傳 植/編譯

氫能源汽車：“雞生蛋”還是“蛋生雞”

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美國加州薩克拉門托一家汽車加氫站中的氫燃料電池車，站中氫氣由太陽能電池板功能的電極當(dāng)場分解制造

● 盡管氫燃料電池造價(jià)正快速下降，但用于氫燃料加注的基礎(chǔ)設(shè)施仍處在供給不足的狀態(tài)，這使氫能源在汽車領(lǐng)域的運(yùn)用受限。

氫氣可以稱得上最理想的清潔能源。無論是直接燃燒，還是在氫燃料電池中通過一些化學(xué)反應(yīng)同氧氣結(jié)合，反應(yīng)產(chǎn)生的都只有水和熱量。然而，盡管氫是最為充足的元素，人們?nèi)匀粵]有掌握獲得純氫氣的便利方法。

當(dāng)然，水可以提供幾乎無限量的氫元素，但通過電解或其他技術(shù)將水分子中的化學(xué)鍵打破需要相當(dāng)大的能量。今天生產(chǎn)的氫氣大部分是從天然氣中濃縮得到，而剩下的天然氣中含有的二氧化碳卻增加了碳排放。美國年產(chǎn)量10噸的氫氣大部分被用于石油煉制、用于肥料的氨合成以及其他一些化學(xué)生產(chǎn)。氫這一輕元素在燃料電池汽車上的市場雖然小，卻在持續(xù)增大。

發(fā)展至今，市面上的氫燃料電池效率都相當(dāng)之高，即使以天然氣作為氫氣來源，一輛氫燃料電池車從考量燃料生產(chǎn)與運(yùn)輸?shù)慕嵌龋粫?huì)產(chǎn)生相同動(dòng)力汽油車一半的碳排量。零碳排放氫燃料電池的終極目標(biāo)是由可再生能源產(chǎn)生氫氣，這正是美國能源部及其國家實(shí)驗(yàn)室的氫燃料電池研究計(jì)劃的目標(biāo)。

豐田、現(xiàn)代和本田這3個(gè)汽車生產(chǎn)商現(xiàn)在在美國加利福尼亞州銷售氫燃料電池車。這些車輛售價(jià)昂貴，例如豐田Mirai標(biāo)價(jià)57 500美元。美國能源部燃料電池技術(shù)部門主管蘇尼塔·薩蒂亞帕爾（Sunita Satyapal）表示，機(jī)構(gòu)投資的研究與開發(fā)已經(jīng)讓氫燃料電池車的使用成本在幾年內(nèi)降低了80%，運(yùn)行壽命500 000次的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品降到了預(yù)估的每千瓦時(shí)45～50美元，并且這一數(shù)字正逐漸接近每千瓦時(shí)35美元，使氫燃料電池車完全擁有與汽油車同等的競爭力。

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）燃料電池與氫能源技術(shù)的項(xiàng)目經(jīng)理基思·衛(wèi)普克（Keith Wipke）說，在未來，當(dāng)鉑族金屬鉑、釕、銠、鈀、鋨和銥作為氫燃料電池電極的需要量逐漸下降，成本差距可能會(huì)進(jìn)一步縮小，現(xiàn)在這些貴金屬約占到氫燃料電池成本的一半。美國能源部也設(shè)立了目標(biāo)，要將汽車催化轉(zhuǎn)換器中的金屬含量降到8～10克。氫燃料電池制造商對它們產(chǎn)品中使用的鉑族金屬量嚴(yán)格保密，但通用汽車在2012年曾預(yù)測鉑含量將在2015年從80克降至30克，在2025年前降至10克。

在NREL開發(fā)的技術(shù)中，原子氣相沉積法可以減少鉑族金屬的使用量，它的原理是使金屬的活性表面積最大化。同時(shí)，4個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室組成的共同體ElectroCat正在開發(fā)用替代材料在氫燃料電池中作催化劑的技術(shù)。

可再生氫氣生產(chǎn)技術(shù)上的發(fā)展相對于氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)展來說卻是落后的?！罢约捌嚬敬_實(shí)已經(jīng)在氫燃料電池上花了數(shù)以億計(jì)的金錢，”衛(wèi)普克說，“或許其中只有約1%花在了電解相關(guān)的研究上?！眲趥愃估锬獓覍?shí)驗(yàn)室的科學(xué)家布蘭登·伍德（Brandon Wood）說：“現(xiàn)如今，商用的電解槽使用著非常高的電流密度，并且必須不間斷地運(yùn)作來保持大生產(chǎn)量，才能具備經(jīng)濟(jì)可行性?！备阋说拇呋瘎?huì)增加電解的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，而電解則由間歇的可再生能源供能。成本問題之外，人們還在尋找作為催化劑的鉑的替代品。

鉑的替代品

伍德還是HydroGEN的首席研究員，這是一個(gè)由6個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室組成的共同體，致力于研究氫能源生產(chǎn)中低成本的催化劑替代品。伍德和其他研究員剛剛宣布發(fā)現(xiàn)了作為催化劑候選的過渡金屬化合物：二硫化鉭和硫化鈮。這些材料不僅可以高效催化水的分解，而且可以在形態(tài)上自優(yōu)化，意味著隨著反應(yīng)進(jìn)行，其活性表面能夠最大化。這一“自配置”的特點(diǎn)，據(jù)伍德說，意味著“并不需要完美的起始原料，只要投入原料，反應(yīng)就能很好地進(jìn)行。”

