程振彪

1967年畢業(yè)于中山大學(xué)，研究員級高級工程師，享受國務(wù)院特殊津貼專家（終身），武漢市汽車行業(yè)協(xié)會顧問，中國汽車工業(yè)協(xié)會專家委員會委員，江漢大學(xué)特聘客座研究員，歷任東風(fēng)汽車公司科技情報(bào)研究所總工程師、東風(fēng)汽車公司副總工程師。

長期以來，程振彪一直致力于國內(nèi)外汽車技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展跟蹤研究，成果甚豐，已出版專著、譯著數(shù)十部，共計(jì)1000余萬字，先后獲國家、部（?。┘壍雀黝惇勴?xiàng)及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎36項(xiàng)，為東風(fēng)汽車公司及中國汽車工業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，在全國汽車行業(yè)乃至機(jī)械行業(yè)都產(chǎn)生了廣泛影響。

程振彪曾先后被評為十堰市勞模、東風(fēng)汽車公司勞模，全國科技情報(bào)先進(jìn)工作者，東風(fēng)汽車公司首批杰出人才，中國汽車工業(yè)杰出人物，東風(fēng)汽車公司建設(shè)功勛等。

四、燃料電池汽車近期技術(shù)與成本獲重大突破

（一）總體進(jìn)步超出預(yù)期

最近幾年，尤其是自全球爆發(fā)金融危機(jī)和世界汽車產(chǎn)業(yè)受到較大沖擊的時期以來，當(dāng)我國采取各種措施旨在刺激傳統(tǒng)（汽柴油）汽車恢復(fù)高增長態(tài)勢之際，國際上有不少國家和跨國汽車公司，卻埋頭對氫燃料電池汽車核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，盡最大努力以創(chuàng)新而驅(qū)動汽車產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展，從根本上化解前進(jìn)道路上遭遇的困難與障礙。進(jìn)步呈突飛猛進(jìn)之勢，其成果無論從質(zhì)還是量上來看，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前十年的?？偫▉砜?，可以肯定地說，現(xiàn)今，氫燃料電池汽車壽命已遠(yuǎn)超商業(yè)化預(yù)期，主要指標(biāo)與傳統(tǒng)汽車相接近，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純電動汽車，整車成本成倍下降，售價已至市場所能接受的程度（考慮到政策優(yōu)惠因素）。中國工程院院士衣寶廉認(rèn)為，從世界范圍看，現(xiàn)在燃料電池汽車存在的主要（技術(shù)）問題已基本解決。

決定氫燃料電池汽車“前途和命運(yùn)”的關(guān)鍵所在，即核心部件燃料電池堆及燃料電池發(fā)動機(jī)，其技術(shù)近年取得革命性重大突破：電堆功率密度大幅提升，據(jù)有關(guān)資料稱，現(xiàn)今國際先進(jìn)水平已經(jīng)達(dá)到3kW/L（豐田新上市的燃料電池汽車的該指標(biāo)甚至比此還要高），超過美國能源部曾經(jīng)制定的、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的2020年規(guī)劃指標(biāo)要求；燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)性能（包括可靠性和穩(wěn)定性等）得到全面改善和提高，系統(tǒng)使用壽命普遍達(dá)到5000小時免維護(hù)運(yùn)行（個別企業(yè)甚至達(dá)到8000小時和更多，美國聯(lián)合技術(shù)公司氫燃料電池大客車的使用壽命為1.2萬小時），這也是美國能源部至2020年要達(dá)到的規(guī)劃指標(biāo)；燃料電池發(fā)動機(jī)的冷起動溫度已經(jīng)達(dá)到-30℃，一些企業(yè)的車型在極其寒冷的北極進(jìn)行實(shí)地測試也沒有出現(xiàn)什么問題，完全滿足美國能源部2020年規(guī)劃中的相關(guān)指標(biāo)要求。這意味著，氫燃料電池汽車的特殊難題——冷起動技術(shù)瓶頸已經(jīng)破除?，F(xiàn)今，國際上燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)性能和質(zhì)量都已達(dá)到實(shí)用化、商業(yè)化要求。同樣，一直困擾氫燃料電池汽車發(fā)展的成本高昂問題也獲得根本性解決。美國能源部的有關(guān)報(bào)告顯示，國際上從事燃料電池汽車研發(fā)的主流企業(yè)，其燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的成本，現(xiàn)今與21世紀(jì)初相比下降80%～95%，比價格大致為49美元/kW（按年產(chǎn)50萬臺計(jì)算），這已非常接近內(nèi)燃機(jī)的30美元/kW。車載儲氫技術(shù)也獲得重大突破，氫儲罐壓力由上一代車型的35Mpa升級到70Mpa，由此大大提高了汽車的續(xù)駛里程。而氫的獲取對燃料電池汽車來說，也并不是什么難事，已有多種成熟技術(shù)可供選擇。

