它需要人工處理。
這個圖給出各種氫氣產生的過程。目前，電解制氫的成本比較高，來源于電價。無論對于酸性還是堿性，電成本均是主要持續成本，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，就會降低槽壓，從而降低成本，少消化電，制成更多的氫氣。
第二個是小分子電氧化偶聯制氫，這個過程也會降低槽壓，降低成本。
第三個是電化學制氫新機制，金屬可以自發的產氫氣，也就是把鐵或者鋅，放到酸里產氫氣。把這種過程跟電解制氫耦合的話，可以大幅度降低槽壓，而且只產氫氣。這時，有0.6伏的槽壓就會到350毫安每平方厘米的電壓電流。而且這種情況下不會產生負產物，正極負極都產生氫氣，這是一個很高效的過程，又節省能源。
三種比較，犧牲陽極偶聯電解制氫優勢: 降低“電換氫”槽壓，提升制氫效率和安全性。正負極同時產氫，不需要隔膜和氫氧分離裝置，簡化電解器結構。
2.電化學儲氫：長時儲能
電化學儲氫，其實它的本質是長時儲能。不同方式儲能的儲能時間長度不同，氫儲能時間最長。
氫儲能有兩個概念，一個是狹義的氫儲能，通過可再生能源發電，電制氫以后，這個氫就地收氫或者儲氫，在電網需要時，通過燃料電池發電調峰。
氫儲能(廣義)強調“電氫”單向轉換，以氣態、液態或固態等形式存儲氫氣(Power-to-Gas，P2G)，或者轉化為甲醇和氨氣等化學衍生物(Power-to-X，P2X)進行更安全地儲存。
這里講一下電化學固態鎂儲氫，其在固態儲氫的能源密度是最高的。電化學固態鎂儲氫，是基于一種氫負離子導體來儲氫。這種方式只需要一個大氣壓，不需要幾百個大氣壓。所以固態儲氫是非常有前景的方式。
液態儲氫，把可再生能源發電，通過電催化加氫還原，或者通過氮加上氫變成氨，都可以。
3.氫電轉換：燃料電池
氫能是能源終極解決方案，通過可再生能源發電，電解水制氫，氫氣存儲后，可以做燃料，這個燃料可以提供到給氫燃料電池，或者是氫發動機，也可以用到大型重卡或者氫燃料航空發動機、火箭等場景，用途非常廣。
談到制氫、儲氫、運氫都面臨需要解決的問題。發展新能源汽車，旨在減少對石油的依賴。通過可再生發電后，一條路線是燃料電池，目前主要應用于運營車輛(公交、重卡);另外一條路線是動力鋰電池，主要驅動新能源汽車。
鋰電池領域，這些年除了在汽車方面，其實在飛機、船舶方面也有很大的發展。燃料電池領域，2025年1月9日下午，中國首型1噸級別混動傾轉翼eVTOL(電動垂直起降無人機)搭載液態氫能燃料電池的飛行驗證順利完成。一系列示范，說明氫燃料電池有很大的發展潛力。
值得注意的是，氫燃料電池飛行器(eVols)在低空域經濟中的優勢凸顯。我國目前發展低空經濟，氫能無人機憑借續航長、壽命長、補能快等優勢，正綻放無限潛力。
以我國新能源汽車發展為例來看，截至去年年底保有量3140萬，今年還會更快發展。這個量是全世界最大數量，但是只占我國3.5億輛機動車的8.9%。未來發展還有很大空間。
燃料電池目前雖然相對應用比較少，2024年突破25840輛，但是行業規劃到2025年將達10萬輛，今年可能還達不到，而且到2035年要達100萬輛，目前增長還是慢。
為什么電動車發展這么快，燃料電池這么慢?這有它固有的瓶頸，還有技術問題。最大的問題是催化劑和質子交換膜。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，我國占量很少，這是一個限制。
還有價格問題，燃料電池催化劑還被少數幾家國際公司所壟斷，我國燃料電池工藝發展，要研發新一代催化劑。
跟大家介紹下燃料電池催化劑前沿進展：
一是提高鉑基催化劑的性能和利用率。這方面主要通過調控鉑基催化劑的表面結構、電子結構，以及強化燃料電池傳輸過程等方法。
二是探索和開發非貴金屬催化劑。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：氫能源是碳達峰、碳中和的重要途徑，是亟需發展的新質生產力，更是人類社會的終極能源解決方案。在氫能源的制、儲、用各環節，電化學技術都發揮著不可替代的作用，但也面臨著一系列新挑戰。當前，亟需針對電化學關鍵技術的核心科學問題，如電催化劑、反應原理等，開展原創性基礎科學研究，并在電解水制綠氫電解槽、燃料電池發動機，CO？和N？還原電解器等工程技術方面，超越傳統的設計理念，結合基礎理論研究的突破，實現跨越式發展。
最后，非常感謝我們團隊從事這方面的研究，還有國家自然科學基金的支持。
非常感謝大家，謝謝!
(以上為演講速記，未經演講者審閱。)
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