氢能源汽车的焦虑：鸡生蛋还是蛋生鸡?
一家汽车加氢站中的氢燃料电池车，站中氢气由太阳能电池板功能的电极当场分解制造
● 尽管氢燃料电池造价正快速下降，但成本问题、铂的替代品和基础设施不足是阻滞氢能源汽车大规模生产的三大因素，这使氢能源在汽车领域的运用受限。
氢气可以称得上最理想的清洁能源。无论是直接燃烧，还是在氢燃料电池中通过一些化学反应同氧气结合，反应产生的都只有水和热量。然而，尽管氢是最为充足的元素，人们仍然没有掌握获得纯氢气的便利方法。
当然，水可以提供几乎无限量的氢元素，但通过电解或其他技术将水分子中的化学键打破需要相当大的能量。今天生产的氢气大部分是从天然气中浓缩得到，而剩下的天然气中含有的二氧化碳却增加了碳排放。美国年产量10吨的氢气大部分被用于石油炼制、用于肥料的氨合成以及其他一些化学生产。氢这一轻元素在燃料电池汽车上的市场虽然小，却在持续增大。
发展至今，市面上的氢燃料电池效率都相当之高，即使以天然气作为氢气来源，一辆氢燃料电池车从考量燃料生产与运输的角度，只会产生相同动力汽油车一半的碳排量。零碳排放氢燃料电池的终极目标是由可再生能源产生氢气，这正是美国能源部及其国家实验室的氢燃料电池研究计划的目标。
丰田、现代和本田这3个汽车生产商现在在美国加利福尼亚州销售氢燃料电池车。这些车辆售价昂贵，例如丰田Mirai标价57 500美元。美国能源部燃料电池技术部门主管苏尼塔•萨蒂亚帕尔（Sunita Satyapal）表示，机构投资的研究与开发已经让氢燃料电池车的使用成本在几年内降低了80%，运行寿命500 000次的发动机产品降到了预估的每千瓦时45~50美元，并且这一数字正逐渐接近每千瓦时35美元，使氢燃料电池车完全拥有与汽油车同等的竞争力。
美国国家可再生能源实验室（NREL）燃料电池与氢能源技术的项目经理基思•卫普克（Keith Wipke）说，在未来，当铂族金属铂、钌、铑、钯、锇和铱作为氢燃料电池电极的需要量逐渐下降，成本差距可能会进一步缩小，现在这些贵金属约占到氢燃料电池成本的一半。美国能源部也设立了目标，要将汽车催化转换器中的金属含量降到8~10克。氢燃料电池制造商对它们产品中使用的铂族金属量严格保密，但通用汽车在2012年曾预测铂含量将在2015年从80克降至30克，在2025年前降至10克。
现代途胜使用了氢燃料电池组，这是在美国加州销售的三种氢燃料电池车型号之一
在NREL开发的技术中，原子气相沉积法可以减少铂族金属的使用量，它的原理是使金属的活性表面积最大化。同时，4个国家实验室组成的共同体ElectroCat正在开发用替代材料在氢燃料电池中作催化剂的技术。
可再生氢气生产技术上的发展相对于氢燃料电池技术的进展来说却是落后的。“政府以及汽车公司确实已经在氢燃料电池上花了数以亿计的金钱，”卫普克说，“或许其中只有约1%花在了电解相关的研究上。”劳伦斯利物莫国家实验室的科学家布兰登•伍德（Brandon Wood）说：“现如今，商用的电解槽使用着非常高的电流密度，并且必须不间断地运作来保持大生产量，才能具备经济可行性。”更便宜的催化剂会增加电解的经济效应，而电解则由间歇的可再生能源供能。成本问题之外，人们还在寻找作为催化剂的铂的替代品。
伍德还是HydroGEN的首席研究员，这是一个由6个国家实验室组成的共同体，致力于研究氢能源生产中低成本的催化剂替代品。伍德和其他研究员刚刚宣布发现了作为催化剂候选的过渡金属化合物：二硫化钽和硫化铌。这些材料不仅可以高效催化水的分解，而且可以在形态上自优化，意味着随着反应进行，其活性表面能够最大化。这一“自配置”的特点，据伍德说，意味着“并不需要完美的起始原料，只要投入原料，反应就能很好地进行。”
