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燃料电池被认为是一种能够应用于交通运输的先进能源。与传统内燃机车辆以及新能源车辆相比,燃料电池由于直接将燃料中的自由能转换为电能,而不经历燃烧过程,具有高能量效率和排放很低的优点。但是,燃料电池也具有一些先天性的缺点,例如,因燃料电池系统的低功率密度,导致体积庞大且沉重的电源设备,较长的启动时间和缓慢的功率响应。此外,在某些特殊工况,比如在牵引应用中,急剧加速状态下极大的功率输出,以及低速驾驶情况下极低的功率输出都会导致其低效率。同时,最难以突破的问题就是氢气的储存方式以及成本问题。这些问题都阻碍燃料电池成为未来新能源车辆的最佳解决方案。

不能“储电”而是一个“发电厂”

燃料电池到底是什么,有何特点?燃料电池是否真如奔驰所言能够替代其他新能源方案,成为新能源车辆的终极解决方案?

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

早在1839年,被誉为燃料电池之父的SirWilliamGrove已经发现通过反向的水的电解即可产生电。但是直到1889年,才诞生了第一个利用空气和煤气的实用燃料电池。可以说燃料电池是一种原电池,借助于电化学过程,其内部燃料的化学能直接转换为电能。虽然燃料电池叫电池,但不是通常意义中的电池,准确的说,燃料电池是一座小型发电站,能够在其内部通过化学方式产生电能。其工作原理如图1所示,燃料和氧化剂持续且独立地供给电池的两个电极,并在电极处进行反应,离子通过电解液从一个电极传导至另一个电极。当燃料供给给阳极时,在该电极处,依靠催化剂,电子从燃料中释放。随后,在两电极间电位差作用下,电子经外电路流向阴极或负极,在阴极处,正离子和氧气结合,产生反应物或废气。

燃料电池如何工作?

实际上,燃料电池需要辅助设备支持才能维持稳定运行。辅助设备主要包括空气循环泵、冷却水循环泵、排气扇、燃料供应泵和电控设备,如图2所示。辅助设备之中,空气循环泵的能量消耗最大,其消耗功率(含其驱动电机)大约可占燃料电池总输出功率的10%,其他辅助设备消耗的能力比空气循环泵消耗的能量要小的多。可见,燃料电池也如同内燃机一样,其辅助设备也消耗了部分其自身产生的能量。这也使得燃料电池不可能拥有人们想象的近乎于100%的高效率。

燃料电池的种类

可以根据燃料电池电解质的类型,将其分类为六种主要的燃料电池:质子交换膜(PEM)或聚合物交换膜燃料电池(PEMFCs)、碱性染料电池(AFCs)、磷酸燃料电池(PAFCs)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)、固态氧化物燃料电池(SOFCs)和直接甲醇燃料电池(DMFCs)。各类燃料电池的效率、工作温度以及应用领域如表1所示。

现在主流的燃料电池研究主要是对质子交换膜燃料的电池的研究,相比起其他燃料电池,质子交换膜具有以下优点:可低温运行,运行温度为60-100°C;在所有燃料电池类型中,质子交换膜燃料电池功率密度最高,则为满足功率需求所需安装的燃料电池的体积越小;质子交换膜燃料电池采用固态电解质,其电解质不变化、迁移或从燃料电池中气化;在质子交换膜燃料电池中,因唯一的液体是水,故限定了任何腐蚀的可能性。

技术壁垒让燃料电池不够完美

氢储存的问题

将燃料电池应用于新能源车辆上,其最主要的难题是将燃料供应给车载燃料电池。众所周知,氢是应用于燃料电池车的理想燃料。因此,制氢极其储存是车载中的重要的关注点。通常,有两种途径向燃料电池供应燃料:一是在地面供应站生产氢气,而在车上储存纯氢;另一种是在车上,从易于含氢的承载装置中生产氢,并直接供给燃料电池。相对于在车上制氢,在车上储存氢是现阶段较为普遍的方案。但是,由于氢气本身的性质,在技术上还存在许多需要突破的难点。在车上储存氢,有三种方式:1.在环境温度下,在贮存器内储存压缩氢;2.在低温下,低温液态方式储存;3.金属氰化物的储存方法。其中第1、2种为较为普遍的方案,但各自也存在许多缺点。同时,由于篇幅所限,只在此讨论第1和第2种方案。

首先是压缩氢这种方式,纯氢采用加压状态下储存在罐内。根据资料,约20%的氢能量被消耗在将氢压缩至高压的过程之中,如果计算压缩机和电机的低效率后,估算约25%的氢能量被消耗。而且,由于采用高压的储存状态,贮气罐由于需要承受几百标准大气压的压力而需要有很高的强度。为了使得罐的重量尽可能地轻,同时容积合理,就需要采用复合材料,如碳纤维材料,但是,这样的成本会十分高。同时还必须考虑车载压缩氢的易燃性。除了因为在罐壁、密封处等开裂导致氢泄露的危险外,还存在氢穿过罐壁材料的渗透问题。这是由于含两个氢原子的分子极小,致使其能扩散通过某些材料。此外,万一失事,压缩氢贮存罐是一个潜在的炸弹。就氢本身而言,其危险性甚至更大。在空气中,氢具有从4%-77%很宽的爆炸范围,且可以非常迅速地与空气混合。与汽油相比,汽油爆炸范围仅为1%-6%,且为液体。所以,至今为止,车载压缩氢的储存技术仍然是应用于新能源车辆上的一个瓶颈。

