我國(guó)應(yīng)更加重視燃料電池汽車發(fā)展

程振彪

1967年畢業(yè)于中山大學(xué)，研究員級(jí)高級(jí)工程師，享受國(guó)務(wù)院特殊津貼專家（終身），武漢市汽車行業(yè)協(xié)會(huì)顧問，中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員，江漢大學(xué)特聘客座研究員，歷任東風(fēng)汽車公司科技情報(bào)研究所總工程師、東風(fēng)汽車公司副總工程師。

長(zhǎng)期以來，程振彪一直致力于國(guó)內(nèi)外汽車技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展跟蹤研究，成果甚豐，已出版專著、譯著數(shù)十部，共計(jì)1000余萬字，先后獲國(guó)家、部（?。┘?jí)等各類獎(jiǎng)項(xiàng)及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)36項(xiàng)，為東風(fēng)汽車公司及中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，在全國(guó)汽車行業(yè)乃至機(jī)械行業(yè)都產(chǎn)生了廣泛影響。

程振彪曾先后被評(píng)為十堰市勞模、東風(fēng)汽車公司勞模，全國(guó)科技情報(bào)先進(jìn)工作者，東風(fēng)汽車公司首批杰出人才，中國(guó)汽車工業(yè)杰出人物，東風(fēng)汽車公司建設(shè)功勛等。

四、燃料電池汽車近期技術(shù)與成本獲重大突破

（一）總體進(jìn)步超出預(yù)期

最近幾年，尤其是自全球爆發(fā)金融危機(jī)和世界汽車產(chǎn)業(yè)受到較大沖擊的時(shí)期以來，當(dāng)我國(guó)采取各種措施旨在刺激傳統(tǒng)（汽柴油）汽車恢復(fù)高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)之際，國(guó)際上有不少國(guó)家和跨國(guó)汽車公司，卻埋頭對(duì)氫燃料電池汽車核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，盡最大努力以創(chuàng)新而驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展，從根本上化解前進(jìn)道路上遭遇的困難與障礙。進(jìn)步呈突飛猛進(jìn)之勢(shì)，其成果無論從質(zhì)還是量上來看，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前十年的。總括來看，可以肯定地說，現(xiàn)今，氫燃料電池汽車壽命已遠(yuǎn)超商業(yè)化預(yù)期，主要指標(biāo)與傳統(tǒng)汽車相接近，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純電動(dòng)汽車，整車成本成倍下降，售價(jià)已至市場(chǎng)所能接受的程度（考慮到政策優(yōu)惠因素）。中國(guó)工程院院士衣寶廉認(rèn)為，從世界范圍看，現(xiàn)在燃料電池汽車存在的主要（技術(shù)）問題已基本解決。

決定氫燃料電池汽車“前途和命運(yùn)”的關(guān)鍵所在，即核心部件燃料電池堆及燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，其技術(shù)近年取得革命性重大突破：電堆功率密度大幅提升，據(jù)有關(guān)資料稱，現(xiàn)今國(guó)際先進(jìn)水平已經(jīng)達(dá)到3kW/L（豐田新上市的燃料電池汽車的該指標(biāo)甚至比此還要高），超過美國(guó)能源部曾經(jīng)制定的、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的2020年規(guī)劃指標(biāo)要求；燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能（包括可靠性和穩(wěn)定性等）得到全面改善和提高，系統(tǒng)使用壽命普遍達(dá)到5000小時(shí)免維護(hù)運(yùn)行（個(gè)別企業(yè)甚至達(dá)到8000小時(shí)和更多，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司氫燃料電池大客車的使用壽命為1.2萬小時(shí)），這也是美國(guó)能源部至2020年要達(dá)到的規(guī)劃指標(biāo)；燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)溫度已經(jīng)達(dá)到-30℃，一些企業(yè)的車型在極其寒冷的北極進(jìn)行實(shí)地測(cè)試也沒有出現(xiàn)什么問題，完全滿足美國(guó)能源部2020年規(guī)劃中的相關(guān)指標(biāo)要求。這意味著，氫燃料電池汽車的特殊難題——冷起動(dòng)技術(shù)瓶頸已經(jīng)破除?，F(xiàn)今，國(guó)際上燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)性能和質(zhì)量都已達(dá)到實(shí)用化、商業(yè)化要求。同樣，一直困擾氫燃料電池汽車發(fā)展的成本高昂?jiǎn)栴}也獲得根本性解決。美國(guó)能源部的有關(guān)報(bào)告顯示，國(guó)際上從事燃料電池汽車研發(fā)的主流企業(yè)，其燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的成本，現(xiàn)今與21世紀(jì)初相比下降80%～95%，比價(jià)格大致為49美元/kW（按年產(chǎn)50萬臺(tái)計(jì)算），這已非常接近內(nèi)燃機(jī)的30美元/kW。車載儲(chǔ)氫技術(shù)也獲得重大突破，氫儲(chǔ)罐壓力由上一代車型的35Mpa升級(jí)到70Mpa，由此大大提高了汽車的續(xù)駛里程。而氫的獲取對(duì)燃料電池汽車來說，也并不是什么難事，已有多種成熟技術(shù)可供選擇。

由于成本大幅度下降，國(guó)際主流企業(yè)即將推出最新一代的氫燃料電池汽車預(yù)定售價(jià)，已與同類型混合動(dòng)力汽車的相近或相當(dāng)，算是很有競(jìng)爭(zhēng)力了。

