氫燃料電池汽車離我們還有多遠

一些汽車工程師總會說，氫氣是清潔燃料，氫燃料電池汽車將是愛車族的新寵。然而就目前來說，氫燃料電池汽車的普及仍然遙遙無期。

氫燃料電池是零排放的

氫氣，不含有碳元素成分，燃燒時不會產(chǎn)生碳基溫室氣體，起碼在發(fā)動機內(nèi)部不會，這是汽油、柴油、煤油、天然氣和其他碳氫化合物燃料都不具有的優(yōu)點，也是它作為運輸能源的魅力所在。雖然如此，如果氫氣燃燒時使用空氣而不是純氧作為氧化劑，氫氣燃燒時仍然會產(chǎn)生有害氮氧化物，這一點上，它與化石燃料沒有本質(zhì)區(qū)別。就氣體的有害性而言，氮氧化物比二氧化碳更加可怕。

正因如此，盡管氫氣內(nèi)燃機曾一度被認為如投入生產(chǎn)將比其他環(huán)保技術(shù)便宜，改進型氫氣燃料內(nèi)燃機還是被多數(shù)科技人員放棄了。寶馬公司曾經(jīng)制造了數(shù)輛氫動力超級跑車，但結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)這些車并不比使用了催化轉(zhuǎn)化器的舊車“清潔”多少。

因此，科研人員將工作重點轉(zhuǎn)到了研發(fā)氫燃料電池上。氫燃料電池是利用化學反應(yīng)來提取氫氣的能量，而不是利用燃燒氫氣來獲取能量。氫燃料電池產(chǎn)生能量的過程與電解水完全相反：電解水是將水分解成為氫氣和氧氣，氫燃料電池是讓這兩種氣體發(fā)生電化學反應(yīng)，在電化學反應(yīng)過程中，能產(chǎn)生出水與電流。氫燃料電池對外排放出的只是水蒸氣和熱量。

燃料電池結(jié)構(gòu)很簡單，車載質(zhì)子膜交換型氫燃料電池有一個正電極和一個負電極。這兩個電極被電解質(zhì)隔開，該電解質(zhì)是一種鉑鈀催化劑包裹下的聚合物膜；氫氣被氣泵從燃料箱輸送到燃料電池正電極一側(cè)，燃料電池的負電極一側(cè)則充滿了從空氣中提取的氧氣。

在氫氣從正電極向負電極移動的過程中，催化劑從氫原子里提取電子，只讓氫離子（質(zhì)子）向負電極移動，氫離子在進入負電極區(qū)域后，與氧原子發(fā)生化學反應(yīng)，形成水分子。那些被質(zhì)子膜排斥的電子被轉(zhuǎn)移到外部電路上，電子在從正電極向負電極移動的過程中，為連接在電路上的設(shè)備做功（為加熱器、電動機、車燈等設(shè)備供電）。由于一個氫氣質(zhì)子膜交換電池的輸出電壓不足1伏，科技人員得將多個氫氣質(zhì)子膜交換電池連接起來，才能形成有用的輸出電壓，這讓氫燃料電池組的外形看起來像切片面包。

氫燃料電池的效率比內(nèi)燃機高出三至四倍。更重要的是，使用氫燃料電池的汽車屬于電動汽車，卻不用安裝沉重的電池。因此，氫燃料電池的這種特點解決了普通電動汽車的兩大問題：有限的行駛里程和較長的充電時間。只需將油箱加滿氫氣，氫燃料電池汽車的行駛里程能超過480公里，而將氫氣油箱加滿最多只需5分鐘。而且，與電池電動汽車一樣，氫燃料電池汽車也屬于零排放汽車。

制造氫氣并不環(huán)保

在美國，對于汽車制造廠商而言，汽車零排放是他們向相關(guān)州政府機構(gòu)匯報的重要指標（特別是加利福尼亞州空氣資源局），于是，廠商以此來表明他們正不遺余力地實現(xiàn)“零排放汽車”的目的。但電池動力的電動汽車行駛里程十分有限，充電時間太長，這讓各州政府機構(gòu)對其越來越失望，即便是將電池價格下降一半，行駛里程翻一番，仍然很難達到他們的要求。

相比之下，雖然氫燃料電池汽車看起來更像常規(guī)汽車，卻能幫助汽車生產(chǎn)廠商更接近新法規(guī)定的強制要求。按照加利福尼亞州政府的規(guī)定，最新的清潔空氣法規(guī)將于2025年實行，有人估計到那時，加利福尼亞州的零排放汽車的累積銷量至少為150萬輛。僅在一個平常年份，加利福尼亞州的新車銷量就有170萬輛。這意味著：為了達到加利福尼亞州政府制定的目標，從現(xiàn)在到2025年這段時間里，零排放汽車的銷量至少要占到全部新車年銷量的15%。

包括紐約州、康涅狄格州和曼切斯特州在內(nèi)的美國其他七個州也制定了與加利福尼亞州政府類似的法規(guī)。上述八個州每年新車銷量占到了全美新車銷量的四分之一，這可是人盡皆知的事情。

人們注意到另一個現(xiàn)象就是燃料電池的成本在不斷下降。盡管有人為研發(fā)鋰電池技術(shù)投入了數(shù)十億美元資金，但研發(fā)進程仍然相當緩慢，鋰電池的價格仍然為每千瓦約2000美元，這個價格可不低。要知道，鋰電池主要用于插電式電動汽車，是其動力裝置的核心部件。與鋰電池的價格相比，氫燃料電池的價格就不顯得高得離譜了：2007年，本田汽車公司對外公布了100千瓦本田克拉里蒂氫燃料電池汽車，其氫燃料電池組價格為每套35萬美元，平均1千瓦3500美元。這樣也難怪本田公司有能力制造了200輛本田克拉里蒂來讓公眾試駕。

