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氫燃料電池汽車的秘密

鉅大LARGE  |  點擊量:937次  |  2020年01月04日  

在2013年洛杉磯和東京舉辦的汽車展上,三家汽車制造商——本田、現代和豐田稱,氫燃料汽車有望于2014年春季問世。這個此前僅存在于汽車工程師閑聊中的未來燃料,似乎已經離我們不遠了。


氫燃料與汽油、柴油、煤油和天然氣等傳統碳氫燃料不同,因其不含碳成分而備受關注。因此,氫燃料在燃燒后不會產生含碳的溫室氣體,至少在汽車發動機內不會直接產生。然而,如果氫燃料在大氣環境中而非純氧氣環境中燃燒,會生成有毒的氮氧化物。這是一種比二氧化碳更具破壞性的溫室氣體,其對環境的危害更大。


有鑒于此,無需燃燒過程、從氫氣中提取化學能的燃料電池進入汽車工程師的視野。燃料電池的工作原理是反向電解。通常電解是用電將水分解成氫和氧,反之把混合的氫氧通過電化學反應生成水,從而產生電流。因此,燃料電池的排放物僅有水蒸氣和熱量。


以最簡單的PEM(質子交換膜)燃料電池為例,在正負兩極間,用鍍有鉑鈀催化劑的高分子膜作電解質。燃料箱中的氫被泵入到電池正極,負極則由空氣中提取的氧包圍著。


由于一個PEM電池只能產生不到1伏的電壓,因此需要做成類似切片面包似的電池組件才可產生有效電壓。


數據顯示,燃料電池組的效率可以達到內燃機的3—4倍。更重要的是,使用這種燃料電池的主要對象是電動汽車,避免了車體安裝笨重的電池,從而解決了電動汽車的兩大缺陷:行駛距離較短;充電時間較長。


車載的最新燃料電池,1罐氫氣可以保證汽車行駛300英里(約480公里),燃料箱補充水時僅需5分鐘。值得注意的是,就像傳統電動汽車一樣,燃料電池汽車也是零排放汽車(ZEVS)。


燃料電池的另一個優點是其成本下降的速度。目前已耗資幾十億美元的充電電池——鋰離子技術,看起來短期不會有太大進展,其發電成本高達2000美元/千瓦。燃料電池在這方面有著極大潛力和優勢。


不過,廣泛應用PEM的障礙在于電解質成本高,但是如果能找到廉價,性能堪比鉑鈀電解質,且在氫氣里不易受雜質(如二氧化碳)污染的其他替代物,那么這個問題就會迎刃而解。


此外,氫氣的供應也是一個難題。美國目前約有100個氫氣供能站,但大部分面向工廠、軍隊、政府部門和出于私人用途的研究機構,向公眾開放的寥寥無幾。盡管,加州計劃未來十年斥資2000萬美元建造100座加氫站,但在全國范圍內新建加氫站預計將耗資200億美元。


再往上游看,目前工業氫能(用于煉油原料)由蒸汽加工天然氣法而來。該過程并不清潔。美國國家可再生能源實驗室稱,科羅拉多州的聯邦研究機構用蒸汽法生產1千克氫氣,便生成11.9千克二氧化碳。以本田Clarity車為例,行駛能力為68英里/千克氫,意味著會有175克/英里的二氧化碳廢氣排入大氣。


相比之下,大眾的小型柴油車廢氣排放145克/英里,豐田普銳斯汽油—電動兩用車廢氣排放167克/英里,這些都要比燃料電池汽車更加清潔。


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