互动科普

如果汽车都使用氢燃料的话，石油消耗量与碳排放量就会大幅下降，但这个梦想还有待实现。

在国际社会中，能源一直是一个老大难问题，为交通工具开发清洁能源更是难上加难。这并非危言耸听：全世界现有汽车7.5亿辆，到了2050年，这个数目预计将是当前的3倍，因为中国、印度和其他国家的高速发展，势必会掀起一波又一波的购车狂潮，而目前用于交通的燃料有97％都来自石油。

眼下，提高燃料经济性也许是减缓石油消耗、降低汽车温室气体排放量的最好办法。不过，即便汽车制造商将现有汽车的燃油效率提高3倍，即便各国政府大力支持公共交通运输系统和理性发展策略，降低人们对汽车的依赖程度，石油的消耗量与二氧化碳的排放量依然会不断上升——面对全球汽车数量的爆炸性增长，上述努力显得苍白无力。要从根本上解决问题，运输部门需要开发低碳、非石油类替代燃料。来自木本植物或由沥青砂、煤合成的液态燃料，或许会在这个过程中扮演重要角色。然而从长期来看，电力、氢燃料才是代表着高效和零排放的理想动力。

遗憾的是，一个致命缺陷阻碍了电动车的商业化：电池组再大也无法存储足够的电力，像汽油发动机一样满足汽车长距离行驶的需要。正是由于这个原因，大多数汽车厂商放弃了这项技术。与此相反，燃料电池汽车没有致命缺陷，面临的技术障碍少，得到了汽车厂商、能源公司和政策制定者们的一致追捧。利用氢燃料和空气中的氧气，燃料电池汽车可以产生强大的动力来推动电动马达，能源的使用效率也是传统汽油车的数倍，最难能可贵的是，它们只排放一种气体——水蒸气。

此外，在制造氢燃料的过程中，不会向大气释放任何温室气体。例如，如果用水电解（用电力将水分解成氢气和氧气）的方法制氢，需要的电能可以来自可再生能源：太阳能电池、风力发电机、水电站和地热设备。另一方面，氢也能用化石燃料制备，如天然气和煤，而副产物二氧化碳则会被收集并深埋到地下。

氢燃料前程似锦，但成功之路却艰难曲折。汽车厂商们必须倾力研制能吸引消费者购买的新型汽车；能源公司必须采用更环保的能源技术制备氢燃料，还得建造新的燃料基础设施，替代现有的汽油精炼和输送系统。氢燃料的时代不会立马到来，在一夜之间解决人类面临的所有问题。或许在几十年之后，氢燃料才能发挥它的威力，开始在全球范围内减少温室气体的排放、降低石油的消耗。人们应该清醒地认识到，走向氢时代是一场马拉松比赛，而不是百米冲刺。

燃料电池的未来

在过去10年中，17个国家制定了开发氢能的计划，投入的研发资金达到了数十亿美元。在北美，美国超过30个州、加拿大有好几个省都在实施类似计划。很多著名汽车公司已经涉足氢能汽车领域，并且毫不吝啬地投入了上亿美元作为研发经费。本田、丰田和通用汽车已经宣布，将在2010年到2020年间实现燃料电池汽车的商业化；汽车厂商和能源公司，包括荷兰壳牌（Shell）、美国雪佛龙（Chevron）和英国石油公司（BP）等，正与当地政府合作，在美国加利福尼亚州、美国西北部、欧洲以及中国示范氢能汽车和小型氢燃料加注网络。

人们对氢的浓厚兴趣，不仅源于它所带来的长期环境效益，还因为它对创新技术的潜在激励作用。对于燃料电池汽车的前景，汽车厂商充满信心，他们认为这类汽车一定能成为一款高档消费品。燃料电池技术的出现，使得汽车只会发出细微的噪音，甚至让驾驶员感觉不到汽车在运行；强劲的加速性能与低廉的维护费用更让人们无法拒绝。用燃料电池和电动机代替内燃机后，汽车的机械与液压系统大为简化，这也为汽车厂商留出了足够的设计空间，可以设计出能效更高的汽车。不仅如此，燃料电池车还可以作为移动电源，为车主的娱乐或商业活动提供电力。在电力紧张、电价昂贵的用电高峰期，燃料电池汽车也可以作为分布式电站，为办公室或者家庭提供低价电源。

