氫能源汽車時(shí)代會(huì)到來嗎

丁晟罡

2022年以來，我國(guó)油價(jià)直線飆升，6月已進(jìn)入了“10元時(shí)代”，車主們紛紛表示要勒緊褲腰帶過日子了。

加快普及傳統(tǒng)能源汽車的替代品，已是迫在眉睫。新能源汽車雖然已經(jīng)進(jìn)入大眾視野，然而純電動(dòng)汽車充電的時(shí)間長(zhǎng)，受環(huán)境溫度限制，鋰電池所不可或缺的鋰元素供應(yīng)鏈在不久的未來也將面臨短缺，這些都使人擔(dān)憂。而在東京奧運(yùn)會(huì)以及北京冬奧會(huì)上嶄露頭角的氫能源汽車使大家耳目一新。集零排放、短充電時(shí)間、長(zhǎng)續(xù)航于一體的氫能源汽車，似乎成為新能源汽車中的“新寵”。

氫能源汽車的歷史淵源

法國(guó)發(fā)明家Francois Isaac de Rivaz于1806年設(shè)計(jì)了De Rivaz發(fā)動(dòng)機(jī)，這是世界上第一臺(tái)使用氫氧混合物運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)。但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平所限，制取氫氣遠(yuǎn)比使用蒸汽、汽油等資源復(fù)雜得多，氫氣內(nèi)燃機(jī)并未獲得更多發(fā)展。

東京都市大學(xué)的研究人員從1970年開始研發(fā)氫內(nèi)燃機(jī)，先后開發(fā)了氫燃料巴士和卡車。

2000年，在美國(guó)加州大學(xué)河濱分校CE-CERT首席工程師James W.Heffel領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)項(xiàng)目中，一輛F1賽車被改裝為使用氫氣運(yùn)行，它的速度可以達(dá)到174千米/時(shí)。

在2005年至2007年期間，寶馬汽車測(cè)試了一款名為BMW Hydrogen 7的豪車，這款車由氫能源驅(qū)動(dòng)，在測(cè)試中達(dá)到了301千米/時(shí)。

然而，大多數(shù)國(guó)家對(duì)氫能源汽車仍無興趣。

氫能源汽車的優(yōu)勢(shì)和不足

不過，氫能源汽車的開發(fā)在最近受到了更多的關(guān)注，特別是對(duì)于重型商用車。這樣做的部分動(dòng)機(jī)是作為滿足未來二氧化碳排放目標(biāo)的橋接技術(shù)，以及與現(xiàn)有汽車知識(shí)和制造更兼容的技術(shù)。

氫能源汽車所用的氫燃料電池的優(yōu)勢(shì)主要在于：其電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物只有水，沒有任何溫室氣體或污染物。在陰極，每一個(gè)氫分子解離為兩個(gè)氫質(zhì)子，釋放出兩個(gè)電子;陽極上，空氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑（如金屬鉑）的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水。同時(shí)，氫氣相對(duì)安全。氫氧爆炸實(shí)驗(yàn)和氫氣球的爆炸似乎讓大多數(shù)人認(rèn)為氫燃料電池存在極大的安全隱患，但是其工作原理其實(shí)只涉及電化學(xué)過程，并不會(huì)存在點(diǎn)燃的步驟，所以并不會(huì)發(fā)生爆炸。此外，一旦輸氣管道建好，氫氣很容易被運(yùn)輸和儲(chǔ)存。作為氣體形式的能源，在管道運(yùn)輸過程中不用花費(fèi)過多能源，同時(shí)在高壓狀態(tài)下，氫氣的體積可輕易縮小至原先的數(shù)百分之一。另外，氫氣的熱值較高。由于其極小的相對(duì)分子質(zhì)量，氫氣的能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍。

然而，對(duì)于氫能源汽車也有不同的聲音。特斯拉的首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克就在2015年表示，由于氫氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存效率低下以及氣體的易燃性等，用于汽車的氫燃料電池永遠(yuǎn)不會(huì)在商業(yè)上可行。誠然，氫氣管道的一次性建設(shè)費(fèi)用特別高，每千米的價(jià)格要比天然氣管道貴1～2倍，而且其建設(shè)也關(guān)乎民意。對(duì)絕大部分加氫站來說，由于難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，用管道加氫是不現(xiàn)實(shí)的，于是只能采用傳統(tǒng)運(yùn)輸方式——貨運(yùn)氫罐。傳統(tǒng)方式所帶來的問題在于拉貨效率十分低下。由于氫氣本身密度極小，即使將壓強(qiáng)加至上千個(gè)大氣壓，其運(yùn)載效率也只有運(yùn)輸正常貨物的3%～5%，這樣就會(huì)造成大量能源的浪費(fèi)。

此外，還有專家指出，生產(chǎn)氫氣仍然是一個(gè)非常耗能的過程，并不環(huán)保。目前，制備氫氣的最主流方式是蒸汽甲烷重整，即將甲烷進(jìn)行炭化處理，使其放出氫氣，再將生成的碳粉與水蒸氣反應(yīng)，生成一氧化碳并進(jìn)一步生成氫氣。但此技術(shù)中使用的甲烷，大約會(huì)有7%泄漏到大氣層，而甲烷分子在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的溫室效應(yīng)大約為二氧化碳的25倍。另一種常見方法是電解水，雖然只需要利用電能，但電能又大多來自化石能源，還是避不開大量的溫室氣體。因此，固然氫燃料不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，但在制造過程中造成的溫室效應(yīng)也不容忽視。

氫能源汽車的前景

縱使存在著不足、面臨著挑戰(zhàn)，發(fā)展氫能源汽車的腳步也不會(huì)停滯不前。我國(guó)也已提出了面向2035年氫燃料電池技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

由于催化劑鉑價(jià)格昂貴，氫燃料電池曾被視為成本無法下降的產(chǎn)品。然而，就在2022年4月，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院開發(fā)出一種由鐵制成的催化劑，能大大降低氫燃料電池的成本。相信在不久的將來，這項(xiàng)技術(shù)就會(huì)投入生產(chǎn)。上述氫氣制備、運(yùn)輸以及儲(chǔ)存的問題也將會(huì)有解決方案，只是需要不斷地探索。

若說純電動(dòng)汽車是一個(gè)剛會(huì)走路的孩子，那么氫能源汽車還只是一個(gè)襁褓中的嬰兒。即使不被看好，氫氣這樣本身近乎完美的新能源，也很有可能在未來大放異彩。

（責(zé)任編輯：白玉磊）