氢车有多远

新的制氢技术和储氢方式，会让我们在清洁能源的道路上走得更远。



　　氢能源是目前为止人类能够找到的最佳能源之一，它的能量密度高，反应产物只有纯净水，如果不是因为氢能源生产和存储技术难以突破的话，汽车们大概早已经换上了氢燃料电池。但是地球上并没有游离的氢能源，目前主要的工业制氢方式依然是电解水—一种昂贵耗能的方式。再加上易于扩散、易燃易爆的气体属性，氢能源的利用困难重重，至少目前还不适合家庭轿车。不过最近一些研究结果也许会帮助推进氢能汽车的发展：新的制氢和储氢方式开始涌现，氢能汽车看起来离我们又近了一步。



　　最近40年间，人们在制氢领域尝试了许多新设想。其中最引人注目的技术是生物制氢：利用基因技术改变细菌等单细胞生物的特征，把它们变成微小的制氢工厂。美国的研究者让大肠杆菌能够产生比其他同类多出百倍以上的氢气，这种广泛存在、与人共生的香肠状细菌能够把糖类转化成甲酸盐，再从甲酸盐中分解出氢气。只不过，目前这种转基因细菌还依然在实验阶段。



　　于是一些化学家开始尝试直接分解甲酸盐。甲酸盐是最简单的有机酸盐，只要加入合适的催化剂，它就可以在常温下分解出氢气和二氧化碳。对这一领域的研究已经有了数十年历史，合适的催化剂和对二氧化碳的回收，决定了这种技术是否能够顺利商业化。最近德国莱布尼茨研究所的科学家们解决了这两个难题，开发出了使用金属钌的催化剂和在甲酸盐分解过程中有效回收二氧化碳的方法，把分离加压后的二氧化碳转化为碳酸氢盐存储起来，不至增加额外的污染。



　　这种制氢工艺的原料成本并不算高，工业生产的工艺已经十分成熟，利用可循环使用的甲醇，采用甲酸甲酯水解法便可以大量生产甲酸。更大的问题在于，这些生产出的氢气，该如何存储在汽车的燃料箱里。



　　当温度降低到零下253℃的时候，氢会变成固体，而只在附近的一小段温度范围内，我们才能获得液态氢。显然，对于氢能汽车来说，使用固态或者液态氢都不够现实—降温需要大量能量，而且存储这些极低温的能源需要相当完善的保温和安全技术。室温下安全存储大量氢气的技术才是人们所需要的。



　　国际能源署提出的储氢目标，要求在存储中氢的质量比大于5%，体积密度大于每立方米50公斤，能够释放氢气的温度不能高于150℃，而储氢材料的充气放气循环次数要超过1000次;美国能源部提出的目标更高，要求在2015年时达到存储重量比不低于6.5%，每立方米需要存储62公斤。对于一般的汽车来说，大概拥有0.05立方米的存储空间，需要存储3.1公斤氢，可以让家用轿车行驶500公里。



　　为了达到这些目标，人们已经开发出了不少化学和物理储氢方法，例如使用金属合金氢化物容纳氢原子，或者使用活性炭、碳纳米管这类比表面积大的材料来吸附氢气。至于直接存储气态或者液态氢，则几乎不在考虑范围之内—即使是在太空所用的高强度压缩氢瓶，也只能勉强达到5%的重量比;在15兆帕的标准高压钢瓶中，存储重量比只有1%，还得面对泄露和爆炸的风险。



　　相较而言，使用金属或者合金的氢化物存储氢气安全得多。有些金属在放置于加温加压的氢气环境中时，能够生成金属氢化物，再次加热就能把氢气释放出来。性质活泼的金属镁就是不错的选择：按重量比计算，它的氢化物能够存储7.65%的氢气。



　　但是金属单质过于活泼，并不适合商业使用。1960年代后期，飞利浦公司、美国布鲁克海文国家实验室等机构分别发现了一些适合存储氢气的合金，如镍镧合金、镍镁合金和铁钛合金等，它们的性质更加稳定。现在人们已经发现了储氢合金的规律，它们一般是由一种活泼的、和氢结合力强的金属和另一种结合性能不好的金属组成，当放置在氢气环境中时，氢原子会进入合金晶格的空隙位置，而金属原子形成了坚固的骨架。这种存储方式的安全性高，但是存储密度却不尽如人意。



　　于是，利用高表面积材料的吸附储氢方式就被人们寄予厚望。活性炭、微孔玻璃微珠和气溶胶这类材料都开始被用于储氢实验，而近来光环耀眼的碳纳米材料自然也在其中。对于单壁碳纳米管储氢的研究已经进行了十年之久，氢分子会被吸附到这些细微的管状材料表面，还会在毛细力的作用下压缩进碳原子之间的微孔当中，只要压力降低就会释放出来。一项研究表明，在零下197℃和10兆帕压力的情况下，单壁碳纳米管储氢的重量比可以达到8.25%。



　　但是这样的温度还是太低了。美国莱斯大学的材料科学教授Boris  I.  Yakobson发现，如果使用单个碳原子连成的碳链，加上一些钙原子，就能够在常温下获得8%的理论储氢密度。这些钙原子会以1:6的比例吸附氢原子，并且可以在常温下保持。如果放大来看的话，它应该像是一根葡萄藤，上面结着钙原子和氢原子的累累果实。



　　不过，这项研究还处于相当初步的程度。研究者正在寻找最合适的方法和配比，希望能够在三五年内制造出样品，达到美国能源部制定的目标。如果一切顺利的话，在下一个十年之内，氢能汽车就会变成新的流行座驾，只会拥有干净而湿润的气味。