给“氢能经济”和“氢燃料电池汽车”泼点干净的凉水

蹭个热点。

据报道，“青年水氢燃料车”喝水就能跑上千公里（http://news.sina.com.cn/o/2019-05-24/doc-ihvhiews4216674.shtml；https://baijiahao.baidu.com/s?id=1634376713153977004&wfr=spider&for=pc）。

汽车，喝水能跑吗？我的回答是，如果汽车已装备了一个化学反应器，里面也放好了合适的燃料（见下文），加水就可以产生氢气。使用氢燃料电池把氢气变成电，就可以开电动汽车了；如果有一种烧氢气的内燃机，也可以开动汽车。但如果没有前面这一大堆条件，汽车肯定跑不动（从上向下往水底沉算不？不算！！）。

近年来，国家对新能源技术的应用给予了非常有力度的支持。这一方面大力促进了新能源技术的发展，另一方面也使一些善于投机取巧的人铤而走险，使用各种花式的骗补手段，挖国家的墙角，损公肥私，大捞一笔。因此，相关行政领导人员必须熟悉相应的科学知识。常收到来自各方的咨询，询问有关氢能源的各种技术，因此觉得有必要厘清一些事实，为氢能经济的健康发展，为国家有限的资金发挥更大的作用做点贡献。

1  氢气的制造技术：技术可行性和经济可行性

技术上讲，加水就能产生氢气的化学反应还真不少。中学生就知道，金属钠扔到水里就能产生氢气。这个水可以是任何含有水（化学式为H₂O）的物质，它甚至可以不是液体。因此，干净的或肮脏的、淡水、咸水或海水当然都不成问题（请对照青年汽车有关人士的解释）。不过，一个负责任的技术开发者必须对其技术产生的所有后果负责。为了使产氢后形成的副产物必须可以被利用，负责任的技术开发者就应该坚持使用干净的水（即使是口头上），因为这可以保证副产物能很好地资源化，否则就会污染环境。

金属钠性质太活泼，制造成本也高，估计没人愿意使用它，不过金属铝就好多了，储存、使用都不成问题。它在碱水里常温下可以很平稳地产生氢气：

2 Al+ 6 H₂O = 2 Al(OH)₃ + 3 H₂

根据化学原理很容易算出来，消耗9公斤的纯铝可以得到1公斤氢气。如果汽车具有丰田Mirai目前的性能，1公斤氢气可以跑100 公里（https://ssl.toyota.com/mirai/assets/modules/carpageallfeatures/docs/MY19_Mirai_Lifestyle.pdf），则90 公斤铝（还需要180 公斤水），就可能跑1000 公里了（我的已开了7年的车在高速上以120公里时速运行时，耗油不到7升/100公里。因此，1000公里需油70升，也就是大概50公斤。看起来，用金属生产氢的技术不咋样啊！！）。

金属氢化物与水在常温常压下反应也可以产生氢气。例如MgH₂：

MgH₂ + 2 H₂O = Mg(OH)₂ + 2 H₂

因此，产生10公斤氢气需要65公斤MgH₂和90公斤水。

有机物也可以与水反应产生氢气。例如，甲烷与水的反应：

CH₄ + H₂O = CO + 3 H₂

有机物还可以直接热分解产生氢气。例如，环己烷脱氢生产苯的反应：

C₆H₁₂ = C₆H₆ + 3 H₂

不过，与上面的金属与水的反应相比，它们需要在数百度的高温下进行。后一个反应尤其有吸引力，因为它含氢量大（7.7%），生成的苯还可以再加氢生成环己烷，工艺成熟。这样仍按丰田Mirai的性能计算，跑1000公里需要的环己烷为130公斤。它仍然不如汽油车。

电解水可以很方便而且大量地产生氢气。目前，生产1公斤氢气需要45~ 55度电。不过，氢气是难以压缩的，必须使用耐压容器。丰田Mirai使用120升耐压70 MPa以上的容器，才能装5公斤氢气（按该公司宣称的储氢量5.7%计算，储罐总重约80公斤）。这是人们探索前面的几种原位产生氢气技术（即在汽车上产氢）的主要原因。

表1  氢气制造技术指标对比（按1公斤氢气计算）

表1给出了可能的氢气生产技术的原材料价格、反应条件、储氢量等的理论数据。从表中可以看出，煤制氢成本最低，每公斤氢气需要不到4元；天然气次之，需要约10元；电解水再次，要20 ~ 50元（峰谷电价）。但是，前两种技术都不适合原位制氢，因为产能太小时能耗增大，而且有碳排放，与发展新能源车的初衷不符。环己烷制氢因为需要容器保存产物苯，也不适合原位制氢。

金属制氢在常温下进行，过程安全性好，可以应用于原位制氢。但是，因为金属价格高，经济性差，基本上没有竞争力。相对而言，硅制氢技术成本较低，只有83元；其储氢量也比较高，达到8.7%（比丰田Mirai储氢罐的储氢量5.7%高）。如果使用废旧电子产品产生的废硅粉，成本会大大下降。这也可以作为废旧电子产品资源化的一个方向。因此，如果处于风口浪尖的“水氢发动机”汽车使用的是废硅粉制氢技术，倒也有一定的可行性；但它应该不会成为未来的主流技术，除非硅的制造成本大大下降。