尽管这些材料表现得几乎与铂一样好，伍德说，“实验室中合成它们的化学气相沉积法昂贵，并在商用上不易升级。劳伦斯利物莫国家实验室的科学家在考虑与工业合作伙伴合作，制造气凝胶版催化剂作为一个向商业规模生产的过渡。
“大部分替代催化剂的研究与开发将重点放在氢气部分，即分解水的反应上，”伍德说，“研究已经确认了一些理想的候选者。”相对而言，较少的研究将重点放在氧气催化剂部分，这一部分更复杂，候选的替代催化剂也更少。“真正的瓶颈在于氧气部分，”他说，“你能显著提高析氢催化剂的效率，但你还是会在氧气部分被卡住，因为这一部分限制住了总反应。”
在NREL，研究重点开始从优化电解产生氢气中移除水的过程转移到增加分解水中使用的隔膜和催化剂的耐久度与效率，这就包括了制定快速测定电解槽材料耐久度的国际标准协议。卫普克表示：“我们还在研究电解中材料的降解机制，第一步就是要开发辨别一个材料是否具有良好耐久性的测试。”
光电化学电池是一项利用半导体由阳光和水得到氢气的更不成熟的可再生技术。尽管NREL今年为光电化学电池效率设立了16%的目标，卫普克表示这类电池的耐久性是一个大问题，它的商用化还为时尚早。
其他的可再生能源生产方法，包括高温电解，利用外源性的热量（例如核反应或太阳能）来加速反应；热化学电解，利用太阳能产生的高温来驱动产氢的化学反应。生物学上还有一些方法，例如从农场与垃圾填埋场中产生的沼气中浓缩得到氢气。
广泛推广氢燃料电池车的最大障碍只有一部分是技术上的，即推广还需要加氢的基础设施的支持。现如今，在美国只有29个零售加氢站，全都位于加州。加州州长杰里•布朗（Jerry Brown）承诺，将提供能支持100个加氢站的成本分担的国家拨款，有助于建立一个氢燃料电池车的区域性市场。如果一个加氢站要获得国家拨款，其中所售的氢气至少有1/3要来自可再生能源。卫普克提到，这在工业上已经做得更好了，如今有44%的氢气来自于可再生能源供能的电解与生物气。
从沼气中得到的氢气大约是每千克2美元，但加氢站的售价约每千克10~16美元，反映出的是运输、压缩与储存的成本较高。建立一个加氢站耗资约200万美元，其中约2/3花费在压缩设施上。如今能替代活塞驱动机械压缩机的是金属氢化物储氢和电气化学压缩。美国能源部的萨蒂亚帕尔表示，在建立了更多加氢站后，规模经济将降低储存和分配的成本。
萨蒂亚帕尔说：“最理想的加氢基础设施是通过地下管道网络，在高压下运输，就如同天然气运输。”在美国已经有了约2 575公里的氢气管道，但扩大管道网络的覆盖面积会相当昂贵。现如今，在中心位置生产，高压下以液态或气态运输是通常的做法。
运用氢燃料电池车的成功案例是大型仓库中用氢燃料电池叉车取代电池驱动的叉车。约有15 000个氢燃料电池叉车在亚马逊、宝马、联邦快递和沃尔玛等公司位于北美的仓库中使用。
除了美国，日本政府正在规划在下一个10年中广泛推广氢燃料电池车，同时部署成千上万个固定式燃料电池电站用于发电。在欧洲，欧洲委员会和私营部门在过去10年以成本分担的方式，共拨款15亿欧元来支持氢燃料电池车和氢气基础设施的实验、研究与开发。在德国政府的支持下，世界第一列氢能源火车预计将在明年开始运送旅客。它的建造者法国阿尔斯通公司表示，他们从一些德国州政府收到来信，希望能继续建造约60列的氢能源火车。
[资料来源：Physics today]
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