由于成本大幅度下降，國際主流企業(yè)即將推出最新一代的氫燃料電池汽車預(yù)定售價，已與同類型混合動力汽車的相近或相當(dāng)，算是很有競爭力了。

（二）整車技術(shù)性能接近傳統(tǒng)汽車

由于電池堆功率密度的顯著提高，使得大功率燃料電池發(fā)動機(jī)的體積大大縮小，從而可將之集成到現(xiàn)有轎車車型上，不會妨礙整車布局和相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。日、韓等國有關(guān)企業(yè)的新一代氫燃料電池汽車，其最大輸出功率均已至100kW（約合136馬力），這與傳統(tǒng)汽柴油中級轎車的功率大體相當(dāng)；最高車速160～170公里/小時，一次加注氫氣只需3～4分鐘，可連續(xù)行駛500公里乃至更遠(yuǎn)，此與傳統(tǒng)汽車也沒有多大差別，而能耗只相當(dāng)于每百公里3.3L汽油，排放為零。豐田于2015年量產(chǎn)的一種氫燃料電池汽車，從零加速至60公里/小時，所需時間約為10秒，與傳統(tǒng)汽車的加速性能相接近。

采用混合動力技術(shù)，明顯改善和提高了氫燃料電池汽車性能。多年前，本研究者曾對混合動力作了一個“是動力學(xué)中通用技術(shù)”的定義，現(xiàn)今已被學(xué)界和業(yè)界廣泛認(rèn)可。包括汽車在內(nèi)的工業(yè)界，越來越多的應(yīng)用實(shí)例表明，在某些情況下，采用混合動力的驅(qū)動方式，是一個比較合理而有效的選擇。盡管其有結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜的一面，但更有可發(fā)揮兩種不同動力系統(tǒng)優(yōu)勢和彌補(bǔ)各自不足的另一面。正是基于混合動力的這一基本特性，豐田才以一貫之地堅(jiān)持自己獨(dú)特的新能源汽車發(fā)展技術(shù)路線——從混合動力汽車到氫燃料電池汽車。迄今為止，在世界新能源汽車領(lǐng)域，只有該公司的混合動力汽車實(shí)現(xiàn)了真正意義上的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。豐田的這一成功經(jīng)驗(yàn)，也啟發(fā)了人們在氫燃料電池汽車研發(fā)上采取新的技術(shù)方案。在早期階段，氫燃料電池汽車一般只搭載燃料電池發(fā)動機(jī)。而如今，國際主流企業(yè)皆采用電/電混合動力模式，即主動力為燃料電池堆，同時配備傳統(tǒng)蓄電池（例如鋰離子電池等）作為輔助動力。由此，不僅有利于燃料電池堆實(shí)現(xiàn)小型化，而且也增強(qiáng)了汽車的動力性能，避免或消除了如前所述的汽車加速困難等缺陷，并且還能回收制動能，提高了整車性能，擴(kuò)大了氫燃料電池汽車的優(yōu)越性。從這個意義上講，現(xiàn)今時代的氫燃料電池汽車，也是混合動力汽車之一種，而且是更高級別的零排放（純電）混合動力汽車。

（三）燃料電池材料技術(shù)創(chuàng)新成果多多

質(zhì)子膜是燃料電池的核心部件，其性能的優(yōu)劣決定燃料電池的“發(fā)電”效率。傳統(tǒng)的質(zhì)子膜一直以來存在的一個技術(shù)難題，就是燃料容易滲透，如此，就導(dǎo)致燃料電池“發(fā)電”效率降低和損害其使用壽命。最近，中國學(xué)者與英國科學(xué)家合作研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能夠隔絕所有氣體和液體，而對質(zhì)子卻能“網(wǎng)開一面”，令其暢通無阻。這一重大發(fā)現(xiàn)有可能給燃料電池技術(shù)帶來革命性變化。通過使用石墨烯材料或單層氮化硼不僅可讓現(xiàn)有的質(zhì)子膜更薄、更輕和更高效工作，而且燃料滲透極少，毒性也低——這將大大提高燃料電池的技術(shù)性能與可靠性。

通過改進(jìn)膜電極的處理工藝和優(yōu)化其介孔結(jié)構(gòu)，使鉑基催化劑的效能提高了8倍，由此，也就大大減少了鉑金屬的使用量，而用量減少，對降低燃料電池發(fā)動機(jī)的成本至關(guān)重要。通過改善和提高催化劑的耐久性和使用壽命，也使得鉑總用量大幅減少。毫無疑問，未來在燃料電池堆材料領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步還會加快，鉑用量減少的潛力仍然巨大。據(jù)稱，豐田正在研發(fā)一種基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的所謂“核殼催化劑”技術(shù)，可明顯減少鉑使用量。該新型催化劑的表面由鉑微粒構(gòu)成，承擔(dān)催化作用，而只承擔(dān)鉑負(fù)載作用的內(nèi)核部分，則由更廉價的其它材料微粒構(gòu)成，由此大大減少了鉑用量。該公司宣稱，過去國際鉑用量的先進(jìn)水平是每千瓦1克，現(xiàn)在其推出的燃料電池轎車已降至0.3克以下，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已到0.1克?；诩{米技術(shù)及其它先進(jìn)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用，據(jù)稱，豐田未來的氫燃料電池SUV車型，每輛份的鉑用量與現(xiàn)今的車型相比，還可再減少約三分之一，接近于現(xiàn)今的燃油汽車尾氣凈化器所用催化劑的鉑載量。據(jù)有關(guān)科技文獻(xiàn)報(bào)道，美國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出具有創(chuàng)新性的三維“納米框架”催化劑，其在催化陽極氧化反應(yīng)方面的性能，超過了常規(guī)的鉑——碳微粒催化劑，甚至大大超過了美國能源部對該技術(shù)預(yù)計(jì)的在2017年可能達(dá)到的技術(shù)水平。最近幾年，世界上關(guān)于燃料電池催化劑的研究很重要的一個方面，是通過合金將鉑同其它比較廉價的金屬而結(jié)合，形成相應(yīng)的合金，在降低催化劑價格的前提下，保證其性能不會受到損害。如德國的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)，就開發(fā)出一種鉑鎳納米粒子（呈正八面體形狀）用作催化劑，可使燃料電池中鉑用量減少90% 。另外一種改進(jìn)方法，是開發(fā)中空、籠形、多孔材料，以便在其中加入更少量的貴金屬催化劑。當(dāng)然，為氫燃料電池汽車更長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展計(jì)，業(yè)界也正在研究開發(fā)非鉑催化劑之類的替代品技術(shù)，例如所謂的堿性膜燃料電池就不使用鉑催化劑，但效果頗顯遜色，還需進(jìn)一步改善和提高其性能，才可望滿足實(shí)用化要求。

