氫能汽車

　　【概述】

　　氫能汽車是以氫為主要能量作為移動的汽車。一般的內燃機，通常注入柴油或汽油，氫汽車則改為使用氣體氫。燃料電池和電動機會取代一般的引擎，即氫燃料電池的原理是把氫輸入燃料電池中，氫原子的電子被質子交換膜阻隔，通過外電路從負極傳導到正極，成為電能驅動電動機；質子卻可以通過質子交換膜與氧化合為純凈的水霧排出。這樣有效減少了其他燃油的汽車造成的空氣污染問題，高速車輛、巴士、潛水艇和火箭已經在不同形式使用氫。另一方面能源從來都是個問題，近年來，國際上以氫為燃料的“燃料電池發(fā)動機”技術取得重大突破，而“燃料電池汽車”已成為推動“氫經濟”的發(fā)動機。

　　用氫氣作燃料有許多優(yōu)點，首先是干凈衛(wèi)生，氫氣燃燒后的產物是水，不會污染環(huán)境，其次是氫氣在燃燒時比汽油的發(fā)熱量高。在1965年，外國的科學家們就已設計出了能在馬路上行駛的氫能汽車。我國也在1980年成功地造出了第一輛氫能汽車，可乘坐12人，貯存氫材料90公斤。氫能汽車行車路遠，使用的壽命長，最大的優(yōu)點是不污染環(huán)境。

　　氫是可以取代石油的燃料，其燃燒產物是水和少量氮氧化合物，對空氣污染很少。氫氣可以從電解水、煤的氣化中大量制取，而且不需要對汽車發(fā)動機進行大的改裝，因此氫能汽車具有廣闊的應用前景。推廣氫能汽車需要解決三個技術問題：大量制取廉價氫氣的方法，傳統(tǒng)的電解方法價格昂貴，且耗費其他資源，無法推廣；解決氫氣的安全儲運問題；解決汽車所需的高性能、廉價的氫供給系統(tǒng)。目前常見的供給系統(tǒng)有三種，氣管定時噴射式、低壓缸內噴射式和高壓缸內噴射式。隨著儲氫材料的研究進展，可以為氫能汽車開辟全新的途徑。而最近，科學家們研制的高效率氫燃料電池，更減小了氫氣損失和熱量散失。

　　【原理】

　　眾所周知，氫分子通過燃燒與氧分子結合產生熱能和水。氫燃料電池通過液態(tài)氫與空氣中的氧結合而發(fā)電，根據(jù)此原理而制成的氫燃料電池可以發(fā)電用來推動汽車，提供家庭或工業(yè)用電或作為手機電池。一原理說起來很簡單，但具體分析的話就會發(fā)現(xiàn)，其實提煉氫燃料的過程非常復雜，而且能耗也非常高。

　　【氫內燃】

　　氫內燃車和氫燃料電池車不同。氫內燃車是傳統(tǒng)汽油內燃機車的帶小量改動的版本。氫內燃直接燃燒氫，不使用其他燃料或產生水蒸氣排出。這些車的問題是氫燃料很快耗盡。載滿氫氣的油缸只能行駛數(shù)英里，很快便沒能量。另一方面，各色各樣的方法正在研究以減少耗用的空間，例如用液態(tài)氫或氫化物。1807年IsaacdeRivas制造了首輛氫內燃車?？上г撛O計甚不成功。寶馬的氫內燃車有更多的力量，比氫燃料電池車更快。寶馬的氫汽車以三百公里每小時創(chuàng)下了氫汽車的最高速記錄。萬事達已在開發(fā)燒氫的轉子引擎。該轉子引擎反覆轉動，故氫從開口在引擎內的不同部分燃燒，減少突然爆炸這個氫燃料活塞引擎的問題。日本武藏工業(yè)大學1990年在第八屆世界氫能會議上展出了一部使用液氫儲罐的燃氫轎車。它由NISSAN車改裝，使用一個容積100L，總重60kg的液氫罐，可以100km/h行駛，排放廢氣中無CO2。中國研制的燃用氫、汽油混合燃料的城市節(jié)能公共汽車正進行試驗。其他重要汽車生產商如通用汽車和DaimlerChrysler公司，投資在較慢較弱但較有效的氫燃料電池。

　　【儲氫方法與材料】

　　傳統(tǒng)儲氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險；另一種方法是儲存液態(tài)氫，但液體儲存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱。近年來，一種新型簡便的儲氫方法應運而生，即利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。研究證明，在一定的溫度和壓力條件下，一些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬，稱為儲氫合金。其儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，也即相當于儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。儲氫合金都是固體，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存于其中的氫釋放出來，因此是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。目前研究發(fā)展中的儲氫合金，主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。