不过，要使燃料电池车对广大消费者产生足够的吸引力，汽车厂商必须解决若干技术问题，并降低生产成本。质子交换膜（proton-exchange membrane，PEM）是汽车用燃料电池的一个重要组成部分，作用是隔离氢燃料和氧气。在质子交换膜的一侧，催化剂先将氢原子变成质子与电子，然后质子穿过交换膜，与另一侧的氧原子结合成为水分子。在体积与重量方面，制造商已经努力将质子交换膜燃料电池缩小，即便是应用于小型汽车，也显得游刃有余。但是，质子交换膜燃料电池的问题在于，膜的寿命有限，在使用的过程中，交换膜会逐渐降解。目前，汽车用质子交换膜燃料电池的寿命大约为2,000小时，而要达到商业化的要求，电池的寿命至少要有5,000小时。为此，很多公司都在寻求技术突破。2005年末，一个振奋人心的消息从3M公司(一家以生产透明胶带和便签纸贴而出名的公司)传出，他们的开发人员设计了一款新型燃料电池，有望在未来5年内，使电池的寿命超过4,000小时。

高昂的成本是制约燃料电池商业化的另一大瓶颈。现在的燃料电池汽车是用纯手工打造的，每辆车的造价达到了100万美元。高造价可能与生产规模小有关，如果批量生产燃料电池车，燃料电池推进系统的成本很可能降到6,000美元到1万美元，相当于125美元/千瓦发动机。即便如此，这样的“低价”也是目前内燃机（30美元/千瓦）价格的4倍左右。看来，如果要使燃料电池的价格达到内燃机的水平，必须要在制造材料与生产工艺上下足功夫。对于汽车公司而言，重新设计车型，使之适合于燃料电池，也是降低成本的一个方法。通用汽车公司说，燃料电池车的价格可能最终会低于汽油机汽车，因为比起汽油机，燃料电池的活动部件更少，结构设计也更灵活。

在燃料电池车中，氢燃料的储存问题也令汽车工程师头疼不已。汽车携带的氢燃料必须确保能够行驶合理的路程，比方说300英里（约483千米）。储存气态氢需要大容积的高压储罐。虽然储存液态氢要不了这么大的容积，但必须将氢过冷到-253℃。汽车厂商想利用在压力下吸收氢气的金属氢化物作为燃料电池车的储氢体系，但是这些装置往往异常沉重（大约300千克）。寻找最佳的储氢方法是氢能研发领域的一个世界性难题。在缺乏突破性技术的情况下，当今绝大多数燃料电池车的选择是储存压缩氢气——氢气经巧妙的压缩后，既不会占据过多空间，也不会增加过多重量，使汽车能够行驶较长的里程。2005年，通用汽车、本田与丰田汽车公司展示了一种小型燃料电池汽车，车上以70MPa高压（大约是海平面大气压的700倍）储存的氢气，足以使汽车连续行驶300英里。

最后，不管使用什么新燃料，安全都应该摆在第一位。尽管氢气是易燃气体，但它的着火点要比汽油高，而且在空气中极易扩散，这些都降低了发生火灾的危险。不过氢气也有缺点：一旦与空气混合，不论浓度是高是低，都极易燃烧，而且燃烧时的火焰几乎看不见。好在炼油厂、化工厂以及其他工业厂家每天都要处置大量的氢气，已经积累了多年安全生产的经验。对于氢消费者来说，只要操作得当，安全同样可以得到保证。目前，美国能源部和其他工业集团正为氢燃料制订安全法规与标准。

氢能汽车能否立刻占领汽车市场的大部分份额？降低碳排放量与石油消耗量能否立竿见影？小汽车的使用周期一般为15年，因此汽车的全面更新换代也至少需要这么长时间。通常，当一项新型汽车技术经历了商业化前期的研究、开发、展示后，首先会在一种车型上实现市场化，随后才会逐渐应用到各种车型。例如，汽油－电复合发动机首先用于微型私家车，而后才应用于运动型多功能车（SUV）。随着产量增加，价格便会下降，这也吸引了更多的人购买和使用这种新型车辆。在汽车行业，普及一项新技术，需要25年～60年。复合动力车的基础研究始于20世纪70年代，但直到1993年丰田汽车才开始发展普锐斯（Prius）型复合动力车，于1997年底开始销售。8年后，几大汽车厂商的多款复合动力车仍然只占美国新车销售额的1.2% 。

制造氢气的多种方法

与电一样，氢必定源自另一些能源。当前，大部分氢来自天然气与石油的高温重整（译注：是指国际情况，在我国，大部分氢气来自煤炭）。炼油厂用氢来纯化源于石油的燃料，化工厂用氢来制取氨和其他化合物。现在，制氢消耗了全球能源的2%，而且这个数字还在迅速增长。如果将这些氢全部用于燃料电池汽车，那么1.5亿辆车 (约占世界汽车总数的20%)就解决了“温饱问题”。在炼油厂与化工厂，氢气被制造出来后，大部分立刻被送到下一道工序使用，只有5%～10％的氢通过卡车或管道输送到更远的地方。在美国，氢气配送系统运送的燃料，足以为几百万辆氢能汽车提供能量，这可以作为氢能经济的出发点。