近期，美國萊斯大學(xué)Tour實(shí)驗(yàn)室的研究人員，成功開發(fā)出一種成本很低的燃料電池催化劑解決方案。該種催化劑利用激光使得石墨烯與各類金屬納米顆粒相結(jié)合，將結(jié)合后得到的金屬激光氧化物嵌入石墨烯本體內(nèi)。此催化劑可在電化學(xué)氧化還原反應(yīng)中保持很高的活性，可催化氧還原反應(yīng)，提高制氫效率。由此可替代昂貴的鉑而用作燃料電池催化劑。

燃料電池極板已從第一代碳板發(fā)展到第二代超薄超輕的不銹鋼板，以此構(gòu)建的電池堆體積小而輕，不僅有利于整車自重的減輕，而且也為氫燃料電池轎車的整車合理布局提供了“位置、空間”上的便利條件。

（四）車載儲氫技術(shù)已經(jīng)成熟

安全、可靠、實(shí)用的車載儲氫技術(shù)，對氫燃料電池汽車走向市場也很重要。多年來，各有關(guān)汽車企業(yè)及專業(yè)科研機(jī)構(gòu)，對此項(xiàng)技術(shù)不斷地進(jìn)行深入、系統(tǒng)研究，并取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展與突破。從理論上講，在汽車上，以高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機(jī)液態(tài)儲氫、固體（固態(tài)）金屬氫化物儲氫、納米碳管儲氫等等方式，都可以向燃料電池源源不斷地提供氫而使之“發(fā)電”，用以驅(qū)動汽車行駛。不過，迄今為止，應(yīng)用得最普遍的，或者說比較成熟而經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案，是以一定壓力將氫氣壓縮、密封在耐壓的儲罐（或容器）而放置于車內(nèi)。其他技術(shù)方案，人們還在進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。其中的任何一種，如果在技術(shù)和制造成本上取得重要突破，則有望取代高壓氣態(tài)儲氫。

目前，國際上研發(fā)氫燃料電池汽車的主流企業(yè)，多采用高壓氣態(tài)車載儲氫方式，儲氫罐內(nèi)膽使用鋁合金材料制造，用增強(qiáng)碳纖維纏繞而構(gòu)成外殼。儲氫罐的壓力從早期的35Mpa提高到現(xiàn)階段的70Mpa，儲氫量較之前增加30%以上。這樣，汽車上安裝一個儲氫罐在減少車輛自重的情況下，也能保證所需要的續(xù)駛里程。據(jù)稱，此種新型結(jié)構(gòu)的儲氫罐甚為安全可靠，使用壽命可達(dá)15年，超過了汽車通常的使用年限。據(jù)有關(guān)資料介紹，豐田現(xiàn)今擁有35Mpa和70Mpa兩種氫燃料電池汽車用高壓儲氫罐技術(shù)，其特點(diǎn)是，為防止氫泄漏，在內(nèi)膽的襯套上覆蓋一層具有高強(qiáng)度防滲漏功能的尼龍樹脂，并使用碳纖維（這種材料由日本東麗公司制造，在相同體積下，此材料的重量僅為鐵的四分之一，而強(qiáng)度則是鐵的10倍。除用于儲罐外，還用于車身制造等）纏繞外側(cè)，從而 構(gòu)成雙重結(jié)構(gòu)，既輕強(qiáng)度又高。為進(jìn)一步降低整車自重，使儲氫罐存儲更多的氫燃料，國際上當(dāng)前還研究用性能優(yōu)越的工程塑料制造儲氫罐的內(nèi)膽，其外用增強(qiáng)碳纖維纏繞，但此種儲罐目前還未廣泛實(shí)際應(yīng)用，仍處于不斷完善之中。