　　儲氫合金還有將儲氫過程中的化學能轉換成機械能或熱能的能量轉換功能。儲氫合金在吸氫時放熱，在放氫時吸熱，利用這種放熱－吸熱循環(huán)，可進行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設備。此外它還可以用于提純和回收氫氣，它可將氫氣提純到很高的純度。例如，采用儲氫合金，可以以很低的成本獲得純度高于99.9999％的超純氫。儲氫合金的飛速發(fā)展，給氫氣的利用開辟了一條廣闊的道路。目前中國已研制成功了一種氫能汽車，它使用儲氫材料90千克，可行駛40千米，時速超過50千米。今后，不但汽車會采用燃料電池，飛機、艦艇、宇宙飛船等運載工具也將使用燃料電池，作為其主要或輔助能源。另外由于大量使用的鎳鎘電池（Ni－Cd）中的鎘有毒，使廢電池處理復雜，環(huán)境受到污染。鎳氫電池與鎳鎘電池相比，具有容量大、安全無毒和使用壽命長等優(yōu)點。發(fā)展用儲氫合金制造的鎳氫電池（Ni－MH），也是未來儲氫材料應用的另一個重要領域。

　　【氫燃料電池】

　　現(xiàn)在可以使用的主要有這樣幾種：

　　熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

　　1980年研制成功，在650攝氏度下工作，把熔融碳酸鹽作為電解質，把送到正極的二氧化碳作為離子載體。不需要催化劑，而且可以使用天然氣等其他氣體燃料。但是啟動時間較長。

　　固體氧化物燃料電池（SOFC）

　　1980年研制成功，電解質為含有氧化鋯等成分的固體陶瓷材料。工作在800~1000攝氏度的高溫，離子可以通過陶瓷材料。不需要鉑等催化劑。也可以使用其他氣體燃料，啟動時間也較長。

　　磷酸燃料電池（PAFC）

　　1967年研制成功，工作溫度接近200度，需要催化劑，電解質為磷酸水溶液，在飯店和醫(yī)院使用較多。

　　固體高分子燃料電池（PEFC）

　　目前投入研究力量最大的電池，電解質為高分子樹脂薄膜，可以實現(xiàn)小型化。工作溫度在100度以下，但是需要催化劑。也可以使用甲醇。啟動時間也最短。

　　【氫燃料電池的研究歷史】

　　1960年代后期，RogerE.Billings制造了燃料電池的原型。在燃料電池氫汽車的發(fā)展主要有三個障礙。

　　首先，氫的密度很低，就算燃料以液態(tài)形式儲存在低溫瓶或壓縮氣體瓶，在那些空間能夠儲存的能量十分有限，而氫汽車比起其他汽車就十分受限。有些研究已經用特別結晶體來儲存氫在較高密度的環(huán)境中，而且更安全。

　　另外一種方法是不儲存氫分子，而使用氫重組器來從傳統(tǒng)燃料如甲烷、汽油和乙醇，提取氫。很多環(huán)保分子對此想法不感興趣，因為它依賴了化石燃料?？墒牵@是有效的重組程序。使用重組過的汽油或乙醇來推動燃料電池，仍比使用內燃引擎來得有效。

　　其次，制造在氫汽車提供電力可靠燃料電池，耗資頗高?？茖W家努力研究令燃料電池的成本盡量便宜，同時又有足夠硬度以抵受撞擊和震動這些汽車的基本問題。燃料電池的設計大都脆弱，故不能在那些情況下保存。加上很多設計都需要稀有物如鉑作為加速劑，令工作更順暢，而加速劑可能污染氫的純凈度，不利氫的提供。

　　第三個問題是氫可作為能量的攜帶者而非能源。它必須從化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失（因為從其他能源到氫又回到能量的轉換并非百分百有效）。因為任何能源都有缺點，轉換到氫會引起關于如何產生這種能源的政治決定。

　　最近有方法成功直接從太陽和水，透過金屬的催化劑，產生了氫。這或能使從太陽能轉成氫有一個便宜、直接、清潔的途徑。

　　【“氫燃料電池代價太大”】

　　1.一般情況下，我們要獲得氫，都會從水里分解出來，這就需要用到電，需要將交流電轉化成直流電，這過程將使得氫分子中的能連損失2%-3%

　　2.接下來我們開始電解水，在此過程中能效只能達到70%，其余30%的能量被消耗掉。

　　3.經過上述兩個過程，我們獲得了氫氣，但是由于是氣體，因此其體積非常大，這個就需要我們用10000磅/平方英寸的大氣壓強對氫氣進行壓縮處理，這個過程又將耗能15%，即便是經過了這一系列處理，同等質量的氫燃料所包含的能量值也只有普通汽油燃料的20%所有，并且要貯存這些氫燃料需要很大的存儲設備。此外，為了保持氫燃料電池的穩(wěn)定，我們還要將溫度控制在零下253度，這一過程再次耗能30%-40%。