毫无疑问，如果使用氢燃料电池汽车，必须首先解决氢气的生产和储存问题。使用煤制氢、天然气制氢、电解水制氢，以及工业副产氢作为氢气的来源，必须解决氢气储存和运输的问题。这方面，高压容器是必需的；而且因为氢气难以压缩，容器的轻量化是必需的。目前，可能是做得最好的丰田Mirai的70 MPa（最高87.5 MPa）储氢罐储氢量只有5.7%，使我们觉得还得花力气发现更好的技术。

原位制氢，如果使用硅粉，特别是废硅粉与碱水反应，具有一定的可行性。因为其储氢量高，达到8.7%，而且反应条件温和。但是这个技术大面积推广，必定受限于硅粉的价格。只有硅粉的价格低于20元，才有可能得到应用。

2  二次电池驱动，氢燃料电池驱动，还是（氢）内燃机驱动？

目前，推动汽车前进的技术可以是电动的，也可以是普通内燃机驱动的。在两种方式都可以正常使用时，决定哪种方式更容易销售的肯定是其购置成本和使用成本。

氢燃料电池汽车的成本来源于燃料电池和氢气两方面。目前，燃料电池因为使用贵金属，必须通过减少贵金属（也是稀有金属）的用量或者使用便宜的电催化剂来降低成本。氢气的成本，如果使用煤制氢技术，就必须解决氢气的长距离输运和高压气瓶的轻量化问题；如果使用原位制氢技术，则需要解决原材料（如硅粉）的生产成本问题。这两项任务可以说都是任重道远。

目前，已经可以工业化生产的氢气生产成本在8~ 50元/公斤之间。最便宜的是煤制氢，最贵的是电解水制氢。金属制氢技术，最便宜的硅制氢，成本要达到80元以上（但使用废硅粉时，成本可以大大下降）。

电解水制氢，因为可以大规模地进行，而且因为可用于消纳弃风弃光电力而被看好。但是从能耗的角度上看，电解水制氢，然后通过燃料电池发电，远远不如二次电池。因为它的总能量转换效率低于50%（因为电解水输入电压1.7 ~ 2 V，电池输出电压只有0.7 ~ 0.9 V左右），而二次电池的能量转换效率在90%左右。

因此，如果仅仅从使用成本考虑，只有氢气的价格低于50元/公斤时，才可能与汽油车相比（汽油车油耗按7升/百公里，每升汽油7元计算）。但是，如果考虑汽车购置成本，什么时候燃料电池电动车才能像汽油车一样便宜呢？我们只能翘首以待。

氢燃料电池还有一个强有力的竞争者，就是二次电池电动汽车。目前，二次电池汽车受制于电池价格。因为若按100公里耗电14度，500公里续航里程，需要的电池储电量70度。按目前电池销售价，铅酸电池至少需要4.2万，锂电需要12万以上；未来锂电成本降到铅酸电池目前的价格，电动汽车就会因为使用成本低而能与汽油车竞争。对于理性的消费者，他们还会要求降低电池使用量来减少购置成本，使二次电池电动车的竞争力进一步提高。

按目前两个标杆车，使用锂离子电池的特斯拉和使用氢燃料电池的丰田Mirai，它们售价差不多，但特斯拉耗电只有14 ~ 20度电/百公里。如果电费为1元/度，则使用成本只有14 ~ 20元/百公里；如果使用0.5元/度的谷电，则使用成本还要减半。很显然，氢燃料电池除非使用煤制氢，才有可能与之竞争，但是储运成本的增加会大大限制其使用的地域范围；如果使用电解水制氢，氢燃料车只能在快速“满血复活”方面还可以说说，但是如果二次电池使用可以与之比拟的换电技术呢？因此，氢燃料车的经济性不如二次电池车。

另外一个很少有人指出的，就是氢燃料电池并不是零排放的，只能说是零碳排放的。它有排放，虽然很干净，就是水。所排放水在炎热潮湿的夏秋季，会增湿；在炎寒的冬季，可能会导致路面结冰。毫无疑问，二次电池驱动才是真正零排放的技术。因此，除非它的造价比二次电池车低，而且氢气的价格也能降到目前煤制氢技术的价格，甚至更低，氢燃料电池驱动的汽车难以与二次电池驱动的电动汽车竞争。

氢内燃机车呢？估计也不行。因为我们知道受热机效率的影响，内燃机的作功能力肯定不如电池。

因此，我们可以说，氢燃料电池技术在经济性上不能与二次电池技术竞争。除了它不排放二氧化碳外，与汽油内燃机技术也难以竞争。

3  氢能经济的出路

那么，氢能经济是不是没有意义了？作者认为，也不是。

为什么？因为电网的普及，电解水装置可以随时随地大功率消纳电能，特别是弃风弃光电能，因此一个体积不太大的装置可以随时消耗不限量的电能，产生不限量的氢气（仅受限于氢气管道和储存罐的容量）；因为氢气的高度流动性，固体的煤可以转变成氢气而通过管线方便地输送到需要能量的地方。相对而言，二次电池虽然也可以大规模的储存电能，但它储存的电能受限于其容量。

除了在燃料电池中发电，氢气可以被掺入天然气，直接燃烧而获取热能。氢气当然也可以作为化工原料直接使用。

氢能经济必须着眼于未来。那个时候，电力直接来自于太阳能，极其便宜，对成本的贡献几乎被忽略。