據(jù)報(bào)道，為推動清潔的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也在深入研究各種各樣的儲氫技術(shù)與方法，而燃料電池汽車正是這類技術(shù)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，中科院大連化物所的有關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，正在對固體儲氫材料進(jìn)行研究，并創(chuàng)造性地將氮元素引入儲氫材料中，開創(chuàng)和建立起金屬氮基儲氫材料體系，可在溫和（即非極端）條件下高效儲氫，并在需要的時候順利釋放。該項(xiàng)技術(shù)在成熟后如能達(dá)到實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化，則可望應(yīng)用于氫燃料電池汽車。再如，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）可持續(xù)能源實(shí)驗(yàn)室，已成功開發(fā)出一種有機(jī)液態(tài)儲氫技術(shù)，并以此（技術(shù)）作價入股的方式，與江蘇省上市公司——富瑞特裝合作，赴張家巷市進(jìn)行轉(zhuǎn)化。據(jù)稱，該項(xiàng)技術(shù)可將氫氣在常溫常壓下，溶解在一種特殊液體中，用類似于普通礦泉水瓶的容器也能裝載運(yùn)輸，使用時，再促使氫氣釋放出來。據(jù)該實(shí)驗(yàn)室主任、美籍華人科學(xué)家程寒松介紹，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)很成熟，符合量產(chǎn)條件。未來，人們到加氫站為氫燃料電池汽車的相關(guān)容器注入液態(tài)氫化合物，通過車上的一個反應(yīng)器將氫釋放出來，提供給燃料電池“發(fā)電”而驅(qū)動汽車行駛。一罐（或容器）80L的氫化合物，可供汽車連續(xù)行駛500多公里。除此之外，近期，中科院大連化物所的有關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)鋰的亞氫基化合物與氮化鐵復(fù)合后，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化氨分解制氫活性。這為車載安全儲氫制氫提供了一種新思路。氨具有較高的含氫量（約18%）。較高的能量密度（4kWh/kg）和易于儲存的特性，若作為燃料電池汽車的儲氫介質(zhì)存放于氨罐（容器）內(nèi)，則相當(dāng)安全可靠。通過相關(guān)的技術(shù)途徑，采用氨分解催化劑制氫而再供應(yīng)給燃料電池“發(fā)電”。接下來，化物所的有關(guān)科研人員將對相關(guān)材料的制備和催化劑進(jìn)行優(yōu)化，不久即可裝車進(jìn)行試驗(yàn)、測試。

在燃料電池汽車發(fā)展的早期，諸如通用、奔馳等公司都曾推出過甲醇燃料電池汽車。就是把甲醇作為氫的存儲介質(zhì)，車上燃料存儲器內(nèi)盛的是甲醇，汽車工作運(yùn)行時，通過一套改質(zhì)（重整）器把氫再從甲醇里提取出來而供給燃料電池。當(dāng)然，如果甲醇是由化石能源而制取，則此種技術(shù)方案是不可取的，因?yàn)榕c發(fā)展燃料電池汽車的初衷不相符。但若是遵循“化害為利、廢物利用”原則而獲得氫，則就應(yīng)該大力提倡。據(jù)有關(guān)媒體報(bào)道，最近國際、國內(nèi)都已研發(fā)出一種技術(shù)，用氫處理從空氣中捕獲的二氧化碳而制取甲醇，以此作為向燃料電池供氫的介質(zhì)。

（五）多種制氫技術(shù)可供選擇

盡管如前所述，氫能資源豐富，氫元素?zé)o處不在，但要將之從各種氫化物中提取或分離出來并非易事。因此，欲大力發(fā)展氫燃料電池汽車，開發(fā)和掌握先進(jìn)適用的制氫技術(shù)也應(yīng)隨之跟進(jìn)。既然氫燃料電池汽車是滿足可持續(xù)發(fā)展要求最環(huán)保的汽車產(chǎn)品，那么其使用的燃料之制取也應(yīng)符合節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的原則。這與純電動汽車只有使用清潔可再生能源之電力才算真正環(huán)保節(jié)能是同樣的道理?；诖苏J(rèn)識，時至今日，日本、歐洲諸國等，對作為清潔能源的氫已不再（或基本上不）使用化石能源（如天然氣等）傳統(tǒng)方法來制取，而是采用基于清潔可再生能源電解水制氫、（陽）光（直接）解水制氫、生物質(zhì)制氫和遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)及“廢物利用、化害為利”原則的制氫技術(shù)。以下對此略加介紹。

1、電解水制氫

迄今，工業(yè)電解水制氫技術(shù)已很成熟，只不過需要耗費(fèi)電能和為加快反應(yīng)，提高制氫效率而使用貴重金屬作為催化劑。采用來源于清潔可再生的風(fēng)能、太陽能等等之電力而電解水和應(yīng)用資源更豐富、成本更低的催化劑，是當(dāng)前國際上電解水制氫技術(shù)的明顯發(fā)展趨勢。據(jù)有關(guān)資料介紹，為迎接氫燃料電池汽車較廣泛應(yīng)用熱潮的到來，日本正在興建的加氫站，如果氫是產(chǎn)自國內(nèi)，則政府原則上要求是經(jīng)清潔的、可持續(xù)的途徑而獲??；西歐各主要國家的情況亦大致如此。