　　4.在運輸過程中，由于我們很難保持零下253度的恒溫，因此我們還將損失10%的能量。

　　5.而在氫燃料被注入汽車前，我們又損失了大約50%的能量。

　　6.最終我們還將損失10%的能量，因為氫能汽車的能效只有90%。

　　綜合上述所有的過程，我們要驅動一輛氫能汽車的能耗高達80%，從節(jié)能降耗的角度來看，氫能汽車不達標。

　　【環(huán)保問題】

　　一般人認為，以氫燃料為動力的汽車只會產生水，事實也的確是這樣，那為什么說氫燃料汽車并不環(huán)保呢？環(huán)球能源網(wǎng)認為，我們必須從其生產原料上來分析，由于技術水平并不先進，以及考慮到成本等的問題，世界上很多國家的氫燃料的生產并不是以水為原料，而是以天然氣作為生產原料，先前講到了，如果要電解水取得氫氣，那需要很大的能量消耗，而且要生產出能量值與普通汽油燃料相當?shù)臍淙剂?，我們就需要大量的水資源，水同樣也是我們這個星球稀缺的資源，因為我們這里講到的水是淡水，而不是海水。而天然氣的貯存方式相對成熟得多，而且我們可以用并不算多的天然氣生產出能量值與普通汽油燃料相當氫燃料。因此，作為氫燃料生產商來說，為了降低生產成本，他們寧愿選擇天然氣。問題就出在這里，天然氣也屬于化石能源的范疇，那么使用它就必定會產生大量的二氧化碳，從這個層面上來講，我們的氫能汽車并不環(huán)保。

　　除了從節(jié)能和環(huán)保的角度來分析氫能汽車的未來，我們還應該從經濟層面來審視一下其發(fā)展現(xiàn)狀，如今我們很多的加油站都是以提供化石燃料為主，而沒有單獨提供氫能燃料的場所，如果我們要利用起的加油站，那么就必須修建大量的輸送管道，而且這樣做的前提是，氫能汽車的數(shù)量一定要達到一個合適的規(guī)模，數(shù)量過少的話，那修建輸送管道的成本就顯得有點高了。而如今，我們只能從一些新能源展會上才能看到氫燃料電池汽車的身影，大街上主要行駛的還是普通汽油驅動的汽車，即便是在巴西這樣的新能源汽車大國，其80%以上的汽車使用的也是乙醇，而非氫燃料電池。因此在可以預見的將來，我們還很難將氫燃料電池汽車推廣出去，至少在工藝上我們還不過關。

　　【產業(yè)前景】

　　“氫能汽車上路還需15年”

　　國際油價持續(xù)飆升，讓人叫苦不迭。美國政府提出以氫燃料電池車為主要措施解決美國交通能源問題，這似乎帶來了美好希望。不過，麻省理工學院的一些能源專家日前則提醒公眾，氫燃料電池車真正要“跑起來”，至少還需要15年的時間。

　　對于氫燃料電池車上路的時間表，麻省理工學院(MIT)能源委員會近日出臺報告說，與目前的車輛相比，性能與價格具有競爭力的氫燃料電池車真能“上路”、“跑起來”，至少還需要15年；而要讓氫燃料電池車被大規(guī)模采用，達到明顯降低現(xiàn)有車輛對石油依賴程度的目的，可能還需要50年的時間。

　　MIT能源委員會的約翰·海伍特教授指出，作為一項頗具潛力的、能替代石油燃料的技術措施，氫燃料電池車目前的“路障”涉及到氫燃料的生產、儲存和輸送基礎設施，以及燃料電池的成本等問題。他強調，發(fā)展所謂的以氫為燃料的“氫交通經濟”確實是一個巨大的挑戰(zhàn)。即便價格與性能被公眾接受，氫燃料電池車還需要幾十年的時間才能被大規(guī)模采用。

　　海伍特解釋說，氫燃料電池車的推廣要受許多因素的制約。首先，新技術車輛大規(guī)模應用是早還是晚，主要受到現(xiàn)有車輛平均壽命的限制。目前車輛平均壽命是15年。無論是先進的內燃發(fā)動機車、混合車，還是氫燃料電池車，即使有人買了這些具有新技術的車輛，目前大多數(shù)車主需要15年才能換車，這些年內，舊車還會在路上跑，還會在繼續(xù)燒汽油，繼續(xù)排放二氧化碳等溫室氣體。