（二）整車技術(shù)性能接近傳統(tǒng)汽車

由于電池堆功率密度的顯著提高，使得大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的體積大大縮小，從而可將之集成到現(xiàn)有轎車車型上，不會(huì)妨礙整車布局和相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。日、韓等國(guó)有關(guān)企業(yè)的新一代氫燃料電池汽車，其最大輸出功率均已至100kW（約合136馬力），這與傳統(tǒng)汽柴油中級(jí)轎車的功率大體相當(dāng)；最高車速160～170公里/小時(shí)，一次加注氫氣只需3～4分鐘，可連續(xù)行駛500公里乃至更遠(yuǎn)，此與傳統(tǒng)汽車也沒有多大差別，而能耗只相當(dāng)于每百公里3.3L汽油，排放為零。豐田于2015年量產(chǎn)的一種氫燃料電池汽車，從零加速至60公里/小時(shí)，所需時(shí)間約為10秒，與傳統(tǒng)汽車的加速性能相接近。

采用混合動(dòng)力技術(shù)，明顯改善和提高了氫燃料電池汽車性能。多年前，本研究者曾對(duì)混合動(dòng)力作了一個(gè)“是動(dòng)力學(xué)中通用技術(shù)”的定義，現(xiàn)今已被學(xué)界和業(yè)界廣泛認(rèn)可。包括汽車在內(nèi)的工業(yè)界，越來越多的應(yīng)用實(shí)例表明，在某些情況下，采用混合動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式，是一個(gè)比較合理而有效的選擇。盡管其有結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜的一面，但更有可發(fā)揮兩種不同動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和彌補(bǔ)各自不足的另一面。正是基于混合動(dòng)力的這一基本特性，豐田才以一貫之地堅(jiān)持自己獨(dú)特的新能源汽車發(fā)展技術(shù)路線——從混合動(dòng)力汽車到氫燃料電池汽車。迄今為止，在世界新能源汽車領(lǐng)域，只有該公司的混合動(dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)了真正意義上的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。豐田的這一成功經(jīng)驗(yàn)，也啟發(fā)了人們?cè)跉淙剂想姵仄囇邪l(fā)上采取新的技術(shù)方案。在早期階段，氫燃料電池汽車一般只搭載燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。而如今，國(guó)際主流企業(yè)皆采用電/電混合動(dòng)力模式，即主動(dòng)力為燃料電池堆，同時(shí)配備傳統(tǒng)蓄電池（例如鋰離子電池等）作為輔助動(dòng)力。由此，不僅有利于燃料電池堆實(shí)現(xiàn)小型化，而且也增強(qiáng)了汽車的動(dòng)力性能，避免或消除了如前所述的汽車加速困難等缺陷，并且還能回收制動(dòng)能，提高了整車性能，擴(kuò)大了氫燃料電池汽車的優(yōu)越性。從這個(gè)意義上講，現(xiàn)今時(shí)代的氫燃料電池汽車，也是混合動(dòng)力汽車之一種，而且是更高級(jí)別的零排放（純電）混合動(dòng)力汽車。

（三）燃料電池材料技術(shù)創(chuàng)新成果多多

質(zhì)子膜是燃料電池的核心部件，其性能的優(yōu)劣決定燃料電池的“發(fā)電”效率。傳統(tǒng)的質(zhì)子膜一直以來存在的一個(gè)技術(shù)難題，就是燃料容易滲透，如此，就導(dǎo)致燃料電池“發(fā)電”效率降低和損害其使用壽命。最近，中國(guó)學(xué)者與英國(guó)科學(xué)家合作研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能夠隔絕所有氣體和液體，而對(duì)質(zhì)子卻能“網(wǎng)開一面”，令其暢通無阻。這一重大發(fā)現(xiàn)有可能給燃料電池技術(shù)帶來革命性變化。通過使用石墨烯材料或單層氮化硼不僅可讓現(xiàn)有的質(zhì)子膜更薄、更輕和更高效工作，而且燃料滲透極少，毒性也低——這將大大提高燃料電池的技術(shù)性能與可靠性。