在研究開發(fā)高效廉價電解水催化技術(shù)方面，加拿大、美國等已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展成果。據(jù)稱，加拿大卡爾加里大學(xué)研發(fā)了一種類似于鐵銹的普通金屬（化合物）作為電解水的催化劑，其成本比傳統(tǒng)的貴重金屬催化劑降低約千倍，而電解水制氫效率則高達(dá)70%～90%。為轉(zhuǎn)化該項(xiàng)研究成果，相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)還專門成立了所謂的“水火燃料公司”。由美國國家科學(xué)基金會和美國能源部資助的賓夕法尼亞大學(xué)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)，最近研制成功一種由礦藏儲量豐富且廉價的磷和鎳構(gòu)成的磷化鎳納米粒子，作為電解水制氫的催化劑，可使制氫反應(yīng)加快，效率提高，讓更經(jīng)濟(jì)地獲取清潔的氫能成為可能。與此相類似的，是美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)出一種新的納米片狀結(jié)構(gòu)鎳鉬氮化物催化劑，性能優(yōu)異，價格又低廉，可替代鉑金屬催化劑而用于電解水制氫。此外，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，近期也開發(fā)出一種所謂“一舉三得”的電解海水新技術(shù)，既能吸收大氣中的二氧化碳，又能制取氫燃料，同時，化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的堿性物質(zhì)，還能抵消海洋酸化。

據(jù)稱，澳大利亞有關(guān)科學(xué)家近期也發(fā)明了一種新型電極，可低成本、高效電解水，有望用于大規(guī)模制氫，以獲取清潔燃料。該技術(shù)采用了一種價格低廉、有特殊涂層的泡沫狀多孔材料，能使電解水產(chǎn)生的氧氣快速逸散，從而可更有效的制取和收集氫氣。在這項(xiàng)研究中，有關(guān)的科學(xué)家采用市場上常見的泡沫鎳，以一種活性很高的鎳鐵催化劑對其進(jìn)行電鍍，制成電極。泡沫鎳材料內(nèi)部充滿了微孔，超薄的鎳鐵復(fù)合物鍍層里也有很多微孔，使得電極的表面積很大，有利于電解過程中生成的氧氣釋放和逸散，從而可提高制氫效率。前不久，德國柏林赫爾姆茨太陽能燃料研究所應(yīng)用特殊納米材料，可使太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率達(dá)到80%。通常，太陽能的能源轉(zhuǎn)換效率較低，難以滿足電解水的需要。而該所為此開發(fā)出一種納米電極，大大提高了太陽能轉(zhuǎn)換成電能的效率，從而提高了電解水的制氫能力。該所表示，在進(jìn)一步完善優(yōu)化此項(xiàng)新技術(shù)后，將與一家企業(yè)合作，進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。

2、光解水制氫

前面介紹的電解水制氫技術(shù)，其所用電力（為二次能源）盡管來自清潔的可再生能源，諸如風(fēng)能、太陽能等等，但畢竟不是用一次能源直接來制取，其中間環(huán)節(jié)必然會產(chǎn)生一些負(fù)面結(jié)果（或影響）。20世紀(jì)70年代，日本科學(xué)家通過光照射（半導(dǎo)體）二氧化鈦電極，導(dǎo)致水分解而產(chǎn)生氫，開創(chuàng)了光分解水制氫技術(shù)研究之先河。隨著由電極電解水演變?yōu)槎嘞啻呋纸馑?，以及許多新型光催化劑的相繼研制開發(fā)成功，近年來，日、歐、美等興起了以光催化方法分解水制氫技術(shù)的開發(fā)研究熱潮，并取得令人矚目的進(jìn)展。其一旦取得重大突破并付諸工業(yè)化應(yīng)用，將極大推動“氫能經(jīng)濟(jì)”和氫燃料電池汽車的快速發(fā)展。世界著名的創(chuàng)新者和最成功的企業(yè)家之一的比爾蓋茨，從微軟卸任后，于2009年成立了諾德——科斯拉基金會，專門從事清潔可再生能源慈善事業(yè)。據(jù)稱，蓋茨除了看好其他多種清潔可再生能源外，還看好光化學(xué)儲能技術(shù)。他所稱的光化學(xué)技術(shù)，主要指基于樹葉化學(xué)反應(yīng)的人工光合（作用）技術(shù)，以此利用太陽能解水制氫?，F(xiàn)今階段，國內(nèi)外對光解水制氫技術(shù)的研究開發(fā)，多集中于新型高效低成本催化劑和構(gòu)建人工光合以及集成自然與人工光合（作用）為一體的制氫工程體系方面。以下對此略加介紹。

美國加州理工學(xué)院約根森實(shí)驗(yàn)室，是美國能源部投資1.16億美元、擁有190余名研究人員的“人工光合作用聯(lián)合研究中心（JCAP）”的總部，其研究的主要目標(biāo)，不僅要建立一個通過太陽能直接制取氫的“人造樹葉”系統(tǒng)，并使之制氫效率超過真正的樹葉，而且還要促使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程化和實(shí)用化。據(jù)稱，該實(shí)驗(yàn)室的這種“人造樹葉”第一代原型機(jī)于2014年底投入試運(yùn)轉(zhuǎn)。近期，以色列理工學(xué)院太陽能燃料集優(yōu)研究中心研發(fā)出一種新的光解水制氫方法，此基于納米材料技術(shù)的發(fā)明，使低成本光解水制氫成為可能；如果嫁接光伏電池技術(shù)，則可能催生制氫光伏產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和光解水制氫兩個綠色能源生產(chǎn)方式的結(jié)合。用集成串聯(lián)光伏電池實(shí)現(xiàn)光解水制氫是一種技術(shù)創(chuàng)新，在光伏發(fā)電的同時制氫、儲氫?；诩{米技術(shù)的超薄鐵氧化物膜可用于采光和存儲光，具有高效人工光合作用，其制氫能力是自然光合作用的10倍。