　　第二，配有新技術的車輛在廠家生產車間，從第一臺到批量生產一般需要幾年的時間，到大規(guī)模推廣又得幾年之后。拿油電混合車來說，混合車有全新的技術，但市場份額卻增長緩慢?；旌宪囋诿绹?999年上市，到目前為止市場份額卻只有1%。

　　第三，從推廣氫燃料電池車對解決交通石油燃料危機的影響角度說，歐洲過去25年推廣柴油發(fā)動機的經驗表明，短期內節(jié)省燃料有效措施并不一定來自全新的技術，而在于如何在現(xiàn)有車輛技術基礎上更好地進行改進，更經濟地使用燃料。

　　MIT能源專家在報告中預計，即使研制出具有價格和性能競爭力的氫燃料電池車，還將需要25年左右的時間，才能使其占新車和輕型卡車銷售的份額達到35%，而要使氫燃料電池車替代現(xiàn)有35%的車輛的話，還會再需要20年左右的時間。

　　在討論氫燃料電池車時間表的同時，專家們也給政府交通能源政策出了不少主意。他們認為，與氫燃料電池車的情況相比，目前改進內燃發(fā)動機性能、減輕車輛重量等措施，倒是有可能對減少車輛過度耗油產生“立竿見影”的效果。先進的內燃發(fā)動機、清潔的柴油發(fā)動機以及油電混合車在未來30年內將對節(jié)省交通石油燃料產生很大的影響。

　　MIT的專家們還認為，應該大力提倡一些新技術措施，包括發(fā)展油耗低的經濟型車輛，從嚴修訂車輛燃料經濟性標準，提高汽油消費稅等，當然，這些需要政府牽頭鼓勵汽車廠家實施以及公眾積極配合，才能實現(xiàn)減少車輛過度耗油的目的。

　　不過，他們也承認，有效降低美國的巨大交通石油燃料消費量，確實是一大挑戰(zhàn)。他們的好想法并不一定會被美國民眾廣泛接受和采納。因為長期以來，美國汽車文化中并沒有太多地考慮節(jié)約石油，而是一味地追求車輛的舒適性。同時，對于那些能很快舒緩車輛過度耗油問題、潛力巨大的技術措施，美國政府也并沒有像熱衷“氫經濟”計劃項目那樣，予以大力支持和足夠的投資。

　　【中國氫能汽車技術與研發(fā)】

　　我國在氫能汽車研發(fā)領域取得重大突破，已成功開發(fā)出氫能燃料電池汽車性能樣車。

　　目前，國內在燃料電池發(fā)動機方面已取得大功率氫—空燃料電池組制備的關鍵技術，轎車用凈輸出30kW、客車用凈輸出60kW和100kW的燃料電池發(fā)動機，已在同濟大學和清華大學燃料電池發(fā)動機測試基地分別通過了嚴格的測試并裝車運行，燃料電池轎車已經累計運行4000多公里，燃料電池客車累計運行超過8000公里。

　　此前，以氫氣為能源的燃料電池汽車被列入國家“863”計劃，科技部投入1．2億元支持燃料電池汽車和相關技術的研發(fā)。

　　此外，國內研發(fā)的燃料電池汽車在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均得到較大提高。國內汽車企業(yè)還開發(fā)出100多種燃氣汽車，在19個城市開展了推廣應用；國內自主研發(fā)的純電動汽車、混合動力汽車，也已開始示范運行

　　【中國氫能汽車發(fā)展與推廣】

　　能源短缺、環(huán)境污染、全球氣候變化……令開發(fā)清潔、高效、安全和可持續(xù)的能源迫在眉睫，其中，氫能正在受到越來越多國家的重視.

