氢动力汽车污染环境还是保护环境？

Hydrogen

7月12日，根据印度最大媒体集团Network18旗下的新闻网站《第一邮报》的报道，包括剑桥大学、牛津大学和科罗拉多大学在内的120 多名科学家、学者和工程师联名写了一封公开信，敦促奥运组织者更换丰田 Mirai 作为奥运会官方用车。科学家们在信中表示，使用这辆车将“有损 2024 年奥运会的声誉”。原因是：科学家们认为虽然氢动力汽车不排放尾气，但世界上几乎所有的氢气仍然是用甲烷气体制造的，这意味着氢动力汽车造成的污染远远超过电池动力汽车。

然而，根据中汽协发布的最新数据，2024年6月我国新能源汽车产销分别完成100.3万辆和104.9万辆，同比分别增长28.1%和30.1%。其中，氢燃料电池汽车产销分别完成1181辆和1117辆，同比分别增长51.6%和11.4%，显然在我国氢动力汽车的研究正处于热门领域，在轨道交通领域也同样如此。

氢动力汽车真的会污染环境吗，争议的焦点还是在制氢的过程，笔者在之前汽车和轨道交通领域都有一些相关的研究。

氢能作为一种高效的能源载体，在燃烧时，这种零排放燃料的唯一副产物就是水，这使它成为代替化石燃料的理想材料；作为一种高容量能源存储手段，它能将富裕的风能、太阳能及多余的水电能等能源转化成氢能存储，实现能源的动态均衡和灵活性发电。因此，研究氢能源领域创新解决方案，可以加快构建清洁低碳安全高效能源体系，拓展氢能在汽车、轨道交通等方面的应用，提升氢能源的总体竞争力。氢能源领域的产业链包括氢气的制取、存储及运输、对氢气进行压缩和加注的加氢站以及氢能应用氢燃料电池、蓄电池、氢外燃机和内燃机等方面。本文我们研究制氢的相关内容。

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关于制氢

根据氢气的生产方式，氢气被分为多种类型。今天，大部分的氢气是通过蒸汽-甲烷重整的过程从天然气中产生的，这是目前成本最低的制氢方式，但确实会产生大量的碳排放。因此，以这种方式生产的氢气被称为“灰氢”。当碳排放被捕获并储存或再利用时，这些氢气被称为 “蓝氢”。利用可再生能源如风电场、太阳能设施、水电站或地热电站，通过电解水生产出来的氢气，没有碳排放，被称为“绿色氢气”。

使用可再生能源的电化学制氢，电解系统的效率在技术上和经济上都至关重要。电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气，分别在阴、阳极析出。电解水制氢目前主要有三种技术路线，即碱性电解（AWE）、质子交换膜（PEM，也称为聚合物电解质膜）电解以及固体氧化物电解（SOEC）三种技术路线。三种技术的区别主要在于电封闭电化学过程的离子电荷载体以及使用的电解质。质子交换膜电解水制氢技术是以固体聚合物水溶液为电解质，水（2H2O）在阳极上产生水解反应，在电场和催化剂作用下，分裂成质子（4H+）、电子（4e-）和气态氧；4H+质子在电势差的作用下，通过质子交换膜到达阴极；4e- 电子通过外部电路传导，在阴极上产生 4H++4e- 反应，析出氢气（2H2），实现氢气和氧气的分离；在阴极腔体内，随着产氢量的增加，压力逐渐增大，直至达到预定压力。质子交换膜电解水制氢是目前产业化制氢采用的主要方式。高温固体氧化物电解水制氢是以稀土金属氧化物掺杂的氧化锆陶瓷为固体电解质，使得水在高温蒸汽状态下被电解为氢气和氧气。在电场和催化剂作用下，发生的反应为阴极 H2O + 2e → H2 + O2，阳极 O2 →2e + (1/2)O2。由于该技术路线是在极高温度（800~950℃）下工作，其电解反应动力增大，电解效率可超过95%，总体效率超过50%，被认为是制氢技术突破的关键技术路线。但该技术路线存在材料损耗大，电堆易衰减等问题。