通過改進(jìn)膜電極的處理工藝和優(yōu)化其介孔結(jié)構(gòu)，使鉑基催化劑的效能提高了8倍，由此，也就大大減少了鉑金屬的使用量，而用量減少，對(duì)降低燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本至關(guān)重要。通過改善和提高催化劑的耐久性和使用壽命，也使得鉑總用量大幅減少。毫無疑問，未來在燃料電池堆材料領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步還會(huì)加快，鉑用量減少的潛力仍然巨大。據(jù)稱，豐田正在研發(fā)一種基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的所謂“核殼催化劑”技術(shù)，可明顯減少鉑使用量。該新型催化劑的表面由鉑微粒構(gòu)成，承擔(dān)催化作用，而只承擔(dān)鉑負(fù)載作用的內(nèi)核部分，則由更廉價(jià)的其它材料微粒構(gòu)成，由此大大減少了鉑用量。該公司宣稱，過去國(guó)際鉑用量的先進(jìn)水平是每千瓦1克，現(xiàn)在其推出的燃料電池轎車已降至0.3克以下，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已到0.1克。基于納米技術(shù)及其它先進(jìn)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用，據(jù)稱，豐田未來的氫燃料電池SUV車型，每輛份的鉑用量與現(xiàn)今的車型相比，還可再減少約三分之一，接近于現(xiàn)今的燃油汽車尾氣凈化器所用催化劑的鉑載量。據(jù)有關(guān)科技文獻(xiàn)報(bào)道，美國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出具有創(chuàng)新性的三維“納米框架”催化劑，其在催化陽極氧化反應(yīng)方面的性能，超過了常規(guī)的鉑——碳微粒催化劑，甚至大大超過了美國(guó)能源部對(duì)該技術(shù)預(yù)計(jì)的在2017年可能達(dá)到的技術(shù)水平。最近幾年，世界上關(guān)于燃料電池催化劑的研究很重要的一個(gè)方面，是通過合金將鉑同其它比較廉價(jià)的金屬而結(jié)合，形成相應(yīng)的合金，在降低催化劑價(jià)格的前提下，保證其性能不會(huì)受到損害。如德國(guó)的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)，就開發(fā)出一種鉑鎳納米粒子（呈正八面體形狀）用作催化劑，可使燃料電池中鉑用量減少90% 。另外一種改進(jìn)方法，是開發(fā)中空、籠形、多孔材料，以便在其中加入更少量的貴金屬催化劑。當(dāng)然，為氫燃料電池汽車更長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展計(jì)，業(yè)界也正在研究開發(fā)非鉑催化劑之類的替代品技術(shù)，例如所謂的堿性膜燃料電池就不使用鉑催化劑，但效果頗顯遜色，還需進(jìn)一步改善和提高其性能，才可望滿足實(shí)用化要求。

近期，美國(guó)萊斯大學(xué)Tour實(shí)驗(yàn)室的研究人員，成功開發(fā)出一種成本很低的燃料電池催化劑解決方案。該種催化劑利用激光使得石墨烯與各類金屬納米顆粒相結(jié)合，將結(jié)合后得到的金屬激光氧化物嵌入石墨烯本體內(nèi)。此催化劑可在電化學(xué)氧化還原反應(yīng)中保持很高的活性，可催化氧還原反應(yīng)，提高制氫效率。由此可替代昂貴的鉑而用作燃料電池催化劑。

燃料電池極板已從第一代碳板發(fā)展到第二代超薄超輕的不銹鋼板，以此構(gòu)建的電池堆體積小而輕，不僅有利于整車自重的減輕，而且也為氫燃料電池轎車的整車合理布局提供了“位置、空間”上的便利條件。

（四）車載儲(chǔ)氫技術(shù)已經(jīng)成熟

安全、可靠、實(shí)用的車載儲(chǔ)氫技術(shù)，對(duì)氫燃料電池汽車走向市場(chǎng)也很重要。多年來，各有關(guān)汽車企業(yè)及專業(yè)科研機(jī)構(gòu)，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)不斷地進(jìn)行深入、系統(tǒng)研究，并取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展與突破。從理論上講，在汽車上，以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫、固體（固態(tài)）金屬氫化物儲(chǔ)氫、納米碳管儲(chǔ)氫等等方式，都可以向燃料電池源源不斷地提供氫而使之“發(fā)電”，用以驅(qū)動(dòng)汽車行駛。不過，迄今為止，應(yīng)用得最普遍的，或者說比較成熟而經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案，是以一定壓力將氫氣壓縮、密封在耐壓的儲(chǔ)罐（或容器）而放置于車內(nèi)。其他技術(shù)方案，人們還在進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。其中的任何一種，如果在技術(shù)和制造成本上取得重要突破，則有望取代高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。

目前，國(guó)際上研發(fā)氫燃料電池汽車的主流企業(yè)，多采用高壓氣態(tài)車載儲(chǔ)氫方式，儲(chǔ)氫罐內(nèi)膽使用鋁合金材料制造，用增強(qiáng)碳纖維纏繞而構(gòu)成外殼。儲(chǔ)氫罐的壓力從早期的35Mpa提高到現(xiàn)階段的70Mpa，儲(chǔ)氫量較之前增加30%以上。這樣，汽車上安裝一個(gè)儲(chǔ)氫罐在減少車輛自重的情況下，也能保證所需要的續(xù)駛里程。據(jù)稱，此種新型結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氫罐甚為安全可靠，使用壽命可達(dá)15年，超過了汽車通常的使用年限。據(jù)有關(guān)資料介紹，豐田現(xiàn)今擁有35Mpa和70Mpa兩種氫燃料電池汽車用高壓儲(chǔ)氫罐技術(shù)，其特點(diǎn)是，為防止氫泄漏，在內(nèi)膽的襯套上覆蓋一層具有高強(qiáng)度防滲漏功能的尼龍樹脂，并使用碳纖維（這種材料由日本東麗公司制造，在相同體積下，此材料的重量?jī)H為鐵的四分之一，而強(qiáng)度則是鐵的10倍。除用于儲(chǔ)罐外，還用于車身制造等）纏繞外側(cè)，從而 構(gòu)成雙重結(jié)構(gòu)，既輕強(qiáng)度又高。為進(jìn)一步降低整車自重，使儲(chǔ)氫罐存儲(chǔ)更多的氫燃料，國(guó)際上當(dāng)前還研究用性能優(yōu)越的工程塑料制造儲(chǔ)氫罐的內(nèi)膽，其外用增強(qiáng)碳纖維纏繞，但此種儲(chǔ)罐目前還未廣泛實(shí)際應(yīng)用，仍處于不斷完善之中。

