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薛偉傑:德國研發「膏狀儲氫」技術 有望解決燃料電池汽車難題?

【明報專訊】各國研究燃料電池技術已經很多年,實際商業應用卻一直是雷聲大、雨點小,但似乎並未有打擊研發人員的熱情。近月,就有德國研究機構發表其研究成果——利用膏狀或糊狀的物質來儲存氫氣。研究機構聲稱,這個方案的優點是,可以在常溫和常壓下儲存氫氣,非常穩定和安全,亦方便運輸。而且,其儲氫密度比現時燃料電池汽車使用的壓縮氫氣罐高得多。同時,它又保持流質般的狀態,令補充氫氣的方式和現在相似。

一時間,這個方案看似有望完美解決氫氣的儲存和運輸問題。但詳細分析下來,這個方案涉及的不明朗因素亦相當多。最主要的缺點是,會令燃料電池汽車的內部設計變得複雜,以及需要為這種膏狀物質發展一套回收再造系統。

現時燃料電池汽車使用的氫氣,都是採用高壓儲氫罐運送至加氫站。這是技術最成熟的方案,但由於氫氣的儲存密度低,這樣的運輸成本很不划算。另一方面,燃料電池汽車內的高壓儲氫罐,亦要使用到幾層結構和材料,例如金屬、碳纖維強化塑料、玻璃纖維減震層等,相當重。只能裝5公斤氫氣的儲氫罐本身就淨重100多公斤。氫氣的生產成本本來已不低,再加上這種種問題,令到燃料電池汽車的運作成本明顯高於鋰電池汽車;而續航力等性能亦未達到其理論上的水平,未能大幅拋離鋰電池汽車。

儲氫密度遠勝儲氫罐

為此,德國的弗勞恩霍夫製造技術和先進材料研究所(Fraunhofer Institute for Manufacturing)的一個團隊研發出一種「膏狀儲氫」技術。研發人員先讓氫氣和鎂金屬在大約350度的高溫以及5至6倍大氣壓的環境下發生反應,形成氫化鎂。之後,再添加酯類和金屬鹽,最終合成出一種粘稠的灰色膏狀物,他們稱之為Powerpaste。

Powerpaste的優點是,可以在常溫和常壓下儲氫。它非常穩定和安全,溫度要高達大約250度,才會開始分解。研發人員聲稱,Powerpaste儲存氫氣的密度比現時的高壓儲氫罐高得多(但未透露具體數字)。若與同等重量的鋰電池相比,Powerpaste儲存的氫氣的能量大約是前者的10倍。使用Powerpaste的燃料電池汽車的續航力,可與汽油車相若,甚至更大。

當行駛時,燃料電池汽車需利用一個柱塞裝置將這種膏狀物擠壓到一個腔室內與水發生反應,藉此釋放出氫氣(釋放速度可以控制),然後再將氫氣傳送到其燃料電池的陰極,產生電力。

研究團隊認為,Powerpaste方案除了可應用於燃料電池汽車之外,也可以令電單車、便攜式電器、無人機等改用燃料電池。而這種膏狀物亦可以通過相對廉宜的設備和標準的灌裝線來封裝等。

乃金屬氫化物儲氫變種

其實,這個方案類似已經有三數十年研究歷史的金屬氫化物儲氫技術。在某些特定的溫度和壓力條件下,很多金屬都會和氫氣發生反應,因而形成金屬氫化物。這種化學反應是可以逆轉的,即是可以利用金屬來吸收和釋放氫氣。金屬氫化物在常溫常壓下是固體,而且相當穩定和安全。其最大優勢在於它儲存氫氣的體積密度相當高,據說甚至還高過液態氫。而後者所需要的零下234度低溫,涉及成本極高,只有航太行業才會使用。

金屬氫化物儲氫在體積上得天獨厚的優勢,令它成為燃料電池技術的一個熱門研究方向,尤其是對於空間有限的汽車和常規潛艇來說。事實上,德國早已經在它的常規潛艇上使用了燃料電池及金屬氫化物儲氫技術,並將該型號的潛艇出口到意大利、希臘、韓國,最新還取得新加坡的訂單。

理論上,燃料電池汽車使用金屬氫化物儲氫絕對可行。想像一下,將來燃料電池汽車只需在加氫站更換一個金屬氫化物盒子,就能夠補充氫氣。至於更換下來的舊盒子,經過處理,再加入氫氣,又可以重新使用。

代價或不少於優點

但問題是,要達到這種理想操作,不同車廠的燃料電池汽車必須就這種金屬氫化物盒子制訂統一標準,包括尺寸等。否則,根本就無法互換。這就好像台灣的7個電動摩托車品牌要使用同一套鋰電池標準,大家才能共享電池一樣。

筆者認為,Powerpaste的方案,主要是想採用膏狀(流體)的方式,來避開或減低統一標準的問題。但這種膏狀方案的代價是,會令燃料電池汽車的內部結構變得複雜,至少要有3個缸,來分別存放Powerpaste、清水以及用作兩者產生化學反應來釋放氫氣的地方。而那些反應之後的物質,又要收集,以及交回給加氫站重新處理,來再製成Powerpaste。筆者相信,實際運作起來,這種方式不及純正的金屬氫化物儲氫方便,亦會令燃料電池汽車的成本和重量有所增加。

明報記者 薛偉傑

[薛偉傑 科技觀潮]

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