氫燃料電池汽車(chē)大有可為

姚杰

氫燃料電池汽車(chē)加滿(mǎn)燃料的速度更快，行駛的距離更遠(yuǎn)，且尾氣排出只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染排放

一提新能源，第一印象就是環(huán)保節(jié)能。一提新能源汽車(chē)，第一印象就是特斯拉電動(dòng)汽車(chē)。其實(shí)，中國(guó)北方用煤炭發(fā)電比較多，煤炭燃燒當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生污染，所以純電動(dòng)并不能代表是完全環(huán)保無(wú)污染。相比之下，氫氣沒(méi)有污染、零排放，甚至取代石油也指日可待。

氫燃料電池已不是什么全新的技術(shù)，早在20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，氫燃料電池很快就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車(chē)。波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動(dòng)力源的一架小型飛機(jī)。

尾氣排出只有水的汽車(chē)

氫燃料電池汽車(chē)也是電動(dòng)汽車(chē)，只不過(guò)它的“電池”是氫氧混合燃料電池。和普通化學(xué)電池相比，燃料電池通常是補(bǔ)充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料，但通常是限制在電廠(chǎng)和叉車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域使用。許多公司都已推出氫燃料電池汽車(chē)，并已在2015年上半年上市。氫燃料電池技術(shù)是未來(lái)改變?nèi)祟?lèi)生活的新技術(shù)之一，將成為解決石油危機(jī)的新途徑。

氫燃料電池汽車(chē)尾氣僅排放水，可以實(shí)現(xiàn)零污染排放。這種汽車(chē)無(wú)需注滿(mǎn)汽油或者柴油，氫燃料電池汽車(chē)是由氫氣作為燃料。將氫氣注入汽車(chē)燃料缸中，與燃料電池發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氫和空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)換為電能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，這一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程唯一的副產(chǎn)物就是水或者蒸汽，完全沒(méi)有二氧化碳，非常環(huán)保。

以豐田首款氫燃料電池車(chē)Mirai為例，充滿(mǎn)燃料的Mirai擁有近似于傳統(tǒng)汽油車(chē)的巡航里程，達(dá)到約500公里；同時(shí)它在動(dòng)力上也不弱，Mirai的最大馬力為153PS（113KW）、最大扭矩335N·m、最高時(shí)速可達(dá)到178公里，從啟動(dòng)、提速到100公里/小時(shí)僅需9.6秒，完全能夠應(yīng)付平常的行車(chē)需求。即便燃料用光了，將燃料回填補(bǔ)滿(mǎn)的時(shí)間也僅需約3分鐘，和傳統(tǒng)汽油車(chē)的加油時(shí)間差不了多少。

氫燃料電池的工作原理

和普通電池一樣，燃料電池由陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)組成。大部分燃料電池汽車(chē)使用聚合物交換膜燃料電池（PEMFC）。氫燃料電池的基本工作原理是將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板（負(fù)極），經(jīng)過(guò)催化劑——鉑的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板（正極），與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水，如圖1所示。

由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。由于氫燃料電池不儲(chǔ)能，確切地講應(yīng)該稱(chēng)為氫發(fā)電裝置。

燃料汽車(chē)VS電動(dòng)汽車(chē)

1. 燃料電池汽車(chē)相比電動(dòng)汽車(chē)的主要優(yōu)勢(shì)就是方便。氫氣燃料電池汽車(chē)只需3到5分鐘就能充滿(mǎn)長(zhǎng)途行駛所需的氣量（700個(gè)大氣壓的氫氣），而不是等上幾個(gè)小時(shí)來(lái)充滿(mǎn)電。電動(dòng)汽車(chē)要做到這一點(diǎn)，就必須更換整組電池。充電最快的Tesla Model S也至少需要20分鐘才能充滿(mǎn)電，但行駛的距離還不到氫氣燃料電池汽車(chē)的一半。這讓燃料電池汽車(chē)更方便日常使用，汽車(chē)制造商們據(jù)此認(rèn)為，希望尋找更環(huán)保汽車(chē)的消費(fèi)者也許會(huì)認(rèn)為燃料電池汽車(chē)要比電動(dòng)汽車(chē)更實(shí)用。

2. 在性能和環(huán)保方面，燃料電池汽車(chē)使用和電動(dòng)汽車(chē)一樣的電動(dòng)馬達(dá)，所以性能表現(xiàn)差不多。但燃料電池會(huì)更適合皮卡和SUV，目前鋰電池并沒(méi)有辦法滿(mǎn)足這些車(chē)型的需要。鋰電池也要比燃料電池組（氫氣箱）重得多。

3. 燃料電池汽車(chē)的售價(jià)和維護(hù)費(fèi)用要比電動(dòng)汽車(chē)貴。豐田Mirai、日產(chǎn)Leaf的售價(jià)要比特斯拉便宜不少，給燃料電池汽車(chē)補(bǔ)充的氫氣價(jià)格約為3美元（換算成每加侖汽油等效產(chǎn)品后）。經(jīng)估算，給一輛車(chē)加滿(mǎn)氫氣需要花約50美元。這意味著，一輛燃料電池汽車(chē)的維護(hù)成本是普銳斯混合動(dòng)力汽車(chē)的兩倍，是電動(dòng)汽車(chē)的四倍。的確，這一成本會(huì)隨時(shí)間推移降低，但電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)也一樣會(huì)逐漸降低。