據(jù)報(bào)道，為推動(dòng)清潔的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也在深入研究各種各樣的儲(chǔ)氫技術(shù)與方法，而燃料電池汽車正是這類技術(shù)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，中科院大連化物所的有關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，正在對(duì)固體儲(chǔ)氫材料進(jìn)行研究，并創(chuàng)造性地將氮元素引入儲(chǔ)氫材料中，開創(chuàng)和建立起金屬氮基儲(chǔ)氫材料體系，可在溫和（即非極端）條件下高效儲(chǔ)氫，并在需要的時(shí)候順利釋放。該項(xiàng)技術(shù)在成熟后如能達(dá)到實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化，則可望應(yīng)用于氫燃料電池汽車。再如，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）可持續(xù)能源實(shí)驗(yàn)室，已成功開發(fā)出一種有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，并以此（技術(shù)）作價(jià)入股的方式，與江蘇省上市公司——富瑞特裝合作，赴張家巷市進(jìn)行轉(zhuǎn)化。據(jù)稱，該項(xiàng)技術(shù)可將氫氣在常溫常壓下，溶解在一種特殊液體中，用類似于普通礦泉水瓶的容器也能裝載運(yùn)輸，使用時(shí)，再促使氫氣釋放出來。據(jù)該實(shí)驗(yàn)室主任、美籍華人科學(xué)家程寒松介紹，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)很成熟，符合量產(chǎn)條件。未來，人們到加氫站為氫燃料電池汽車的相關(guān)容器注入液態(tài)氫化合物，通過車上的一個(gè)反應(yīng)器將氫釋放出來，提供給燃料電池“發(fā)電”而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。一罐（或容器）80L的氫化合物，可供汽車連續(xù)行駛500多公里。除此之外，近期，中科院大連化物所的有關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)鋰的亞氫基化合物與氮化鐵復(fù)合后，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化氨分解制氫活性。這為車載安全儲(chǔ)氫制氫提供了一種新思路。氨具有較高的含氫量（約18%）。較高的能量密度（4kWh/kg）和易于儲(chǔ)存的特性，若作為燃料電池汽車的儲(chǔ)氫介質(zhì)存放于氨罐（容器）內(nèi)，則相當(dāng)安全可靠。通過相關(guān)的技術(shù)途徑，采用氨分解催化劑制氫而再供應(yīng)給燃料電池“發(fā)電”。接下來，化物所的有關(guān)科研人員將對(duì)相關(guān)材料的制備和催化劑進(jìn)行優(yōu)化，不久即可裝車進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)試。

在燃料電池汽車發(fā)展的早期，諸如通用、奔馳等公司都曾推出過甲醇燃料電池汽車。就是把甲醇作為氫的存儲(chǔ)介質(zhì)，車上燃料存儲(chǔ)器內(nèi)盛的是甲醇，汽車工作運(yùn)行時(shí)，通過一套改質(zhì)（重整）器把氫再?gòu)募状祭锾崛〕鰜矶┙o燃料電池。當(dāng)然，如果甲醇是由化石能源而制取，則此種技術(shù)方案是不可取的，因?yàn)榕c發(fā)展燃料電池汽車的初衷不相符。但若是遵循“化害為利、廢物利用”原則而獲得氫，則就應(yīng)該大力提倡。據(jù)有關(guān)媒體報(bào)道，最近國(guó)際、國(guó)內(nèi)都已研發(fā)出一種技術(shù)，用氫處理從空氣中捕獲的二氧化碳而制取甲醇，以此作為向燃料電池供氫的介質(zhì)。

（五）多種制氫技術(shù)可供選擇

盡管如前所述，氫能資源豐富，氫元素?zé)o處不在，但要將之從各種氫化物中提取或分離出來并非易事。因此，欲大力發(fā)展氫燃料電池汽車，開發(fā)和掌握先進(jìn)適用的制氫技術(shù)也應(yīng)隨之跟進(jìn)。既然氫燃料電池汽車是滿足可持續(xù)發(fā)展要求最環(huán)保的汽車產(chǎn)品，那么其使用的燃料之制取也應(yīng)符合節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的原則。這與純電動(dòng)汽車只有使用清潔可再生能源之電力才算真正環(huán)保節(jié)能是同樣的道理?；诖苏J(rèn)識(shí)，時(shí)至今日，日本、歐洲諸國(guó)等，對(duì)作為清潔能源的氫已不再（或基本上不）使用化石能源（如天然氣等）傳統(tǒng)方法來制取，而是采用基于清潔可再生能源電解水制氫、（陽）光（直接）解水制氫、生物質(zhì)制氫和遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)及“廢物利用、化害為利”原則的制氫技術(shù)。以下對(duì)此略加介紹。

1、電解水制氫

迄今，工業(yè)電解水制氫技術(shù)已很成熟，只不過需要耗費(fèi)電能和為加快反應(yīng)，提高制氫效率而使用貴重金屬作為催化劑。采用來源于清潔可再生的風(fēng)能、太陽能等等之電力而電解水和應(yīng)用資源更豐富、成本更低的催化劑，是當(dāng)前國(guó)際上電解水制氫技術(shù)的明顯發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)有關(guān)資料介紹，為迎接氫燃料電池汽車較廣泛應(yīng)用熱潮的到來，日本正在興建的加氫站，如果氫是產(chǎn)自國(guó)內(nèi)，則政府原則上要求是經(jīng)清潔的、可持續(xù)的途徑而獲??；西歐各主要國(guó)家的情況亦大致如此。