過去的六年時間里，汽車制造廠商將實驗型氫燃料電池組的制造成本下調(diào)了一半，目前，氫燃料電池的價格每千瓦低于1500美元。按照美國能源部的估計，假如氫燃料電池不是手工制造，而是進行數(shù)以萬計的大規(guī)模制造，其制造成本將低于每千瓦50美元，與當前的內(nèi)燃機制造成本相當。

質(zhì)子膜交換型氫燃料電池使用鉑和鈀這兩種貴金屬作為催化劑，這是其無法大規(guī)模普及的另一個障礙。科研人員唯有找到一種性質(zhì)與鉑和鈀化學催化性質(zhì)相同，并且不容易被氫氣燃料雜質(zhì)（如一氧化碳）破壞的新型催化劑，這一問題才能得到解決。科研人員已經(jīng)在鐵基催化劑方面取得了一些進展，但鐵基催化劑的活性太低，不具有實用性。另一方面，要是將鉑-鈀催化劑的催化活性提高，單個氫燃料電池的鉑-鈀催化劑用量就能降下來，氫燃料電池也能進行商業(yè)應(yīng)用。現(xiàn)在，兩種降低氫燃料電池催化劑成本的方法都在研究之中，在接下來的10年內(nèi)，人們應(yīng)當能見到這些科研結(jié)果。

即便上述問題都得到了解決，氫燃料電池汽車還是無法得到大規(guī)模的運用。首先，氫氣燃料的供應(yīng)是個問題，必須在全國范圍內(nèi)建好氫燃料運輸基礎(chǔ)設(shè)施，氫燃料電池汽車才能進入普通顧客的車庫。美國已經(jīng)在其國內(nèi)建好了約100個氫氣加氣站，但對公眾開放的氫氣加氣站還不到12個，其他加氣站只是為工業(yè)、軍隊、政府機關(guān)和科研單位提供專門氫氣供應(yīng)。

加利福尼亞州政府批準了一個氫氣加氣站十年投資計劃，按照該計劃，亞州政府將在未來十年里，每年為建設(shè)公眾氫氣加氣站撥款2000萬美元。照此推算，僅在全美建設(shè)氫氣加氣站網(wǎng)絡(luò)的成本就將高達200億美元。但有一份研究報告指出，如果將氫氣加氣機普及程度提高到加油泵的普及程度，美國政府至少能節(jié)省5000億美元。

接下來就是氫氣來源的問題。現(xiàn)在，工業(yè)用氫（通常被用作煉油原料、化工原料、電子工業(yè)原料和食品工業(yè)原料）的生產(chǎn)方式是將水蒸氣注入天然氣，讓天然氣的分子結(jié)構(gòu)重組，從而得到氫氣。這種氫氣制造方式并不環(huán)保。按照設(shè)在科羅拉多州的美國國家可再生能源實驗室的說法，使用蒸汽重組法每生產(chǎn)1公斤氫氣，將產(chǎn)生11.9公斤二氧化碳。如果按照本田克拉里蒂氫燃料電池汽車的能耗來計算，每行駛1公里，就相當于將108克二氧化碳排入大氣中。

短期內(nèi)不能淘汰燃油發(fā)動機

與之相比，大眾化小型柴油轎車的二氧化碳排放量為每公里90克。僅從二氧化碳排放量來看，即便是配置汽油發(fā)動機的豐田普銳斯混合動力汽車，其二氧化碳排放量為每公里104克，也比使用氫燃料電池的本田克拉里蒂要環(huán)保一些。必須承認，化石燃料的采油過程、提煉過程和運輸過程也會向大氣排放二氧化碳，但隨著時間的推移，使用化石燃料的內(nèi)燃機正變得越來環(huán)保。從鉆井平臺到汽車油箱，二氧化碳排放量在化石燃料的整個使用過程中正在逐漸減少；換句話講，變得越來越環(huán)保的常規(guī)汽車無形之中給所謂的零排放汽車施加了不少壓力。

一旦加利福尼亞州和其他州的汽車零排放法規(guī)生效，蒸汽重組法氫氣生產(chǎn)方式將被禁止，因為該生產(chǎn)方式雖然生產(chǎn)成本低，但污染嚴重。人們只能使用電解水方式生產(chǎn)氫氣，此生產(chǎn)方式用電流將水分解成氫氣和氧氣，整個生產(chǎn)過程不會排放溫室氣體，雖然其環(huán)保性好，成本卻較高。此外，為達到整個生產(chǎn)過程都不產(chǎn)生溫室氣體的效果，電解水的電力只能來自于像風電、太陽能電力、水電和核電這些沒有二氧化碳排放的能源。

不幸的是，這些可再生能源并沒有能夠很好地普及。同時，全球可開發(fā)的水電資源也所剩無幾。從長遠來看，唯有核電是最好的選擇。

汽車制造廠商一再強調(diào)：在缺少清潔電力資源的情況下，如果強行要求廠商制造插電式電動汽車和氫燃料電池汽車這樣的零排放汽車，只會加重污染。可以說，氫燃料電池汽車的普及仍將遙遙無期。