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氢燃料电池汽车大有可为

作者:中国储能网新闻中心  来源:中国经济报告  发布时间:2015-12-31 12:23:17

氢燃料电池汽车加满燃料的速度更快,行驶的距离更远,且尾气排出只有水,可实现零污染排放。

□姚杰

一提新能源,第一印象就是环保节能。一提新能源汽车,第一印象就是特斯拉电动汽车。其实,中国北方用煤炭发电比较多,煤炭燃烧当然会产生污染,所以纯电动并不能代表是完全环保无污染。相比之下,氢气没有污染、零排放,甚至取代石油也指日可待。

氢燃料电池已不是什么全新的技术,早在20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,氢燃料电池很快就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。

尾气排出只有水的汽车

氢燃料电池汽车也是电动汽车,只不过它的“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比,燃料电池通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料,但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。许多公司都已推出氢燃料电池汽车,并已在2015年上半年上市。氢燃料电池技术是未来改变人类生活的新技术之一,将成为解决石油危机的新途径。

氢燃料电池汽车尾气仅排放水,可以实现零污染排放。这种汽车无需注满汽油或者柴油,氢燃料电池汽车是由氢气作为燃料。将氢气注入汽车燃料缸中,与燃料电池发生化学反应,氢和空气中的氧发生反应,转换为电能驱动汽车行驶,这一化学反应过程唯一的副产物就是水或者蒸汽,完全没有二氧化碳,非常环保。

以丰田首款氢燃料电池车Mirai为例,充满燃料的Mirai拥有近似于传统汽油车的巡航里程,达到约500公里;同时它在动力上也不弱,Mirai的最大马力为153PS(113KW)、最大扭矩335N m、最高时速可达到178公里,从启动、提速到100公里/小时仅需9.6秒,完全能够应付平常的行车需求。即便燃料用光了,将燃料回填补满的时间也仅需约3分钟,和传统汽油车的加油时间差不了多少。

氢燃料电池的工作原理

和普通电池一样,燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。大部分燃料电池汽车使用聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)。氢燃料电池的基本工作原理是将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂——铂的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),与氧原子和氢离子重新结合为水,如图1所示。

由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水(蒸气)带走,就可以不断地提供电能。由于氢燃料电池不储能,确切地讲应该称为氢发电装置。

燃料汽车VS电动汽车

1. 燃料电池汽车相比电动汽车的主要优势就是方便。氢气燃料电池汽车只需3到5分钟就能充满长途行驶所需的气量(700个大气压的氢气),而不是等上几个小时来充满电。电动汽车要做到这一点,就必须更换整组电池。充电最快的Tesla Model S也至少需要20分钟才能充满电,但行驶的距离还不到氢气燃料电池汽车的一半。这让燃料电池汽车更方便日常使用,汽车制造商们据此认为,希望寻找更环保汽车的消费者也许会认为燃料电池汽车要比电动汽车更实用。

2. 在性能和环保方面,燃料电池汽车使用和电动汽车一样的电动马达,所以性能表现差不多。但燃料电池会更适合皮卡和SUV,目前锂电池并没有办法满足这些车型的需要。锂电池也要比燃料电池组(氢气箱)重得多。

3. 燃料电池汽车的售价和维护费用要比电动汽车贵。丰田Mirai、日产Leaf的售价要比特斯拉便宜不少,给燃料电池汽车补充的氢气价格约为3美元(换算成每加仑汽油等效产品后)。经估算,给一辆车加满氢气需要花约50美元。这意味着,一辆燃料电池汽车的维护成本是普锐斯混合动力汽车的两倍,是电动汽车的四倍。的确,这一成本会随时间推移降低,但电动汽车和混合动力汽车也一样会逐渐降低。

4. 制造和使用绿色氢气的费用更高。燃料电池汽车的主要问题是,制造驱动它们的氢气燃料要消耗比普通电动汽车更多的能源。污染也是个很严重的问题。除了甲烷转化,获得绿色氢气的唯一可行的方式是通过电解。但坦白讲,这一过程中消耗的电可以更好地用在普通电动汽车上。

发展瓶颈

1. 氢气的来源问题。氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成元素,想得到氢气可以通过电解水,但这可是个不太经济的方法,能量损失极大。此法先从电解水开始,耗费电能,产生氢气,氢气再发电过程中还会有能量损失。目前最好的电解水系统的能量转化率只有 80%,并不怎么高效。

再来看甲烷转化氢气方面,蒸汽需要加热到700-1000摄氏度,然后与甲烷结合生成氢气和一氧化碳,以及少量二氧化碳,美国有95%的氢气通过这种方法来制造。甲烷转化虽然要更划算,但却会造成污染。有研究显示,甲烷基础设施的泄露情况比原先想象的还糟糕(最高达7%)。而作为温室气体,甲烷的温室效应是二氧化碳的86倍。如果你想要一辆百分百环保的燃料电池汽车,就必须以不造成污染的方式来制造氢气,这并不容易。

2. 充电站成本昂贵。电动汽车已经在道路上(家中)建立了充电基础设施,但氢气销售点却很少,相隔距离也很远。这是由于缺少需求,还有就是建造成本高昂。普通的电动汽车充电站只需花费数十万美元来建造,即使是特斯拉的超级充电站建造成本也仅有30万美元。但建造一个氢气燃料站却需要花费100万- 200万美元,因为需要解决处理液态氢气的问题。因此,美国现在也只有大约50个氢气燃料站,其中22个位于加州。

3. 金属铂稀缺。在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂。这种金属就是铂金戒指的铂,产量小且价格昂贵。想要大规模生产氢燃料电池,铂就是瓶颈,而且完全没有规模化后成本减少的效应,反而需求越多就会越贵。

4. 氢气的安全性。有人说带着氢气瓶就像带个氢弹,这在无形中造成了很多人对安全问题的担忧。但实际上,氢比石油要安全得多。储氢罐的密封较好,形成低温高压的空间,使其液化后能大量储存。

至于泄漏之后的安全性,反而氢气更安全。氢是最轻的气体,扩散性极强,它的扩散系数比空气大3.8倍,比汽油大7.5倍。泄漏之后会直线向上运动,即使形成火焰,那也是一维的火焰直线,指向天空;而油类燃料则是向四周蔓延,形成面的燃烧,反而更不安全。氢气的比重低,易向上逃逸,所以少量的氢气泄漏,可以在空气中很快被稀释成安全的混合气,这使得发生事故时影响范围要小得多。

充满期待的未来

尽管如此,氢燃料电池汽车也已经量产,并已开始售卖。丰田氢燃料电池车Mirai在海外的起价为57500美元(约合人民币35.7万元),但是在联邦和州政府刺激之下降至45000美元(约合人民币27.9万元)以下。在美国可以采用分期付款的形式每月499美元36个月付清。除此之外,丰田和本田还将向买家免费提供三年氢气。各大汽车公司还计划逐步增加氢气燃料站数目。

相对于环保省钱的电动汽车,氢气燃料电池汽车或许现在还无可比拟。但在消费者的心中,实用也很重要:燃料电池汽车加满燃料的速度更快,行驶的距离更远。而且,氢气燃料电池汽车还处于早期阶段,充电式电动汽车在10年前也存在许多看似无法克服的问题,而现在各国境内都已经有很多电动汽车。所以,我们对氢燃料汽车的未来充满信心。

中国汽车工业协会副秘书长

关键字:氢燃料电池

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