在研究開發(fā)高效廉價(jià)電解水催化技術(shù)方面，加拿大、美國(guó)等已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展成果。據(jù)稱，加拿大卡爾加里大學(xué)研發(fā)了一種類似于鐵銹的普通金屬（化合物）作為電解水的催化劑，其成本比傳統(tǒng)的貴重金屬催化劑降低約千倍，而電解水制氫效率則高達(dá)70%～90%。為轉(zhuǎn)化該項(xiàng)研究成果，相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)還專門成立了所謂的“水火燃料公司”。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部資助的賓夕法尼亞大學(xué)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)，最近研制成功一種由礦藏儲(chǔ)量豐富且廉價(jià)的磷和鎳構(gòu)成的磷化鎳納米粒子，作為電解水制氫的催化劑，可使制氫反應(yīng)加快，效率提高，讓更經(jīng)濟(jì)地獲取清潔的氫能成為可能。與此相類似的，是美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)出一種新的納米片狀結(jié)構(gòu)鎳鉬氮化物催化劑，性能優(yōu)異，價(jià)格又低廉，可替代鉑金屬催化劑而用于電解水制氫。此外，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，近期也開發(fā)出一種所謂“一舉三得”的電解海水新技術(shù)，既能吸收大氣中的二氧化碳，又能制取氫燃料，同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的堿性物質(zhì)，還能抵消海洋酸化。

據(jù)稱，澳大利亞有關(guān)科學(xué)家近期也發(fā)明了一種新型電極，可低成本、高效電解水，有望用于大規(guī)模制氫，以獲取清潔燃料。該技術(shù)采用了一種價(jià)格低廉、有特殊涂層的泡沫狀多孔材料，能使電解水產(chǎn)生的氧氣快速逸散，從而可更有效的制取和收集氫氣。在這項(xiàng)研究中，有關(guān)的科學(xué)家采用市場(chǎng)上常見的泡沫鎳，以一種活性很高的鎳鐵催化劑對(duì)其進(jìn)行電鍍，制成電極。泡沫鎳材料內(nèi)部充滿了微孔，超薄的鎳鐵復(fù)合物鍍層里也有很多微孔，使得電極的表面積很大，有利于電解過程中生成的氧氣釋放和逸散，從而可提高制氫效率。前不久，德國(guó)柏林赫爾姆茨太陽能燃料研究所應(yīng)用特殊納米材料，可使太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率達(dá)到80%。通常，太陽能的能源轉(zhuǎn)換效率較低，難以滿足電解水的需要。而該所為此開發(fā)出一種納米電極，大大提高了太陽能轉(zhuǎn)換成電能的效率，從而提高了電解水的制氫能力。該所表示，在進(jìn)一步完善優(yōu)化此項(xiàng)新技術(shù)后，將與一家企業(yè)合作，進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。

2、光解水制氫

前面介紹的電解水制氫技術(shù)，其所用電力（為二次能源）盡管來自清潔的可再生能源，諸如風(fēng)能、太陽能等等，但畢竟不是用一次能源直接來制取，其中間環(huán)節(jié)必然會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面結(jié)果（或影響）。20世紀(jì)70年代，日本科學(xué)家通過光照射（半導(dǎo)體）二氧化鈦電極，導(dǎo)致水分解而產(chǎn)生氫，開創(chuàng)了光分解水制氫技術(shù)研究之先河。隨著由電極電解水演變?yōu)槎嘞啻呋纸馑约霸S多新型光催化劑的相繼研制開發(fā)成功，近年來，日、歐、美等興起了以光催化方法分解水制氫技術(shù)的開發(fā)研究熱潮，并取得令人矚目的進(jìn)展。其一旦取得重大突破并付諸工業(yè)化應(yīng)用，將極大推動(dòng)“氫能經(jīng)濟(jì)”和氫燃料電池汽車的快速發(fā)展。世界著名的創(chuàng)新者和最成功的企業(yè)家之一的比爾蓋茨，從微軟卸任后，于2009年成立了諾德——科斯拉基金會(huì)，專門從事清潔可再生能源慈善事業(yè)。據(jù)稱，蓋茨除了看好其他多種清潔可再生能源外，還看好光化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。他所稱的光化學(xué)技術(shù)，主要指基于樹葉化學(xué)反應(yīng)的人工光合（作用）技術(shù)，以此利用太陽能解水制氫?，F(xiàn)今階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)光解水制氫技術(shù)的研究開發(fā)，多集中于新型高效低成本催化劑和構(gòu)建人工光合以及集成自然與人工光合（作用）為一體的制氫工程體系方面。以下對(duì)此略加介紹。

美國(guó)加州理工學(xué)院約根森實(shí)驗(yàn)室，是美國(guó)能源部投資1.16億美元、擁有190余名研究人員的“人工光合作用聯(lián)合研究中心（JCAP）”的總部，其研究的主要目標(biāo)，不僅要建立一個(gè)通過太陽能直接制取氫的“人造樹葉”系統(tǒng)，并使之制氫效率超過真正的樹葉，而且還要促使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程化和實(shí)用化。據(jù)稱，該實(shí)驗(yàn)室的這種“人造樹葉”第一代原型機(jī)于2014年底投入試運(yùn)轉(zhuǎn)。近期，以色列理工學(xué)院太陽能燃料集優(yōu)研究中心研發(fā)出一種新的光解水制氫方法，此基于納米材料技術(shù)的發(fā)明，使低成本光解水制氫成為可能；如果嫁接光伏電池技術(shù)，則可能催生制氫光伏產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和光解水制氫兩個(gè)綠色能源生產(chǎn)方式的結(jié)合。用集成串聯(lián)光伏電池實(shí)現(xiàn)光解水制氫是一種技術(shù)創(chuàng)新，在光伏發(fā)電的同時(shí)制氫、儲(chǔ)氫。基于納米技術(shù)的超薄鐵氧化物膜可用于采光和存儲(chǔ)光，具有高效人工光合作用，其制氫能力是自然光合作用的10倍。

