姚杰

氫燃料電池汽車加滿燃料的速度更快，行駛的距離更遠，且尾氣排出只有水，可實現(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，第一印象就是特斯拉電動汽車。其實，中國北方用煤炭發(fā)電比較多，煤炭燃燒當(dāng)然會產(chǎn)生污染，所以純電動并不能代表是完全環(huán)保無污染。相比之下，氫氣沒有污染、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。進入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術(shù)，氫燃料電池很快就被運用于發(fā)電和汽車。波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機。

尾氣排出只有水的汽車

氫燃料電池汽車也是電動汽車，只不過它的“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和叉車等工業(yè)領(lǐng)域使用。許多公司都已推出氫燃料電池汽車，并已在2015年上半年上市。氫燃料電池技術(shù)是未來改變?nèi)祟惿畹男录夹g(shù)之一，將成為解決石油危機的新途徑。

氫燃料電池汽車尾氣僅排放水，可以實現(xiàn)零污染排放。這種汽車無需注滿汽油或者柴油，氫燃料電池汽車是由氫氣作為燃料。將氫氣注入汽車燃料缸中，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)動汽車行駛，這一化學(xué)反應(yīng)過程唯一的副產(chǎn)物就是水或者蒸汽，完全沒有二氧化碳，非常環(huán)保。

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

氫燃料電池的工作原理

和普通電池一樣，燃料電池由陽極、陰極和電解質(zhì)組成。大部分燃料電池汽車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極板（負極），經(jīng)過催化劑——鉑的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過質(zhì)子交換膜，到達燃料電池陰極板（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極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。由于氫燃料電池不儲能，確切地講應(yīng)該稱為氫發(fā)電裝置。

燃料汽車VS電動汽車

1. 燃料電池汽車相比電動汽車的主要優(yōu)勢就是方便。氫氣燃料電池汽車只需3到5分鐘就能充滿長途行駛所需的氣量（700個大氣壓的氫氣），而不是等上幾個小時來充滿電。電動汽車要做到這一點，就必須更換整組電池。充電最快的Tesla Model S也至少需要20分鐘才能充滿電，但行駛的距離還不到氫氣燃料電池汽車的一半。這讓燃料電池汽車更方便日常使用，汽車制造商們據(jù)此認為，希望尋找更環(huán)保汽車的消費者也許會認為燃料電池汽車要比電動汽車更實用。

2. 在性能和環(huán)保方面，燃料電池汽車使用和電動汽車一樣的電動馬達，所以性能表現(xiàn)差不多。但燃料電池會更適合皮卡和SUV，目前鋰電池并沒有辦法滿足這些車型的需要。鋰電池也要比燃料電池組（氫氣箱）重得多。

3. 燃料電池汽車的售價和維護費用要比電動汽車貴。豐田Mirai、日產(chǎn)Leaf的售價要比特斯拉便宜不少，給燃料電池汽車補充的氫氣價格約為3美元（換算成每加侖汽油等效產(chǎn)品后）。經(jīng)估算，給一輛車加滿氫氣需要花約50美元。這意味著，一輛燃料電池汽車的維護成本是普銳斯混合動力汽車的兩倍，是電動汽車的四倍。的確，這一成本會隨時間推移降低，但電動汽車和混合動力汽車也一樣會逐漸降低。

4. 制造和使用綠色氫氣的費用更高。燃料電池汽車的主要問題是，制造驅(qū)動它們的氫氣燃料要消耗比普通電動汽車更多的能源。污染也是個很嚴重的問題。除了甲烷轉(zhuǎn)化，獲得綠色氫氣的唯一可行的方式是通過電解。但坦白講，這一過程中消耗的電可以更好地用在普通電動汽車上。

發(fā)展瓶頸

1. 氫氣的來源問題。氫氣不像氮氣和氧氣是空氣中的最主要組成元素，想得到氫氣可以通過電解水，但這可是個不太經(jīng)濟的方法，能量損失極大。此法先從電解水開始，耗費電能，產(chǎn)生氫氣，氫氣再發(fā)電過程中還會有能量損失。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，美國有95%的氫氣通過這種方法來制造。甲烷轉(zhuǎn)化雖然要更劃算，但卻會造成污染。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，就必須以不造成污染的方式來制造氫氣，這并不容易。

2. 充電站成本昂貴。電動汽車已經(jīng)在道路上（家中）建立了充電基礎(chǔ)設(shè)施，但氫氣銷售點卻很少，相隔距離也很遠。這是由于缺少需求，還有就是建造成本高昂。普通的電動汽車充電站只需花費數(shù)十萬美元來建造，即使是特斯拉的超級充電站建造成本也僅有30萬美元。但建造一個氫氣燃料站卻需要花費100萬- 200萬美元，因為需要解決處理液態(tài)氫氣的問題。因此，美國現(xiàn)在也只有大約50個氫氣燃料站，其中22個位于加州。

3. 金屬鉑稀缺。在氫燃料電池發(fā)電的過程中會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，而且完全沒有規(guī)?；蟪杀緶p少的效應(yīng)，反而需求越多就會越貴。

4. 氫氣的安全性。有人說帶著氫氣瓶就像帶個氫彈，這在無形中造成了很多人對安全問題的擔(dān)憂。但實際上，氫比石油要安全得多。儲氫罐的密封較好，形成低溫高壓的空間，使其液化后能大量儲存。

至于泄漏之后的安全性，反而氫氣更安全。氫是最輕的氣體，擴散性極強，它的擴散系數(shù)比空氣大3.8倍，比汽油大7.5倍。泄漏之后會直線向上運動，即使形成火焰，那也是一維的火焰直線，指向天空；而油類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)生事故時影響范圍要小得多。

充滿期待的未來

盡管如此，氫燃料電池汽車也已經(jīng)量產(chǎn)，并已開始售賣。豐田氫燃料電池車Mirai在海外的起價為57500美元（約合人民幣35.7萬元），但是在聯(lián)邦和州政府刺激之下降至45000美元（約合人民幣27.9萬元）以下。在美國可以采用分期付款的形式每月499美元36個月付清。除此之外，豐田和本田還將向買家免費提供三年氫氣。各大汽車公司還計劃逐步增加氫氣燃料站數(shù)目。

相對于環(huán)保省錢的電動汽車，氫氣燃料電池汽車或許現(xiàn)在還無可比擬。但在消費者的心中，實用也很重要：燃料電池汽車加滿燃料的速度更快，行駛的距離更遠。而且，氫氣燃料電池汽車還處于早期階段，充電式電動汽車在10年前也存在許多看似無法克服的問題，而現(xiàn)在各國境內(nèi)都已經(jīng)有很多電動汽車。所以，我們對氫燃料汽車的未來充滿信心。