傳 植/編譯

氫能源汽車：“雞生蛋”還是“蛋生雞”

傳 植/編譯

美國(guó)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(yáng)能電池板功能的電極當(dāng)場(chǎng)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(wú)論是直接燃燒，還是在氫燃料電池中通過(guò)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](méi)有掌握獲得純氫氣的便利方法。

當(dāng)然，水可以提供幾乎無(wú)限量的氫元素，但通過(guò)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(guó)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(chǎng)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(lái)源，一輛氫燃料電池車從考量燃料生產(chǎn)與運(yùn)輸?shù)慕嵌?，只?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(guó)能源部及其國(guó)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(guó)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(guó)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(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力。

美國(guó)國(guó)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(shuō)，在未來(lái)，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(guó)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(duì)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(cè)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(kāi)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室組成的共同體ElectroCat正在開(kāi)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(duì)于氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)展來(lái)說(shuō)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(shuō)，“或許其中只有約1%花在了電解相關(guān)的研究上。”勞倫斯利物莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家布蘭登·伍德（Brandon Wood）說(shuō)：“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(lái)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(wèn)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(guó)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(guò)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(shuō)，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?！?/p>

盡管這些材料表現(xiàn)得幾乎與鉑一樣好，伍德說(shuō)，“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(jí)。勞倫斯利物莫國(guó)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(guò)渡。

“大部分替代催化劑的研究與開(kāi)發(fā)將重點(diǎn)放在氫氣部分，即分解水的反應(yīng)上，”伍德說(shuō)，“研究已經(jīng)確認(rèn)了一些優(yōu)秀的候選者?！毕鄬?duì)而言，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。“真正的瓶頸在于氧氣部分，”他說(shuō)，“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(kāi)始從優(yōu)化電解產(chǎn)生氫氣中移除水的過(guò)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(cè)定電解槽材料耐久度的國(guó)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(kāi)發(fā)辨別一個(gè)材料是否具有良好耐久性的測(cè)試?！?/p>

光電化學(xué)電池是一項(xiàng)利用半導(dǎo)體由陽(yáng)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(wèn)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(yáng)能）來(lái)加速反應(yīng)；熱化學(xué)電解，利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的高溫來(lái)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(chǎng)與垃圾填埋場(chǎng)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?，F(xiàn)如今，在美國(guó)只有29個(gè)零售加氫站，全都位于加州。加州州長(zhǎng)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(guó)家撥款，有助于建立一個(gè)氫燃料電池車的區(qū)域性市場(chǎng)。如果一個(gè)加氫站要獲得國(guó)家撥款，其中所售的氫氣至少有1/3要來(lái)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(lái)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(wàn)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(guó)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(shuō)：“最理想的加氫基礎(chǔ)設(shè)施是通過(guò)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?guó)已經(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(cāng)庫(kù)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}(cāng)庫(kù)中使用。

除了美國(guó)，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(wàn)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(yíng)部門在過(guò)去10年以成本分擔(dān)的方式，共撥款15億歐元來(lái)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(kāi)發(fā)。在德國(guó)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(kāi)始運(yùn)送旅客。它的建造者法國(guó)阿爾斯通公司表示，他們從一些德國(guó)州政府收到來(lái)信，希望能繼續(xù)建造約60列的氫能源火車。

[資料來(lái)源：Physics][責(zé)任編輯：彥 隱]