我國(guó)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)也在對(duì)光解水制氫的基礎(chǔ)理論和技術(shù)進(jìn)行深入研究，并取得喜人成果。中國(guó)科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，近期提出了一種新的光解水催化機(jī)制，使得利用紅外光進(jìn)行光解水制氫成為可能。眾所周知，光解水制氫，可為人類源源不斷地提供清潔能源，一直被稱為化學(xué)的“圣杯”。水分解是吸熱反應(yīng)，傳統(tǒng)上的理論，要求光催化劑吸收的單個(gè)光子能量至少要大于反應(yīng)吸熱，因而，占太陽光能量近一半的紅外光緣于單個(gè)光子能量太低無法被吸收分解水制氫。該實(shí)驗(yàn)室提出本身具有電偶極矩的二維納米催化劑，可突破傳統(tǒng)理論對(duì)催化劑吸收單個(gè)光子能量的限制，用紅外光也能分解水制氫（見2014年1月13日《科技日?qǐng)?bào)》）。中科大這個(gè)實(shí)驗(yàn)室取得的另外一個(gè)重要研究成果，是揭示了作為光解水制氫重要材料——二氧化鈦表面光催化反應(yīng)的微觀機(jī)制，從而向人們展現(xiàn)了光解水制氫技術(shù)發(fā)展的光明前景。最近，中科院大連化物所的有關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，在人工光合作用研究項(xiàng)目上也取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了利用太陽光分解水制氫和氧的反應(yīng)。該研究團(tuán)隊(duì)提出了復(fù)合人工光合體系的創(chuàng)新性理念，嘗試雜化集成自然和人工光合體系的優(yōu)勢(shì)，建立自然光合和人工光合的復(fù)合雜化體系，以實(shí)現(xiàn)從太陽能到化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)化。研究人員利用光合酶PS11和人工催化劑的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了植物PS11和半導(dǎo)體光催化劑的自組裝成雜化光合體系，在可見光照射下，實(shí)現(xiàn)了分解水生產(chǎn)氫和氧氣。此項(xiàng)研究為進(jìn)一步發(fā)展和完善自然——人工雜化的太陽能光合體系而生產(chǎn)清潔能源提供了新思路。

除以上基礎(chǔ)性研究成果外，我國(guó)還有多家研究機(jī)構(gòu)（或團(tuán)隊(duì)）目前也在從事光催化技術(shù)研究，并取得長(zhǎng)足進(jìn)展。中國(guó)科技大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)近期首次揭示了硅納米線表面“光解水制氫”機(jī)制，為其制氫性能的提高找到新的途徑。在充分了解此種光解水制氫機(jī)制之后，相關(guān)人員開發(fā)出了一類基于常規(guī)半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的表面化學(xué)處理方法，提出了新的表面處理工藝思路，為開發(fā)高效、自然界豐富的光催化劑的合理設(shè)計(jì)也具有重要作用。南京大學(xué)鄒志剛教授的團(tuán)隊(duì)也開展了國(guó)家937項(xiàng)目框架下的可見光響應(yīng)光催化材料及在能源與環(huán)境中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，其技術(shù)成果是利用太陽可見光將水分解成氫和氧，轉(zhuǎn)化效率達(dá)6%，為國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)預(yù)計(jì)，到第二期937項(xiàng)目結(jié)題時(shí)，我國(guó)的光催化解水制氫轉(zhuǎn)化率可達(dá)8%，接近美國(guó)能源部制定的10%商業(yè)化利用目標(biāo)。這也為燃料電池汽車的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，創(chuàng)造了條件，開辟了光明前景。

3、基于“循環(huán)經(jīng)濟(jì)和廢物利用、化害為利”原則的制氫方式

大力推廣利用工業(yè)副產(chǎn)品制氫，可使我國(guó)更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更節(jié)約地獲取大量氫能。過去，許多焦炭及鋼鐵企業(yè)皆將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t氣白白燒掉，不僅浪費(fèi)了寶貴的資源，而且也污染了環(huán)境。而今，諸如武鋼、寶鋼、本鋼、鞍鋼等，均已制造出多套焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫裝置，每年可生產(chǎn)大量氫氣。另外，我國(guó)是世界第一產(chǎn)煤大國(guó)，瓦斯突發(fā)事故時(shí)有發(fā)生，危害甚重。為減少和避免這一類事故和災(zāi)難的發(fā)生，許多煤礦都已采用先抽出瓦斯再采煤的作業(yè)方式。抽出的瓦斯主要成份是甲烷，其含氫量高達(dá)75%左右，經(jīng)過進(jìn)一步加工處理，可以成為寶貴的氫能?，F(xiàn)今，我國(guó)在甲烷高效轉(zhuǎn)化研究中已獲重大突破，創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了甲烷在無氧條件下選擇活化，一步高效生產(chǎn)乙烯、芳烴和氫氣等高值化學(xué)品，并且相對(duì)傳統(tǒng)方式大大縮短了工藝路線，反應(yīng)過程本身二氧化碳零排放，碳原子利用效率達(dá)到100%。為大規(guī)模利用和深加工焦?fàn)t氣，我國(guó)已在江西建成大型焦?fàn)t氣制液化天然氣裝置，年處理焦?fàn)t氣8億立方米。該項(xiàng)目的創(chuàng)新性技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：催化劑同時(shí)具備完成甲烷化、脫氧和多碳烴轉(zhuǎn)化三個(gè)功能，在制取液化天然氣的同時(shí)，還可獲得99.99%的純氫。