然而，以化石燃料为原料制氢会产生副产物——二氧化碳。如果以天然气制氢(目前最常用的方法)，然后用于高效燃料电池汽车，温室气总体排放量大概为每行驶1千米排放110克二氧化碳，略低于汽油复合动力车(每千米150克)，但明显少于今天使用最普遍的汽油车(每千米195克)。

不过，实现温室气体零排放的制氢方法才是我们的终极目标。一种选择是仍然利用化石燃料制氢，但是要将制氢过程中产生的二氧化碳收集起来，埋于地层深处或注入海洋。这种方法成本低廉、环保，可以用于氢的大规模生产，但是这种碳截存技术的可行性以及对环境的安全性，就成了关键的问题。另一种选择是生物质气化。加热木材、农作物废料等有机物时，它们会释放出氢与一氧化碳(该技术不给大气增加温室气体，因为原料植物生长时吸收的二氧化碳会抵消最终的排放)；第三种可能的选择是利用风力发电机或太阳能电池等可再生能源发出的电力去电解水。

虽然电解和生物质气化制氢没什么技术障碍，但这两种方法制备氢气的价格却高达每千克6美元～10美元[1千克氢与1加仑（约4.55升）汽油具有相近的能量，但因为燃料电池比传统汽油机的能效高，所以使用同等能量的燃料，氢燃料电池汽车要比汽油车行驶的里程远几倍]。不过，依照美国国家研究委员会和国家工程院的最新评估，以后的技术进步和大规模生产与配送，会让氢的价格降低到每千克2美元～4美元。到那时，燃料电池汽车每公里用氢的费用就会低于今天传统汽车的汽油费用。

核能也可以提供电力进行水电解，不过比起利用可再生能源产氢，核电产氢的成本也低不了多少。除此之外，核电站也可以利用电解之外的方式产氢，例如利用反应堆产生的高温以热化学反应的方式热解水产氢。热解法产氢的成本要低一些，但可行性还没有得到验证。而且，任何涉及核电的选择，都面临同样的问题：辐射问题、核扩散问题和公众接受问题。数十年来，这些问题一直阻碍着核电工业的发展。

建设能源基础设施

美国能源丰富，风能、太阳能和生物质能都有很大的储备量，因此要在美国大量生产清洁廉价的氢气并非难事。问题出在氢气的运输环节，如何以最低的成本把氢气输送到广大用户那里，是急需解决的难题。目前，美国大约有100个用于示范的加氢站，而加油站却有17万个。这些加油站无法轻易转化为加氢站，氢气的储存和处理不同于汽油等液体燃料，需要另外一套完全不同的技术。

一方面，氢能经济刚刚起步，还不能带来明显收益；另一方面，基础设施的建设势在必行，需要花费大量的人力物力。这导致氢能经济在起步之初，便遭遇了“先有鸡还是先有蛋”的问题：如果氢气的价格偏高，那么消费者就不会购买氢能汽车；反过来，如果使用氢气的汽车寥寥无几，燃料供应商自然不会投资建造加氢站。虽然美国国家研究委员会的研究表明，一旦建立好大规模的加氢站系统，氢气价格便会下降到足以和汽油竞争，但在转变的初级阶段，氢气的价格可能还是要贵很多。

首先把发展的重点集中在运输车队、公共汽车和卡车上，这是进行跨越式转变的一个重要策略，因为这几类汽车不需要大范围的加氢网络系统；船舰发动机和火车机车也可以使用氢气作为燃料，这样就可以大量减少空气污染物的排放；氢燃料电池也可以驱动一些现在用电池驱动的小型车，比如叉车、小型摩托车和电动自行车；燃料电池还可以用于固定发电，比如为警察局、军事基地以及不能只依赖电网供电的客户供电。这些“袖珍型”的市场将有利于降低燃料电池成本，并激励能源公司建立首批商业加氢站。

要想明显削减全球石油用量和温室气体的排放量，氢燃料必须占领客车市场。美国加利福尼亚大学戴维斯分校的研究人员认为，只有现有城市加油站的5%~10%能够提供氢燃料加注服务（再加上连接城市的少量加氢站），加氢才能和加油一样便利。通用公司估计，在美国全国范围内，若要为最初100万辆氢能汽车提供服务，那么需要在城市和州际公路沿线修建1.2万个加氢站，每座加氢站的修建费用为100万美元。如果要为全美国的1亿辆氢能汽车建立一个完整规模的加氢体系，则需要花费数千亿美元、耗费数十年时间。这些预算不仅涵盖了修建加氢站的成本，还包括了产氢和配送系统的成本，要让氢气成为一种普及燃料，这些都是必须满足的条件。