　　5月底的一天，北京凱賓斯基飯店門前的小展廳，停放著一輛銀色家用轎車，車的左側被摘掉，甲板是透明的，參觀者望去，車內與一般4座家用轎車無異。

　　透過甲板，可以看到兩個比煤氣罐略窄的罐子，據(jù)介紹，這兩個罐子是用來裝氫燃料的。罐子前方貼著一個像小案板一樣的片狀物，這是一個將氫轉換為電的設備。

　　這是戴姆勒-克萊斯勒公司生產的燃料電動汽車，它最大的優(yōu)點是，排放物僅僅是水，沒有任何污染。未來人們駕駛的汽車，可能大多數(shù)都是這樣的。

　　這樣的汽車中國企業(yè)現(xiàn)在也能生產，在凱賓斯基飯店內的展廳里，上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)公司生產的基于桑塔納2000車型的“超越1號”樣車，同樣引起許多人的注意。

　　【氫能經濟：中國的后發(fā)優(yōu)勢】

　　氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的能源，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ?span id="lrxpb5l" class='hrefStyle'>清潔能源，開發(fā)氫能已引起各國的高度重視。

　　2003年11月，澳大利亞、巴西、加拿大、中國、法國、德國、冰島、印度、意大利、日本、挪威、韓國、俄羅斯、英國、美國15個國家和歐盟代表在美國華盛頓共同簽署非約束性的“氫能經濟國際合作伙伴計劃”參考條款。“氫能經濟國際合作伙伴計劃”下設指導委員會和執(zhí)行及聯(lián)絡委員會。

　　5月底，“氫能經濟國際合作伙伴計劃”下設的指導委員會在北京召開了第二次會議。與會議同時召開的還有第二屆國際氫能論壇。從這兩個會議上透露出的信息表明，近年來，美國、日本、歐盟都制定了氫能發(fā)展規(guī)劃，投入大量經費支持氫能開發(fā)和應用示范活動。美國政府宣布今后5年撥款17億美元支持氫能開發(fā)；歐盟也撥?？钛芯繗淠苻D換技術和燃料電池，歐洲10個城市已從2003年開始示范運行商業(yè)化的燃料電池公共汽車。

　　中國科技部秘書長石定環(huán)也透露，中國政府正在研究到2020年的能源戰(zhàn)略，氫能利用被列為重點發(fā)展的方向之一?？萍疾堪才帕艘慌鷼淠苻D換技術研發(fā)與應用示范項目，科研人員已在一些關鍵技術上取得顯著進展，自主研制的燃料電池轎車、客車已實驗運行2000多公里。

　　莫約翰則對《財經時報》分析說，傳統(tǒng)汽車經過多年發(fā)展，已有了非常完善的基礎設施(加油站設置、油品生產等)，而要培養(yǎng)新的基礎設施，需要巨額投資，這對企業(yè)充滿風險。但對發(fā)展中的中國來講，相對來說，更有機會采用這種新技術、新能源。

　　【加氫站】

　　國際油價持續(xù)走高，許多國家都在尋找替代能源。近日，通用汽車與殼牌氫能源公司在美國首都華盛頓聯(lián)合推出了全美第一個加氫加油站，為普通汽車提供加油服務，并為燃料電池車加氫。

　　加氫設施與普通加油站內的設施沒有太大區(qū)別，加氫過程與一般汽油車加油類似。加氫站面積比一般加油站大，由氫氣分離廠和加氣臺兩部分組成。氫氣分離廠內設有氫氣分離罐，工程人員向罐內輸入水，在電力的作用下，水便分離成氫氣和氧氣。分離出的氧氣通過管道向空中釋放，同時將氫氣收集在密封壓力罐內加壓、儲存，再通過高壓管道為氫汽車加氫。

　　氫是易燃物，所以人們首先會想到加氫站和氫汽車的安全性。據(jù)專家介紹，加氫站內的高壓罐和管道的壓力雖然高達5700大氣壓單位，但科研人員成功地解決了管道壓力問題，顧客加氫時絕對安全。氫汽車不以燃燒氫氣為動力，而是經由汽車內的燃料電池與氫氣反應，產生電流作為動力。

　　【車載氫氧機：節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)實之路】

　　氫內燃氣和燃料電池兩種氫能汽車方案都存在制氫成本高、貯存成本高等現(xiàn)實難題，要想達到產業(yè)化和全面普及尚有待時日。人們對于氫能汽車的追求腳步一刻也沒有停息，最近，一種車載氫氧機方案正在全球范圍內的各個國家的業(yè)余愛好者在自己的工作室內進行研究實驗。

　　車載氫氧機是利用汽車上蓄電池的電力對水進行電解，所產生的氫氧混合氣由進風口被吸入汽車內燃機中，和傳統(tǒng)的汽油、柴油或是天然氣混合燃燒。氫氧混合氣只有加入5%左右，即可達到降低燃油消耗10%~40%,同時減少50%的污染排放。

　　車載氫氧機節(jié)能減排的實踐巳被驗證，這是氫能普及道路上的一個過渡方案。雖沒有完全替代傳統(tǒng)燃料，但能達到節(jié)能減排，也是一個不錯的選擇，畢竟這種方案投資少，見效快，更容易被消費者所接受。