我國有關(guān)科研機(jī)構(gòu)也在對光解水制氫的基礎(chǔ)理論和技術(shù)進(jìn)行深入研究，并取得喜人成果。中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，近期提出了一種新的光解水催化機(jī)制，使得利用紅外光進(jìn)行光解水制氫成為可能。眾所周知，光解水制氫，可為人類源源不斷地提供清潔能源，一直被稱為化學(xué)的“圣杯”。水分解是吸熱反應(yīng)，傳統(tǒng)上的理論，要求光催化劑吸收的單個光子能量至少要大于反應(yīng)吸熱，因而，占太陽光能量近一半的紅外光緣于單個光子能量太低無法被吸收分解水制氫。該實(shí)驗(yàn)室提出本身具有電偶極矩的二維納米催化劑，可突破傳統(tǒng)理論對催化劑吸收單個光子能量的限制，用紅外光也能分解水制氫（見2014年1月13日《科技日報(bào)》）。中科大這個實(shí)驗(yàn)室取得的另外一個重要研究成果，是揭示了作為光解水制氫重要材料——二氧化鈦表面光催化反應(yīng)的微觀機(jī)制，從而向人們展現(xiàn)了光解水制氫技術(shù)發(fā)展的光明前景。最近，中科院大連化物所的有關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，在人工光合作用研究項(xiàng)目上也取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了利用太陽光分解水制氫和氧的反應(yīng)。該研究團(tuán)隊(duì)提出了復(fù)合人工光合體系的創(chuàng)新性理念，嘗試雜化集成自然和人工光合體系的優(yōu)勢，建立自然光合和人工光合的復(fù)合雜化體系，以實(shí)現(xiàn)從太陽能到化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)化。研究人員利用光合酶PS11和人工催化劑的優(yōu)勢，構(gòu)建了植物PS11和半導(dǎo)體光催化劑的自組裝成雜化光合體系，在可見光照射下，實(shí)現(xiàn)了分解水生產(chǎn)氫和氧氣。此項(xiàng)研究為進(jìn)一步發(fā)展和完善自然——人工雜化的太陽能光合體系而生產(chǎn)清潔能源提供了新思路。

除以上基礎(chǔ)性研究成果外，我國還有多家研究機(jī)構(gòu)（或團(tuán)隊(duì)）目前也在從事光催化技術(shù)研究，并取得長足進(jìn)展。中國科技大學(xué)的一個研究團(tuán)隊(duì)近期首次揭示了硅納米線表面“光解水制氫”機(jī)制，為其制氫性能的提高找到新的途徑。在充分了解此種光解水制氫機(jī)制之后，相關(guān)人員開發(fā)出了一類基于常規(guī)半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的表面化學(xué)處理方法，提出了新的表面處理工藝思路，為開發(fā)高效、自然界豐富的光催化劑的合理設(shè)計(jì)也具有重要作用。南京大學(xué)鄒志剛教授的團(tuán)隊(duì)也開展了國家937項(xiàng)目框架下的可見光響應(yīng)光催化材料及在能源與環(huán)境中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，其技術(shù)成果是利用太陽可見光將水分解成氫和氧，轉(zhuǎn)化效率達(dá)6%，為國際先進(jìn)水平。據(jù)預(yù)計(jì)，到第二期937項(xiàng)目結(jié)題時，我國的光催化解水制氫轉(zhuǎn)化率可達(dá)8%，接近美國能源部制定的10%商業(yè)化利用目標(biāo)。這也為燃料電池汽車的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，創(chuàng)造了條件，開辟了光明前景。

3、基于“循環(huán)經(jīng)濟(jì)和廢物利用、化害為利”原則的制氫方式

大力推廣利用工業(yè)副產(chǎn)品制氫，可使我國更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更節(jié)約地獲取大量氫能。過去，許多焦炭及鋼鐵企業(yè)皆將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t氣白白燒掉，不僅浪費(fèi)了寶貴的資源，而且也污染了環(huán)境。而今，諸如武鋼、寶鋼、本鋼、鞍鋼等，均已制造出多套焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫裝置，每年可生產(chǎn)大量氫氣。另外，我國是世界第一產(chǎn)煤大國，瓦斯突發(fā)事故時有發(fā)生，危害甚重。為減少和避免這一類事故和災(zāi)難的發(fā)生，許多煤礦都已采用先抽出瓦斯再采煤的作業(yè)方式。抽出的瓦斯主要成份是甲烷，其含氫量高達(dá)75%左右，經(jīng)過進(jìn)一步加工處理，可以成為寶貴的氫能。現(xiàn)今，我國在甲烷高效轉(zhuǎn)化研究中已獲重大突破，創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了甲烷在無氧條件下選擇活化，一步高效生產(chǎn)乙烯、芳烴和氫氣等高值化學(xué)品，并且相對傳統(tǒng)方式大大縮短了工藝路線，反應(yīng)過程本身二氧化碳零排放，碳原子利用效率達(dá)到100%。為大規(guī)模利用和深加工焦?fàn)t氣，我國已在江西建成大型焦?fàn)t氣制液化天然氣裝置，年處理焦?fàn)t氣8億立方米。該項(xiàng)目的創(chuàng)新性技術(shù)優(yōu)勢在于：催化劑同時具備完成甲烷化、脫氧和多碳烴轉(zhuǎn)化三個功能，在制取液化天然氣的同時，還可獲得99.99%的純氫。

