张清杰院士：《氢能及氨氢融合关键材料技术要创新、突破》
作者：张清杰（中国科学院院士，教授，武汉理工大学原校长）
当前氢能发展仍面临氢气成本高昂的问题，特别是绿氢的成本。关于氢能燃料电池，虽然过去三年成本已下降80%，但目前每千瓦的成本仍在2000-3000元，与锂电池相比，任然是三倍关系，这严重制约了我们氢能产业的发展，而材料问题在其中起了很大的制约作用。然而，十年间，锂电池的四种关键材料——正极、负极、隔膜、电解液取得了飞速发展。那么氢的材料料是否有可能在未来的三年、五年内取得突破性进展，从而缓解氢能产业面临的最大瓶颈问题。
首先，关于关键材料技术到底有哪些支撑作用？为何氢能如此重要？我要讲的是氨氢融合新能源。那么，什么是氨氢融合新能源呢？这一点非常重要。因为氨和氢，实际上都是一种零碳清洁燃料，它们都可以通过可再生能源来大规模制造。另外，它们可以相互转换，如果做得好，转换的成本会非常低，我可以稍后再详述其裂解成本。第三，它们可以连通增效，互为补充。此外，氨已经使用了100多年，其化学化工技术非常成熟。但作为能源，大家所了解的，包括谢在库院士和从事能源研究的院士们，对氨作为能源的了解都很少。实际上，氨是一个高效的储运介质，100公斤液氨就含有17公斤多的氢气。二是它是零碳燃料，可以用于大规模的工业燃烧。刚才蒙娜丽莎已经提到，一条150万平方米的产线可以直接使用全氨燃烧来生产经济或高端的陶瓷。
为什么要进行氨氢融合呢？首先是因为氢目前的储运困难极大。刚才中石化的喻总提到，茂名生产的氢才20元/公斤，但运到佛山就涨到了45元/公斤，失去了经济效益。30元是一个经济成本线，为什么？因为1公斤氢气运输100公里的成本就要10元，全世界都未能打破这个瓶颈。但如果使用液氨，1000公里运输1公斤的成本只需0.8元，而它里面含有17公斤的氢气，所以运输成本极低。如果采用氨氢融合的方法，就可以解决长距离、大规模输送氢气的问题。
我们会提到，根据氢的经济运输半径，目前就是200公里，超过200公里就无法就地取氢，这在实际产业发展中是非常困难的。20元钱，运200公里就变成40元，所以我们需要把氢气的经济运输半径从200公里增加到4000、5000公里，这是非常重要的原因。
第二个原因，氨氢融合可以大规模扩展氢的应用场景。一是三大工业领域，我们可以直接用氢和氨进行燃烧。广东省做了一个规划，到2030年要实现20万吨氢气的产量，供100万辆汽车使用，这就是20万吨氢气的规模。而如果广东省佛山市的工业窑炉、金属两个工业领域加起来使用氢气燃烧，将需要1000万吨氢气，这就是3000亿能源的产业规模。如果改用氨气燃烧，则需要4000万吨氨气，大概对应1200亿的产业规模。这两项加起来就是5000亿产值，所以可以极大地拓展氢能的应用场景。
另外一方面，氨氢融合还可以在商业运输、交通装备、航空发动机、大型工业船舶等领域得到广泛应用。佛山市给予了极大的支持，建立了仙湖实验室。仙湖实验室与南京大学合作，聚焦做两件事情。一件事情是研究氢能和下一代燃料电池。我们的燃料电池成本如果不能降低到每千瓦500元、800元，就无法与锂电池竞争。那么有没有可能做到呢？完全可以做到800、500元每千瓦。所以我们聚焦这条主线。第二个就是解决大规模储运问题，我们用氨做燃烧，用氨做储运。国家能源局非常重视这个事情，在整个粤港澳大湾区唯一部署了一个关于氢能和氨氢融合的能源重点实验室，这是非常不容易的。
绿氢绿氨涉及三个关键环节，一个是制备，一个是储运，一个是应用。这个应用就包括氨燃料电池、氢燃料电池、氨氢内燃机。刚才印彪院士讲到，日本已经做出了大规模的燃气轮机纯氨燃烧的示范。因为它不能再建核电站，所以包括高温工业燃烧、氨氢的燃气轮机等方面的应用，今后的场景会非常广泛。
这三个关键环节一共涉及到三大类，17种关键材料，细节就不多说了。今年我们向国家提出了一个很重要的建议。锂电池之所以在十年间从每千瓦5000-8000元降低到500-800元，材料的进步起到了决定性的作用。就是因为在全中国建立了20多个关于锂电池四大材料的实验室，中央企业、中央高校、中央研究所、宁德时代都建立了这样的实验室。但非常遗憾的是，整个氢能领域都还没有任何一个关于材料的实验室。今年我们专门向科技部、中央政府建议，应该设立这样一个氨氢融合关键材料的全国重点实验室。国家很重视，已经拿出了指南，但现在还在审批程序中，希望能够成功。
作者介绍：
张清杰：中国科学院院士，武汉理工大学原校长，教授，博士生导师，材料复合新技术国家重点实验室主任。1982年毕业于洛阳工学院拖拉机设计与制造专业；1990年获华中科技大学博士学位；1997年11月任武汉工业大学副校长；2000年5月任武汉理工大学副校长；2010年任武汉理工大学校长。张清杰院士长期从事新能源材料与器件、先进复合材料与结构、材料微纳计算与新材料设计等领域的研究开发和应用研究工作。先后担任国家973计划项目《高效热电材料与器件》首席科学家、材料复合新技术国家重点实验室主任、科技部《第一届国家基础研究战略咨询委员会委员》、科技部《面向2035年国家重点实验室战略规划研究》材料领域专家组组长、科技部《面向2035年交叉前沿与颠覆性创新战略规划研究》材料领域专家组组长、国家重点研发计划《变革性技术关键科学问题》重点专项指南编制专家组成员、国家自然科学基金委员会重大研究计划《功能基元序构的高性能材料》专家组组长；获授权发明专利30项，在《Nature》《Nature Nanotechnology》《Nature Communication》等国际权威学术期刊发表论文260余篇；在高等教育出版社、光明日报、中国教育报等出版和发表了系列高等教育管理的论著等。获国家发明二等奖和自然科学二等奖3项，其中作为第一完成人获国家发明二等奖1项；获美国陶瓷协会“科学技术前沿奖”。
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