上面的数字也许令人吃惊，但世界能源委员会（World Energy Council）指出，在未来30年内，维护和扩展北美石油经济的基础设施所需的费用，将高达1.3万亿美元！第三世界的产油国将消耗其中一半以上的费用，多数开支将用于石油的勘探和开采；大约3,000亿美元将用于炼油厂、管道和油罐车等基础设施的修建，而这些设施终究是要被制氢和氢配送系统取代的。构建氢能经济的代价不菲，但维护现有石油经济同样需要耗费血本。

此外，给车辆配送氢气的方式可以有好几种：在某一地区集中大规模生产氢气，将氢气储存为液态或压缩气体的形式，再通过卡车或输气管道输送到各个加氢站；就地在加氢站甚至是自己家里，用天然气或电力自行生产氢气。在氢能经济的初期，燃料电池车相对较少，卡车输送或在加氢站就地制氢可能是最经济的选择。但是氢气的需求量一旦变大，比如说城市中氢燃料汽车的比例达到25%，区域性集中式制氢配以管道输氢，将是成本最低的方式。集中制氢还能为碳截存技术提供施展拳脚的机会，当然这些只有氢能经济达到较大规模时才有意义。

从许多方面来说，氢气更像电能而不像汽油。因为氢气的储存和输送成本要比汽油高，能源公司更可能在全国各地生产燃料，每一个产氢工厂供应一个区域性市场。而且，氢气的供应途径会因地区的不同而不同。美国俄亥俄州有充足的煤炭资源，而且有许多地点可以用来封存二氧化碳，因而与美国西北太平洋地区（这里有低成本的水电）或中西部（这里可以依赖风能和生物质燃料）比起来，氢能经济的形式可能会完全不同。小城镇或乡村可以依赖卡车运输或就地产氢，而人口密集的大城市则适合利用管道网络来输运氢气。

在氢能经济的发展过程中，经济风险几乎是不可避免的问题。如果能源公司建立了大型氢气工厂和配送设施，而燃料电池市场的成长却比预期缓慢，那么能源公司的投资就无法收回。这种困境有时被称为“套牢资产”（stranded asset）问题。不过，通过以销定产，按照市场需求逐步增加氢气供应，能源公司应该能降低风险。比如，公司可以建立电厂，在生产电能的同时，也可以制备少量氢气以满足早期的燃料电池汽车的需求。至于氢能源的配送，在氢气的市场需求大规模建立起来之前，公司可以使用卡车运输的方式，推迟在氢气管线等方面的大规模投资，减少资金压力。

迈向氢能时代

构建氢能运输系统有多种途径，提高燃料的经济性是第一步。未来几十年，发展轻型汽车、更加高效的内燃机以及复合电动力车可以大大降低碳排放量和石油消耗量。对于氢能和燃料电池，这是一个良好的契机，可以将车辆效率的提高和日益增加的汽车电气化作为技术进步的阶梯。

氢燃料基础设施的建设，必须要紧跟燃料电池车市场前进的步伐，这将是一个为期数十年的长期过程。通过诸如美国加利福尼亚州氢能高速公路网和欧洲HyWays项目，能源公司已经在提供氢气，用于检验车辆和演示加氢技术。要让燃料电池车在10年到15年内就能进入市场，能源公司必须大量提供价格具备竞争优势的廉价氢燃料。在一些重点地区，如美国的南加利福尼亚州或东北走廊集中开发氢能项目，可能会促进燃料电池市场的成长，对降低基础设施建设的成本也有好处。

在短期内，氢燃料的生产原料仍将以天然气为主。在降低温室气体排放量方面，这类氢燃料汽车尚不尽如人意，仅仅略胜于使用汽油的复合动力车。氢燃料的优势就在于温室气体的零排放，因此，若要充分发挥这个优势，能源公司就只有两种选择：要么以零碳能源为原料生产氢气，要么完全回收含碳的副产品。大概在2025年以后，氢一旦成为主要燃料，政府就应该要求在生产过程中，逐步实现零排放或接近零排放。同时，政府还应该鼓励研发风能、太阳能、生物质能等清洁能源技术和碳截存技术。使用低碳能源是人类共同的目标，向氢能经济的过渡是人类向这个宏伟目标迈出的坚实一步。

尽管过渡的时间可能长达几十年，但最终，地球环境会随着氢燃料电池汽车的普及变得更加清洁，世界各国也可以摆脱石油依赖症。由于氢能经济的这些巨大潜力，人们对氢燃料技术的研发与尝试就倍显重要，只有这样，到了我们必须跨入氢能时代的时候，才不至于措手不及。