4. 制造和使用綠色氫氣的費(fèi)用更高。燃料電池汽車(chē)的主要問(wèn)題是，制造驅(qū)動(dòng)它們的氫氣燃料要消耗比普通電動(dòng)汽車(chē)更多的能源。污染也是個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題。除了甲烷轉(zhuǎn)化，獲得綠色氫氣的唯一可行的方式是通過(guò)電解。但坦白講，這一過(guò)程中消耗的電可以更好地用在普通電動(dòng)汽車(chē)上。

發(fā)展瓶頸

1. 氫氣的來(lái)源問(wèn)題。氫氣不像氮?dú)夂脱鯕馐强諝庵械淖钪饕M成元素，想得到氫氣可以通過(guò)電解水，但這可是個(gè)不太經(jīng)濟(jì)的方法，能量損失極大。此法先從電解水開(kāi)始，耗費(fèi)電能，產(chǎn)生氫氣，氫氣再發(fā)電過(guò)程中還會(huì)有能量損失。目前最好的電解水系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率只有 80%，并不怎么高效。

再來(lái)看甲烷轉(zhuǎn)化氫氣方面，蒸汽需要加熱到700-1000攝氏度，然后與甲烷結(jié)合生成氫氣和一氧化碳，以及少量二氧化碳，美國(guó)有95%的氫氣通過(guò)這種方法來(lái)制造。甲烷轉(zhuǎn)化雖然要更劃算，但卻會(huì)造成污染。有研究顯示，甲烷基礎(chǔ)設(shè)施的泄露情況比原先想象的還糟糕（最高達(dá)7%）。而作為溫室氣體，甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的86倍。如果你想要一輛百分百環(huán)保的燃料電池汽車(chē)，就必須以不造成污染的方式來(lái)制造氫氣，這并不容易。

2. 充電站成本昂貴。電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)在道路上（家中）建立了充電基礎(chǔ)設(shè)施，但氫氣銷(xiāo)售點(diǎn)卻很少，相隔距離也很遠(yuǎn)。這是由于缺少需求，還有就是建造成本高昂。普通的電動(dòng)汽車(chē)充電站只需花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)美元來(lái)建造，即使是特斯拉的超級(jí)充電站建造成本也僅有30萬(wàn)美元。但建造一個(gè)氫氣燃料站卻需要花費(fèi)100萬(wàn)- 200萬(wàn)美元，因?yàn)樾枰鉀Q處理液態(tài)氫氣的問(wèn)題。因此，美國(guó)現(xiàn)在也只有大約50個(gè)氫氣燃料站，其中22個(gè)位于加州。

3. 金屬鉑稀缺。在氫燃料電池發(fā)電的過(guò)程中會(huì)用到金屬鉑作為催化劑。這種金屬就是鉑金戒指的鉑，產(chǎn)量小且價(jià)格昂貴。想要大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池，鉑就是瓶頸，而且完全沒(méi)有規(guī)?；蟪杀緶p少的效應(yīng)，反而需求越多就會(huì)越貴。

4. 氫氣的安全性。有人說(shuō)帶著氫氣瓶就像帶個(gè)氫彈，這在無(wú)形中造成了很多人對(duì)安全問(wèn)題的擔(dān)憂(yōu)。但實(shí)際上，氫比石油要安全得多。儲(chǔ)氫罐的密封較好，形成低溫高壓的空間，使其液化后能大量?jī)?chǔ)存。

至于泄漏之后的安全性，反而氫氣更安全。氫是最輕的氣體，擴(kuò)散性極強(qiáng)，它的擴(kuò)散系數(shù)比空氣大3.8倍，比汽油大7.5倍。泄漏之后會(huì)直線(xiàn)向上運(yùn)動(dòng)，即使形成火焰，那也是一維的火焰直線(xiàn)，指向天空；而油類(lèi)燃料則是向四周蔓延，形成面的燃燒，反而更不安全。氫氣的比重低，易向上逃逸，所以少量的氫氣泄漏，可以在空氣中很快被稀釋成安全的混合氣，這使得發(fā)生事故時(shí)影響范圍要小得多。

充滿(mǎn)期待的未來(lái)

盡管如此，氫燃料電池汽車(chē)也已經(jīng)量產(chǎn)，并已開(kāi)始售賣(mài)。豐田氫燃料電池車(chē)Mirai在海外的起價(jià)為57500美元（約合人民幣35.7萬(wàn)元），但是在聯(lián)邦和州政府刺激之下降至45000美元（約合人民幣27.9萬(wàn)元）以下。在美國(guó)可以采用分期付款的形式每月499美元36個(gè)月付清。除此之外，豐田和本田還將向買(mǎi)家免費(fèi)提供三年氫氣。各大汽車(chē)公司還計(jì)劃逐步增加氫氣燃料站數(shù)目。

相對(duì)于環(huán)保省錢(qián)的電動(dòng)汽車(chē)，氫氣燃料電池汽車(chē)或許現(xiàn)在還無(wú)可比擬。但在消費(fèi)者的心中，實(shí)用也很重要：燃料電池汽車(chē)加滿(mǎn)燃料的速度更快，行駛的距離更遠(yuǎn)。而且，氫氣燃料電池汽車(chē)還處于早期階段，充電式電動(dòng)汽車(chē)在10年前也存在許多看似無(wú)法克服的問(wèn)題，而現(xiàn)在各國(guó)境內(nèi)都已經(jīng)有很多電動(dòng)汽車(chē)。所以，我們對(duì)氫燃料汽車(chē)的未來(lái)充滿(mǎn)信心。