近期，中國(guó)和澳大利亞科學(xué)家在光電催化——化學(xué)耦合分解硫化氫研究中取得重要進(jìn)展，將工業(yè)污染物硫化氫分解成為重要的化學(xué)品單質(zhì)硫和能源分子氫，可謂變廢為寶，“化腐朽為神奇”。眾所周知，硫化氫是一種有毒的化學(xué)品，廣泛存在于自然界，尤其大量副產(chǎn)于石油加氫精制過程中，傳統(tǒng)的克勞斯處理方法，雖然可將硫化氫進(jìn)行部分氧化得到硫和水，但卻損失了寶貴的氫，不能充分利用硫化氫資源。而新的方法，在可見光下，以硫化氫作為原料，可以高效制氫，量子效率高達(dá)93%。韓國(guó)是世界積極推進(jìn)氫燃料電池汽車發(fā)展的國(guó)家之一。2011年6月，世界首座利用垃圾填埋氣（LFG）制取氫氣并為燃料電池汽車提供燃料的加氫站，在首爾市世界杯公園落成。這里原是蘭芝島垃圾填埋場(chǎng)，所堆垃圾曾一度達(dá)到9200萬噸，形成了兩座高達(dá)90多米、面積50多萬平方米的“垃圾山”。被填埋的巨量垃圾在降解過程中會(huì)產(chǎn)生甲烷、硫化氫、氯乙烯等有毒或易燃易爆的LFG，處理不當(dāng)，會(huì)存在極高的風(fēng)險(xiǎn)，而若善加利用，則可成為寶貴的能源。據(jù)稱，該市在處理“垃圾山”時(shí)，共建造了106處垃圾填埋氣捕捉管道，這些氣體經(jīng)由發(fā)熱設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑸槭澜绫w育場(chǎng)及周邊樓房供暖。利用垃圾填埋氣制氫，則是從2009年開始的。目前，有6根管道被專用于這個(gè)加氫站，利用甲烷通過相應(yīng)反應(yīng)提取氫氣，經(jīng)進(jìn)一步提純后，再提供給氫燃料電池汽車。此站點(diǎn)日均制氫720立方米，可加注充滿20至24輛小轎車或5輛大巴車的儲(chǔ)氫罐。而720立方米氫氣，理論上講，可供一輛氫燃料電池汽車行駛7000公里。

與韓國(guó)相比，當(dāng)下日本在遵循“循環(huán)經(jīng)濟(jì)，廢物利用”原則的道路上，步子邁得更快、更大，普及程度更高。例如，日本正在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，開發(fā)利用下水道的污泥污水制氫，變廢為寶。由此而獲得的氫，或提供給燃料電池汽車作為動(dòng)力燃料，或者輸送至分布式燃料電池“發(fā)電站”（或稱供電站）作為“發(fā)電”的燃料使用。據(jù)介紹，三菱化工機(jī)公司2015年3月，在福岡市建立了日本首個(gè)以淤泥為主要原料制氫的工廠。在這里，通過淤（污）泥發(fā)酵產(chǎn)生生物氣體而制取氫，每天能生產(chǎn)可供60輛燃料電池汽車使用的氫。以此法制取的氫，每立方米成本約折合0.67美元，這樣，燃料電池汽車的燃料費(fèi)用就與混合動(dòng)力汽車的大致相當(dāng)?；谠搩?yōu)勢(shì)，這家公司生產(chǎn)的小型制氫設(shè)備在日本市場(chǎng)上很走俏。經(jīng)營(yíng)水處理業(yè)務(wù)的美德華公司，則決定大力發(fā)展分布式燃料電池供電系統(tǒng)（設(shè)備），通過污（淤）泥為原料制氫進(jìn)而把燃料電池“發(fā)電”能力提高80%。為方便利用污（淤）泥為原料而制取的氫，該公司就把分布式燃料電池供電站與下水道污（淤）泥、污水處理站建在一處。目前，該公司已在五處污（淤）泥、污水處理站建設(shè)了燃料電池發(fā)（供）電站，利用發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣體而提取獲得的氫供給燃料電池“發(fā)電”，可獲得1500千瓦的電能。據(jù)稱，至2015年財(cái)年底，該公司這樣的發(fā)電站將增至8個(gè)，發(fā)電功率提高到2700千瓦。東京瓦斯公司已與橫濱市聯(lián)手，著手研究以廢物產(chǎn)生的生物氣體而制氫，計(jì)劃在2020年之前，在該市建立起以氫為能源的供電供能體制。迄今為止，橫濱市每年由處理城市各種垃圾和廢物而產(chǎn)生的生物氣體，都只作為焚燒爐的輔助燃料。據(jù)日本國(guó)土交通省提供的數(shù)據(jù)，該國(guó)共約有300個(gè)使用污（淤）泥發(fā)酵產(chǎn)生生物氣體的下水道污物處理設(shè)施，過去每年產(chǎn)生的30%的生物氣體（約為500萬立方米）未經(jīng)利用而直接排入空中，嚴(yán)重污染環(huán)境，使溫室氣體增多。若將這些未被利用的氣體轉(zhuǎn)化為氫，則可供約260萬輛燃料電池汽車使用。

