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氢燃料电池汽车的秘密

导读: 氢燃料与汽油、柴油、煤油和天然气等传统碳氢燃料不同,因其不含碳成分而备受关注。因此,氢燃料在燃烧后不会产生含碳的温室气体,至少在汽车发动机内不会直接产生。然而,如果氢燃料在大气环境中而非纯氧气环境中燃烧,会生成有毒的氮氧化物。

  在2013年洛杉矶和东京举办的汽车展上,三家汽车制造商——本田、现代和丰田称,氢燃料汽车有望于2014年春季问世。这个此前仅存在于汽车工程师闲聊中的未来燃料,似乎已经离我们不远了。

  氢燃料与汽油、柴油、煤油和天然气等传统碳氢燃料不同,因其不含碳成分而备受关注。因此,氢燃料在燃烧后不会产生含碳的温室气体,至少在汽车发动机内不会直接产生。然而,如果氢燃料在大气环境中而非纯氧气环境中燃烧,会生成有毒的氮氧化物。这是一种比二氧化碳更具破坏性的温室气体,其对环境的危害更大。

  有鉴于此,无需燃烧过程、从氢气中提取化学能的燃料电池进入汽车工程师的视野。燃料电池的工作原理是反向电解。通常电解是用电将水分解成氢和氧,反之把混合的氢氧通过电化学反应生成水,从而产生电流。因此,燃料电池的排放物仅有水蒸气和热量。

  以最简单的PEM(质子交换膜)燃料电池为例,在正负两极间,用镀有铂钯催化剂的高分子膜作电解质。燃料箱中的氢被泵入到电池正极,负极则由空气中提取的氧包围着。

  由于一个PEM电池只能产生不到1伏的电压,因此需要做成类似切片面包似的电池组件才可产生有效电压。

  数据显示,燃料电池组的效率可以达到内燃机的3—4倍。更重要的是,使用这种燃料电池的主要对象是电动汽车,避免了车体安装笨重的电池,从而解决了电动汽车的两大缺陷:行驶距离较短;充电时间较长。

  车载的最新燃料电池,1罐氢气可以保证汽车行驶300英里(约480公里),燃料箱补充水时仅需5分钟。值得注意的是,就像传统电动汽车一样,燃料电池汽车也是零排放汽车(ZEVS)。

  燃料电池的另一个优点是其成本下降的速度。目前已耗资几十亿美元的充电电池——锂离子技术,看起来短期不会有太大进展,其发电成本高达2000美元/千瓦。燃料电池在这方面有着极大潜力和优势。

  不过,广泛应用PEM的障碍在于电解质成本高,但是如果能找到廉价,性能堪比铂钯电解质,且在氢气里不易受杂质(如二氧化碳)污染的其他替代物,那么这个问题就会迎刃而解。

  此外,氢气的供应也是一个难题。美国目前约有100个氢气供能站,但大部分面向工厂、军队、政府部门和出于私人用途的研究机构,向公众开放的寥寥无几。尽管,加州计划未来十年斥资2000万美元建造100座加氢站,但在全国范围内新建加氢站预计将耗资200亿美元。

  再往上游看,目前工业氢能(用于炼油原料)由蒸汽加工天然气法而来。该过程并不清洁。美国国家可再生能源实验室称,科罗拉多州的联邦研究机构用蒸汽法生产1千克氢气,便生成11.9千克二氧化碳。以本田Clarity车为例,行驶能力为68英里/千克氢,意味着会有175克/英里的二氧化碳废气排入大气。

  相比之下,大众的小型柴油车废气排放145克/英里,丰田普锐斯汽油—电动两用车废气排放167克/英里,这些都要比燃料电池汽车更加清洁。

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