近期，中國和澳大利亞科學(xué)家在光電催化——化學(xué)耦合分解硫化氫研究中取得重要進(jìn)展，將工業(yè)污染物硫化氫分解成為重要的化學(xué)品單質(zhì)硫和能源分子氫，可謂變廢為寶，“化腐朽為神奇”。眾所周知，硫化氫是一種有毒的化學(xué)品，廣泛存在于自然界，尤其大量副產(chǎn)于石油加氫精制過程中，傳統(tǒng)的克勞斯處理方法，雖然可將硫化氫進(jìn)行部分氧化得到硫和水，但卻損失了寶貴的氫，不能充分利用硫化氫資源。而新的方法，在可見光下，以硫化氫作為原料，可以高效制氫，量子效率高達(dá)93%。韓國是世界積極推進(jìn)氫燃料電池汽車發(fā)展的國家之一。2011年6月，世界首座利用垃圾填埋氣（LFG）制取氫氣并為燃料電池汽車提供燃料的加氫站，在首爾市世界杯公園落成。這里原是蘭芝島垃圾填埋場，所堆垃圾曾一度達(dá)到9200萬噸，形成了兩座高達(dá)90多米、面積50多萬平方米的“垃圾山”。被填埋的巨量垃圾在降解過程中會產(chǎn)生甲烷、硫化氫、氯乙烯等有毒或易燃易爆的LFG，處理不當(dāng)，會存在極高的風(fēng)險，而若善加利用，則可成為寶貴的能源。據(jù)稱，該市在處理“垃圾山”時，共建造了106處垃圾填埋氣捕捉管道，這些氣體經(jīng)由發(fā)熱設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，為世界杯體育場及周邊樓房供暖。利用垃圾填埋氣制氫，則是從2009年開始的。目前，有6根管道被專用于這個加氫站，利用甲烷通過相應(yīng)反應(yīng)提取氫氣，經(jīng)進(jìn)一步提純后，再提供給氫燃料電池汽車。此站點(diǎn)日均制氫720立方米，可加注充滿20至24輛小轎車或5輛大巴車的儲氫罐。而720立方米氫氣，理論上講，可供一輛氫燃料電池汽車行駛7000公里。

與韓國相比，當(dāng)下日本在遵循“循環(huán)經(jīng)濟(jì)，廢物利用”原則的道路上，步子邁得更快、更大，普及程度更高。例如，日本正在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，開發(fā)利用下水道的污泥污水制氫，變廢為寶。由此而獲得的氫，或提供給燃料電池汽車作為動力燃料，或者輸送至分布式燃料電池“發(fā)電站”（或稱供電站）作為“發(fā)電”的燃料使用。據(jù)介紹，三菱化工機(jī)公司2015年3月，在福岡市建立了日本首個以淤泥為主要原料制氫的工廠。在這里，通過淤（污）泥發(fā)酵產(chǎn)生生物氣體而制取氫，每天能生產(chǎn)可供60輛燃料電池汽車使用的氫。以此法制取的氫，每立方米成本約折合0.67美元，這樣，燃料電池汽車的燃料費(fèi)用就與混合動力汽車的大致相當(dāng)?；谠搩?yōu)勢，這家公司生產(chǎn)的小型制氫設(shè)備在日本市場上很走俏。經(jīng)營水處理業(yè)務(wù)的美德華公司，則決定大力發(fā)展分布式燃料電池供電系統(tǒng)（設(shè)備），通過污（淤）泥為原料制氫進(jìn)而把燃料電池“發(fā)電”能力提高80%。為方便利用污（淤）泥為原料而制取的氫，該公司就把分布式燃料電池供電站與下水道污（淤）泥、污水處理站建在一處。目前，該公司已在五處污（淤）泥、污水處理站建設(shè)了燃料電池發(fā)（供）電站，利用發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣體而提取獲得的氫供給燃料電池“發(fā)電”，可獲得1500千瓦的電能。據(jù)稱，至2015年財(cái)年底，該公司這樣的發(fā)電站將增至8個，發(fā)電功率提高到2700千瓦。東京瓦斯公司已與橫濱市聯(lián)手，著手研究以廢物產(chǎn)生的生物氣體而制氫，計(jì)劃在2020年之前，在該市建立起以氫為能源的供電供能體制。迄今為止，橫濱市每年由處理城市各種垃圾和廢物而產(chǎn)生的生物氣體，都只作為焚燒爐的輔助燃料。據(jù)日本國土交通省提供的數(shù)據(jù)，該國共約有300個使用污（淤）泥發(fā)酵產(chǎn)生生物氣體的下水道污物處理設(shè)施，過去每年產(chǎn)生的30%的生物氣體（約為500萬立方米）未經(jīng)利用而直接排入空中，嚴(yán)重污染環(huán)境，使溫室氣體增多。若將這些未被利用的氣體轉(zhuǎn)化為氫，則可供約260萬輛燃料電池汽車使用。