在主流的制氢路线方面笔者分析了汽车和轨道交通主流企业：如丰田、西门子在氢能源方面的发展，检索了其在制氢方面的相关专利。

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丰田布局的专利

2023年 3月，丰田宣布，开发出把水进行电解制氢的水电解装置，将在福岛县田村市的电装工厂展开实证试验。

根据检索发现丰田近5年申请的制氢相关的技术包括从水中电解氢的方法和装置，利用太阳能集热制氢，利用光催化剂制造氢气的装置，利用超声波照射的氢气生产方法及装置。

专利EP3981738A1，提供了一种通过使用光催化剂的水的分解反应而制造氢气的装置，该装置在尽可能不使氢气的制造效率降低或能够在使其提高的同时实现装置的结构小型化；专利申请JP2023094488A提供一种使用了光催化剂的氢气制造装置，在通过使用了光催化剂的水的分解反应而制造氢气的装置中为了提高氢气的制造效率而通过光源的排热来对水进行加温；专利JP2020019679A提供一种能够快速生成大量氢的氢生成装置和使用该氢生成装置的氢生成方法。氢生成装置包括：反应容器，其容纳氢生成剂分散在水中的流体分散体；以及超声波照射装置，其向所述流体分散体照射超声波。该氢生成设备还包括：反馈装置，其基于氢生成量的时间变化来计算氢生成速率(V)；以及当所计算的氢气产生速率(V)变为阈值(V)或更小时，使超声波照射装置间歇地根据规定时间工作；专利BR112013016353A2提供了一种由水生产氢的方法，包括将水分解为氢气和氧气，该方法包括将硫酸分解为水，二氧化硫和氧气通过式(X1)的反应利用太阳能热能，其中式(X1-1)的基本反应的至少一部分使用热太阳能进行，和至少部分式(X1-2)的基本反应使用太阳能以外的附加热能进行，并且其中附加热能的加热温度比太阳能热能的加热温度高10℃或更高，并且至少部分附加热能在反应容器中产生：(X1)H2SO4H2O+SO2+1/2O2，(X1-1)H2SO4H2O+SO3和(X1-2)SO3SO2+1/2O2。

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西门子布局的专利

西门子在制氢方面专利分别布局在电解水制氢、甲酸分解制氢、太阳能集热产氢、天然气重整制氢、微生物电解废水制氢、稀土金属与水/稀酸反应制氢等相关技术，其中以电解水制氢布局为主；甲酸分解制氢、太阳能集热产氢、天然气重整制氢、微生物电解废水制氢、稀土金属与水/稀酸反应制氢专利较少。

西门子质子交换膜电解水制氢主要关注降低电解单元的结构的复杂度、提高电解单元的灵活性、提高氢气产生的效率、降低供电网的负荷、降低成本、节省空间、降低电解池的损坏风险等效果；碱性水电解制氢主要关注优化气体分离器隔膜的工艺、机械强度和耐久性等效果；高温固体氧化物电解水制氢主要关注提高电解系统的能量效率、避免热损失、降低氢气热损耗等效果。西门子太阳能集热产氢主要关注提高产氢效率、降低反应温度等效果；微生物电解废水制氢主要关注减少碳氧化物释放到大气、提高合成气产生效率等效果；天然气重整制氢主要关注提供节能的电流、热量和合成气等效果；甲酸分解制氢主要关注提高集成气化装置的效率、提高高负载发电的灵活性等效果；稀土金属离子与稀酸反应生成氢气主要关注简单可靠并有利于获得高浓度氢气等效果。

代表专利如：西门子专利WO2014154407A1提供一种用于分离稀土金属的电化学分离设备，简单可靠并有利于获得高浓度氢气；专利WO2015193211A1提供一种气体扩散层、电化学电池和电解器，能够补偿电化学电池中的构件公差；专利EP3396025B1提供一种用于气体分离器隔膜的连续制造方法，优化气体分离器隔膜的工艺、机械强度和耐久性；专利WO2018001448A1提供制造用于电化学转化过程的气体隔板的方法，优化了气体隔板的工艺以及机械强度；专利DE102020204165A1提供高温电解的电解装置及电解槽，使技术能够在工业环境中规模化，并具有高转换效率；专利DE102014212996A1提供一种风力涡轮机以及在风力涡轮机中产生和储存能量的方法，能够产生和存储多种能量以供电解制氢装置电解水产生氢气；专利CN103626126A提供一种太阳能集热产氢设备，所需反应温度低、节能有效、产氢效率高；专利CN104170159B提供一种蒸汽发电站，减少氢气产生的热耗；专利DE102013212871A1提供具有蒸汽重整器和热水处理的发电厂，提供节能的电流、热量和合成气；专利WO2014008924A1提供一种生产气态碳氧化物的方法、系统以及该气态碳氧化物，能够净化废水和电解废水以产生氢气。

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国内制氢技术

今年国内氢能产业不断涌现新的技术突破和应用场景，且已实现氢能在汽车和轨道列车上的应用，建成加氢站超过450种，燃料电池技术也在不断突破和发展中，随着核心技术加速攻关，应用市场不断优化，碱水制氢、PEM制氢都有了新的突破，清华大学、浙江大学，中石化等均申请了大量专利。

对于制氢技术，虽然目前“灰氢”依然是主流，随着“蓝氢”技术的突破，“绿氢”技术的颠覆和深入研究，相信氢能在不久的将来能够实现真正的清洁。

图片来源丨网络（侵删）

作者简介：王淑敏，集慧智佳交通与智造事业部首席，爱健身，爱臭美，爱工作，爱科研，最主要是爱生活。

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