由殼牌石油公司資助的一個(gè)美國(guó)研究項(xiàng)目表明，可把資源豐富的、過去一直被丟棄的玉米廢料——苞葉和秸桿，通過相應(yīng)的技術(shù)，使之所含的糖分全部轉(zhuǎn)化為氫。承擔(dān)該項(xiàng)研究的弗吉尼亞理工學(xué)院的有關(guān)科研人員稱，他們把這些農(nóng)業(yè)廢料與一種含有10種酶的水性溶液相混合，使制取工藝達(dá)到最優(yōu)化，可把此類植物所含的木糖與葡萄糖轉(zhuǎn)化為氫，整個(gè)工藝過程碳值是恒定的，反應(yīng)速率比傳統(tǒng)工藝提高16倍。這樣，該工藝技術(shù)就具備了經(jīng)濟(jì)可行性。據(jù)稱，這一技術(shù)突破給燃料電池汽車展現(xiàn)了光明的發(fā)展前景 。

（六）大智慧謀略致成本和售價(jià)更低

國(guó)際上從事氫燃料電池汽車研發(fā)的主流企業(yè)皆知，要使自己的產(chǎn)品走向市場(chǎng)，為消費(fèi)者所接受，僅僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破是不夠的，尚需破除成本高、售價(jià)昂貴的障礙。研究表明，這些公司除了采取上述的諸如改進(jìn)設(shè)計(jì)、應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)等等之類的技術(shù)降成本措施外，還在管理和戰(zhàn)略謀劃上動(dòng)腦筋，下功夫。歸納起來，此方面的措施主要有兩種：一是聯(lián)合研發(fā)，資源共享，成果共享，風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)；二是盡量選用已經(jīng)量產(chǎn)的通用部件，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

為降低研發(fā)費(fèi)用，當(dāng)前，國(guó)際汽車工業(yè)界為推動(dòng)氫燃料電池汽車發(fā)展，已大致形成三大戰(zhàn)略合作聯(lián)盟，即：豐田——寶馬聯(lián)盟；通用——本田聯(lián)盟；戴姆勒——福特——日產(chǎn)/雷諾聯(lián)盟等。

當(dāng)下，各主流企業(yè)為探索氫燃料電池汽車的市場(chǎng)道路，積累經(jīng)驗(yàn)，完善和提高產(chǎn)品，只能以很小的數(shù)量進(jìn)行生產(chǎn)，如此，成本就較高。為降低成本，它們?cè)谄髽I(yè)內(nèi)外兩個(gè)方面尋找促進(jìn)規(guī)模化的方法（或措施）。其一，在保證氫燃料電池汽車自身特征和質(zhì)量安全要求的前提下，選用本企業(yè)現(xiàn)今進(jìn)行批量生產(chǎn)的傳統(tǒng)（汽柴油）汽車和混合動(dòng)力汽車的相關(guān)部件，例如，豐田就在其氫燃料電池汽車上采用了自己已大批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車的電機(jī)等。其二，與本企業(yè)在新能源汽車領(lǐng)域有合作關(guān)系的公司進(jìn)行協(xié)商，在保持各自氫燃料電池汽車品牌特色（特點(diǎn)）的前提下，雙方盡可能采購(gòu)相同的配套零部件，以促使相關(guān)氫燃料電池汽車零部配套廠家形成一定的生產(chǎn)規(guī)模，進(jìn)而降低成本和配套件售價(jià)。

經(jīng)過上述種種努力，現(xiàn)今國(guó)際上主流企業(yè)推出的氫燃料電池汽車成本和售價(jià)與前5～6年相比，已大幅度下降。整車售價(jià)從早先的百萬美元級(jí)下降為當(dāng)前的5～10萬美元級(jí)，即只有過去的5%～10%。例如，豐田公司于2015年量產(chǎn)上市的氫燃料電池汽車，其電池發(fā)動(dòng)機(jī)成本已經(jīng)降到不足六年前同類型車的5%，該款被命名為“未來”的氫燃料電池中級(jí)轎車，在日本市場(chǎng)上的售價(jià)預(yù)計(jì)約為700萬日元，考慮到政府給購(gòu)買者補(bǔ)貼200萬日元，這樣，用戶實(shí)際支付500萬日元（約折合30萬元人民幣），此甚至比特斯拉Model S 型純電動(dòng)汽車還便宜，與同級(jí)別的傳統(tǒng)（汽柴油）名牌轎車（例如寶馬5系車）也并不貴許多，已具相當(dāng)?shù)膬r(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。另外一種較小些的氫燃料電池轎車，其在美國(guó)的售價(jià)低于5萬美元。豐田還宣稱，至2020年若產(chǎn)量達(dá)到1萬輛時(shí)，該氫燃料電池汽車的售價(jià)將與同類型、同級(jí)別的傳統(tǒng)汽車相當(dāng)或相近。另據(jù)報(bào)道，德國(guó)奔馳汽車公司全新的氫燃料電池汽車將于2017年發(fā)布上市。由于更加成熟技術(shù)的應(yīng)用，使其成本大幅下降，售價(jià)將與混合動(dòng)力汽車相接近。