由殼牌石油公司資助的一個美國研究項(xiàng)目表明，可把資源豐富的、過去一直被丟棄的玉米廢料——苞葉和秸桿，通過相應(yīng)的技術(shù)，使之所含的糖分全部轉(zhuǎn)化為氫。承擔(dān)該項(xiàng)研究的弗吉尼亞理工學(xué)院的有關(guān)科研人員稱，他們把這些農(nóng)業(yè)廢料與一種含有10種酶的水性溶液相混合，使制取工藝達(dá)到最優(yōu)化，可把此類植物所含的木糖與葡萄糖轉(zhuǎn)化為氫，整個工藝過程碳值是恒定的，反應(yīng)速率比傳統(tǒng)工藝提高16倍。這樣，該工藝技術(shù)就具備了經(jīng)濟(jì)可行性。據(jù)稱，這一技術(shù)突破給燃料電池汽車展現(xiàn)了光明的發(fā)展前景 。

（六）大智慧謀略致成本和售價更低

國際上從事氫燃料電池汽車研發(fā)的主流企業(yè)皆知，要使自己的產(chǎn)品走向市場，為消費(fèi)者所接受，僅僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破是不夠的，尚需破除成本高、售價昂貴的障礙。研究表明，這些公司除了采取上述的諸如改進(jìn)設(shè)計(jì)、應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)等等之類的技術(shù)降成本措施外，還在管理和戰(zhàn)略謀劃上動腦筋，下功夫。歸納起來，此方面的措施主要有兩種：一是聯(lián)合研發(fā)，資源共享，成果共享，風(fēng)險共擔(dān)；二是盡量選用已經(jīng)量產(chǎn)的通用部件，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

為降低研發(fā)費(fèi)用，當(dāng)前，國際汽車工業(yè)界為推動氫燃料電池汽車發(fā)展，已大致形成三大戰(zhàn)略合作聯(lián)盟，即：豐田——寶馬聯(lián)盟；通用——本田聯(lián)盟；戴姆勒——福特——日產(chǎn)/雷諾聯(lián)盟等。

當(dāng)下，各主流企業(yè)為探索氫燃料電池汽車的市場道路，積累經(jīng)驗(yàn)，完善和提高產(chǎn)品，只能以很小的數(shù)量進(jìn)行生產(chǎn)，如此，成本就較高。為降低成本，它們在企業(yè)內(nèi)外兩個方面尋找促進(jìn)規(guī)?；姆椒ǎɑ虼胧Ｆ湟?，在保證氫燃料電池汽車自身特征和質(zhì)量安全要求的前提下，選用本企業(yè)現(xiàn)今進(jìn)行批量生產(chǎn)的傳統(tǒng)（汽柴油）汽車和混合動力汽車的相關(guān)部件，例如，豐田就在其氫燃料電池汽車上采用了自己已大批量生產(chǎn)的混合動力汽車的電機(jī)等。其二，與本企業(yè)在新能源汽車領(lǐng)域有合作關(guān)系的公司進(jìn)行協(xié)商，在保持各自氫燃料電池汽車品牌特色（特點(diǎn)）的前提下，雙方盡可能采購相同的配套零部件，以促使相關(guān)氫燃料電池汽車零部配套廠家形成一定的生產(chǎn)規(guī)模，進(jìn)而降低成本和配套件售價。

經(jīng)過上述種種努力，現(xiàn)今國際上主流企業(yè)推出的氫燃料電池汽車成本和售價與前5～6年相比，已大幅度下降。整車售價從早先的百萬美元級下降為當(dāng)前的5～10萬美元級，即只有過去的5%～10%。例如，豐田公司于2015年量產(chǎn)上市的氫燃料電池汽車，其電池發(fā)動機(jī)成本已經(jīng)降到不足六年前同類型車的5%，該款被命名為“未來”的氫燃料電池中級轎車，在日本市場上的售價預(yù)計(jì)約為700萬日元，考慮到政府給購買者補(bǔ)貼200萬日元，這樣，用戶實(shí)際支付500萬日元（約折合30萬元人民幣），此甚至比特斯拉Model S 型純電動汽車還便宜，與同級別的傳統(tǒng)（汽柴油）名牌轎車（例如寶馬5系車）也并不貴許多，已具相當(dāng)?shù)膬r格競爭力。另外一種較小些的氫燃料電池轎車，其在美國的售價低于5萬美元。豐田還宣稱，至2020年若產(chǎn)量達(dá)到1萬輛時，該氫燃料電池汽車的售價將與同類型、同級別的傳統(tǒng)汽車相當(dāng)或相近。另據(jù)報(bào)道，德國奔馳汽車公司全新的氫燃料電池汽車將于2017年發(fā)布上市。由于更加成熟技術(shù)的應(yīng)用，使其成本大幅下降，售價將與混合動力汽車相接近。