在全球發(fā)展強勁需求的刺激下，國際市場石油價格一直居高不下。據(jù)預(yù)測，在今后20年，預(yù)計各國對能源需求的增長將達到50%以上。尤其是我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國正成為一個嚴重依賴中東石油海上運輸線的大國。能源對外過度依賴，將嚴重制約我國的經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃和國際戰(zhàn)略地位。在這種情況下，以氫作為中間媒介的能源系統(tǒng)——氫能源，引起了國人的廣泛關(guān)注，同時，今后全社會的能源主要由氫氣提供的經(jīng)濟性，用氫氣煉鐵的氫冶金也逐漸引起人們的關(guān)注。本文根據(jù)作者的知識和目前了解的信息，拋磚引玉，對氫能源、氫冶金提出一些粗淺的看法供大家討論。
1 為什么人們對氫燃料電池的評價很高
以理想氣體為工作物質(zhì)的可逆卡諾循環(huán),其熱機額效率僅取決于熱機高溫及低溫兩端的溫度.以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ),可以將之推廣為適用于任意可逆循環(huán)的普遍結(jié)論,稱為“卡諾定理”，從理論上研究熱機效率，可以找出提高效率的方向。從“卡諾定理”的熱機效率計算公式，可以簡化為熱機效率η=1-Q2/Q1=1-T2/T1=(T1-T2)/T1。即熱機內(nèi)高溫熱源溫度與低溫熱源溫度之差與高溫熱源溫度之比值越大，熱效率越高;反之亦然。(圖1)
以氫作為燃料的一個最主要吸引力，即是它與燃料電池(FC)的天生相容性。相較于目前蒸汽機8%，汽油內(nèi)燃機25%，火力發(fā)電33%，柴油內(nèi)燃機40%或液體燃料火箭48%的熱效率，氫氣在電池進出口氣體溫差為0℃-200℃的氫燃料電池中，可以完全轉(zhuǎn)換為電流和水，因此可達到50%以上的高的能源轉(zhuǎn)換效率。燃料電池FC是一種將儲存在燃料(氫)和氧化劑(氧)中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置(圖2)，其過程不涉及燃燒，無機械損耗，理論上能量轉(zhuǎn)化率可高達80%，產(chǎn)物僅為電、熱和水蒸氣;而且FC運行平穩(wěn)，無振動和噪音，所以被認為是21世紀的綠色能源。【1】
如果將氫燃料電池驅(qū)動電機，在不需以熱為媒介的情況下，可將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機械功，效率或可高達 70%-90%。這個吸引人的能量轉(zhuǎn)換新方法將可能可以取代許多傳統(tǒng)的熱機。此高效率之優(yōu)點正是發(fā)展氫燃料電池的一個強大推動力。
盡管燃料電池的效率較高，在運輸熱機中燃燒氫也能夠提高熱效率。噴射引擎和內(nèi)燃機僅需做簡單的修改，便可用氫取代原先的碳氫燃料。內(nèi)燃機以氫為燃料運轉(zhuǎn)的效率可比汽油內(nèi)燃機高出達20%，而且不會產(chǎn)生含碳排放物。
不少人堅信，在不久的將來，受燃料電池裝置造價大幅度降低和CO2埋藏或利用技術(shù)獲得重大突破兩大驅(qū)動力的推動，氫能源將有望被大規(guī)模推廣，氫能經(jīng)濟將成為現(xiàn)實。然而，氫能源到底離我們有多遠?我們還面臨哪些挑戰(zhàn)呢?
2 未掌握核心技術(shù)，氫能源的應(yīng)用成本很高
目前氫能源的核心質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，材料和技術(shù)全部掌握在西方國家手中，如果我國現(xiàn)在推廣氫能源，中國必須花80%的外匯從發(fā)達國家進口燃料電池及電堆的構(gòu)件組裝，國內(nèi)企業(yè)僅僅獲得組裝人工費和配套外殼制造的微薄利潤，只能為幾個發(fā)達國家打工。而這些燃料電池、電堆的價格非常昂貴。組裝出來大多數(shù)老百姓也用不起。
據(jù)北京飛馳綠能電源技術(shù)有限責任公司、總經(jīng)理總工程師王利生介紹，汽油發(fā)動機的生產(chǎn)成本為每千瓦35美元，而目前燃料電池發(fā)動機的生產(chǎn)成本約為每千瓦3300美元。在我國，飛馳綠能公司以1-2萬人民幣/千瓦的價格(2900美元)出售他們組裝的燃料電池。按照這個價格，如果購買一輛相當于15萬元價格的桑塔納動力轎車(1.5L發(fā)動機約100千瓦)的燃料電池汽車(FCV)，生產(chǎn)燃料電池的費用需要50萬元，再加上其他與燃料電池配套的材料部件，燃料電池汽車的成本總共需要200萬以上人民幣。也就是說，氫燃料電池轎車的價格相當于燃油桑塔納價格的十幾倍【1】。目前國際市場上，那些為批量上市而生產(chǎn)的燃料電池汽車，其成本也是普通汽車成本的十幾倍。如果不安裝這些天價的氫燃料電池設(shè)備，氫能源汽車根本無法使用。然而，只有當燃料電池發(fā)動機的價格降到汽油發(fā)動機價格的1-2倍時，燃料電池汽車才會有市場。目前燃料電池壽命的水平是3000h(國內(nèi))-5000h(國際)，純氫燃料電池的效率為0.40-0.50。如目前日本本田FCX共有25輛，每輛成本約150萬美元(人民幣1000萬元)。據(jù)了解，本田所生產(chǎn)的燃料電池汽車也還沒有作為商品出售，而是以樣品車的方式租給國家領(lǐng)導(dǎo)人象征性的使用，每天的租金約7500美元(約人民幣5萬元)。
燃料電池汽車成本過高與燃料電池的材料技術(shù)有關(guān)(圖3、圖4)，為提高燃料電池發(fā)電效率所使用的鉑碳材料催化劑成本很高。尤其是燃料電池中的氫質(zhì)子膜的成本極高，質(zhì)子交換膜大多使用杜邦公司的nafiou膜，這些關(guān)鍵材料和核心技術(shù)材料完全掌握在日本、美國、德國、加拿大、韓國手里。在中國國內(nèi)的企業(yè)完全依賴進口材料拼湊組裝的情況下，發(fā)展氫燃料電池汽車百分之八十五的利潤帶動的完全是日本、美國、德國、加拿大、韓國等發(fā)達國家的制造業(yè)，氫能源對中國制造業(yè)的帶動僅占百分之十。
高等級炭纖維、石墨烯、超高壓輸電設(shè)備等無數(shù)產(chǎn)品國產(chǎn)化歷史已經(jīng)證明，凡是中國自己能夠創(chuàng)新制造出來的設(shè)備及材料，都可以達到可推廣應(yīng)用的親民價格。我國國家能源主管部門也已經(jīng)認識到，目前最迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是創(chuàng)新低成本的氫燃料電池技術(shù)。國家能源局局長章建華在2019年12月全國能源工作會議上指出，要加快突破【氫能燃料電池】等關(guān)鍵核心技術(shù)，著力增強能源發(fā)展的內(nèi)生動力【5】。
雖然燃料電池汽車頻頻顯現(xiàn)在我們的視角中，但在這么多輛燃料電池汽車中，至今還沒有一輛是作為商品來銷售的，他們一直是扮演著概念車和樣品車的角色，其原因就是燃料電池成本過高，這是國際與國內(nèi)的燃料電池生產(chǎn)商面臨的共同問題。
3 氫氣的貯存運輸成本高
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