盡管這些材料表現(xiàn)得幾乎與鉑一樣好，伍德說，“實(shí)驗(yàn)室中合成它們的化學(xué)氣相沉積法昂貴，并在商用上不易升級。勞倫斯利物莫國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在考慮與工業(yè)合作伙伴合作，制造氣凝膠版催化劑作為一個(gè)向商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的過渡。

“大部分替代催化劑的研究與開發(fā)將重點(diǎn)放在氫氣部分，即分解水的反應(yīng)上，”伍德說，“研究已經(jīng)確認(rèn)了一些優(yōu)秀的候選者?！毕鄬Χ?，較少的研究將重點(diǎn)放在氧氣催化劑部分，這一部分更復(fù)雜，候選的替代催化劑也更少?！罢嬲钠款i在于氧氣部分，”他說，“你能顯著提高析氫催化劑的效率，但你還是會(huì)在氧氣部分被卡住，因?yàn)檫@一部分限制住了總反應(yīng)?！?/p>

在NREL，研究重點(diǎn)開始從優(yōu)化電解產(chǎn)生氫氣中移除水的過程轉(zhuǎn)移到增加分解水中使用的隔膜和催化劑的耐久度與效率，這就包括了制定快速測定電解槽材料耐久度的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。衛(wèi)普克表示：“我們還在研究電解中材料的降解機(jī)制，第一步就是要開發(fā)辨別一個(gè)材料是否具有良好耐久性的測試。”

光電化學(xué)電池是一項(xiàng)利用半導(dǎo)體由陽光和水得到氫氣的更不成熟的可再生技術(shù)。盡管NREL今年為光電化學(xué)電池效率設(shè)立了16%的目標(biāo)，衛(wèi)普克表示這類電池的耐久性是一個(gè)大問題，它的商用化還為時(shí)尚早。

其他的可再生能源生產(chǎn)方法，包括高溫電解，利用外源性的熱量（例如核反應(yīng)或太陽能）來加速反應(yīng)；熱化學(xué)電解，利用太陽能產(chǎn)生的高溫來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)氫的化學(xué)反應(yīng)。生物學(xué)上還有一些方法，例如從農(nóng)場與垃圾填埋場中產(chǎn)生的沼氣中濃縮得到氫氣。

基礎(chǔ)設(shè)施不足

廣泛推廣氫燃料電池車的最大障礙只有一部分是技術(shù)上的，即推廣還需要加氫的基礎(chǔ)設(shè)施的支持。現(xiàn)如今，在美國只有29個(gè)零售加氫站，全都位于加州。加州州長杰里·布朗（Jerry Brown）承諾，將提供能支持100個(gè)加氫站的成本分擔(dān)的國家撥款，有助于建立一個(gè)氫燃料電池車的區(qū)域性市場。如果一個(gè)加氫站要獲得國家撥款，其中所售的氫氣至少有1/3要來自可再生能源。衛(wèi)普克提到，這在工業(yè)上已經(jīng)做得更好了，如今有44%的氫氣來自于可再生能源供能的電解與生物氣。

從沼氣中得到的氫氣大約是每千克2美元，但加氫站的售價(jià)約每千克10～16美元，反映出的是運(yùn)輸、壓縮與儲(chǔ)存的成本較高。建立一個(gè)加氫站耗資約200萬美元，其中約2/3花費(fèi)在壓縮設(shè)施上。如今能替代活塞驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓縮機(jī)的是金屬氫化物儲(chǔ)氫和電氣化學(xué)壓縮。美國能源部的薩蒂亞帕爾表示，在建立了更多加氫站后，規(guī)模經(jīng)濟(jì)將降低儲(chǔ)存和分配的成本。

薩蒂亞帕爾說：“最理想的加氫基礎(chǔ)設(shè)施是通過地下管道網(wǎng)絡(luò)，在高壓下運(yùn)輸，就如同天然氣運(yùn)輸?！痹诿绹呀?jīng)有了約2 575公里的氫氣管道，但擴(kuò)大管道網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積會(huì)相當(dāng)昂貴?，F(xiàn)如今，在中心位置生產(chǎn)，高壓下以液態(tài)或氣態(tài)運(yùn)輸是通常的做法。

運(yùn)用氫燃料電池車的成功案例是大型倉庫中用氫燃料電池叉車取代電池驅(qū)動(dòng)的叉車。約有15 000個(gè)氫燃料電池叉車在亞馬遜、寶馬、聯(lián)邦快遞和沃爾瑪?shù)裙疚挥诒泵赖膫}庫中使用。

除了美國，日本政府正在規(guī)劃在下一個(gè)10年中廣泛推廣氫燃料電池車，同時(shí)部署成千上萬個(gè)固定式燃料電池電站用于發(fā)電。在歐洲，歐洲委員會(huì)和私營部門在過去10年以成本分擔(dān)的方式，共撥款15億歐元來支持氫燃料電池車和氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)驗(yàn)、研究與開發(fā)。在德國政府的支持下，世界第一列氫能源火車預(yù)計(jì)將在明年開始運(yùn)送旅客。它的建造者法國阿爾斯通公司表示，他們從一些德國州政府收到來信，希望能繼續(xù)建造約60列的氫能源火車。

[資料來源：Physics][責(zé)任編輯：彥 隱]