另一种可供选择的车载储氢方法是在低温(-259.2°C)条件下使之液化。如果想在-259.2°C这样的低温下贮存液体,其技术上是十分困难的。要求深度绝热,以力求将从周围空气到低温液体的热传递减至最小,从而,防止其沸腾。通常的方法是构造一个高度绝热的贮罐,且使之坚固地足以承受因液氢气化所产生的相当的压力,而过量的压力则通过安全阀释放至大气中。这一贮罐的绝热、高强度和安全设置也显著地增加了液氢储存的重量和成本。使用液氢储存存在一个危险的情况:假如车辆在一个封闭区域(车库、地下停车场)内停车,则存在氢在有限的大气范围内聚集的危险。这样所形成的易爆混合气体在初次产生火花(灯开关、打火机等)条件下将起爆。液氢贮罐的加注需要特殊的防护措施:空气必须排除在环路之外。为此,一般采用的方法是在加注前先用氮注满贮罐,以便排空罐中的剩余气体。同样,必须应用专门用来控制爆炸和低温的设备。同时,任何低温液体对有生命生物是一种危险的化合物,会冷冻灼伤皮肤和器官。所以采用低温液化氢储存的方法也存在许多问题需要解决,同时还存在一定的危险性。可见,低温车载储氢也存在各种问题暂时无法解决,使得燃料电池的应用受到了阻碍。

可见,在现阶段和不远的将来,不论采用哪种储氢方式,都会存在各种各样的问题,这也制约了燃料电池的发展。

成本问题

由前可知,质子交换膜燃料电池是较为主流的燃料电池方案,同时也是最有希望提供给新能源车辆使用的。

虽然质子交换膜燃料电池相比于其他燃料电池,具有很多优点。但是,质子交换膜燃料电池也同样有着制约其成为未来新能源最佳解决方案的致命问题——成本问题。例如质子交换膜燃料电池反应时所使用的催化剂,需要使用昂贵的贵金属——铂来制造,这使得其成本一直居高不下。另外,由于聚合物膜的成本也很高,使得质子交换膜燃料电池的造价很高,并且在短期内无法降低成本。此外,由于铂催化剂极富活性,在某些情况下,例如吸入的空气来自于被污染城市中的大气时,就会发生毒化效应,而毒化效应会大大降低燃料电池的性能,这使得空气在进入质子交换膜燃料电池前,必须经过处理,这又增加了质子交换膜燃料电池的成本。可见,成本问题也是制约燃料电池成为未来新能源车辆最佳解决方案的一个方面。

综上,虽然燃料电池具有一定的优点,但是从储氢方式和成本这个两个问题上来看,都存在着很多问题,使得燃料电池在现阶段以及未来无法大规模投入使用。未来,是否会出现能够解决储氢问题的新方案,是否会降低燃料电池的生产及使用成本,我们不得而知,也许到了那一天,人类已经找到比燃料电池更为先进、更为环保的新能源解决方案了。

谁主未来?

纯电动车辆?

早在第一辆现代汽车发明后的短短5年后,第一辆电动车辆也制造问世。如果不是因为随着内燃机技术的发展,内燃机汽车变得功率更大、更灵活和更易于操纵时,也许现在大街上已满是电动汽车。但是随着内燃机汽车数量的急剧增多而导致的环境恶化问题,在20世纪60年代至70年代期间,关于环境的忧虑又一次触发了人们对电动车辆研究的热情。时至今日,电动车辆已经逐渐由概念转为量产。各大汽车厂商也纷纷发布了自己的电动车辆车型以及发展计划,这其中也包括梅赛德斯奔驰公司的纯电动版本Smart。电动车辆具有许多胜过传统内燃机车辆以及燃料电池车辆的优点,例如简单的结构、零排放、高效率以及安静、平顺的运行状态和安全放心的使用状态。这些都使得电动车辆成为未来新能源车辆最佳解决方案的强有力竞争者。

混合动力车辆?

出乎人们意料的是,混合动力车辆的历史一点都不比内燃机车辆以及电动车辆短,在1899年的巴黎美术展览上,出现了两辆分别由法国公司和比利时公司生产的混合动力车辆。但是由于电子技术发展水平的滞后,以及对电动车辆研究热情的高涨,直至20世纪90年代,人们又一次对混合动力车辆产生了极大的兴趣,并在不断的努力下,取得了丰厚的成果。丰田公司的普锐斯,就是这丰厚成果的代表作之一,全球第一款商品化的混合动力车辆,同时也是第一款商品化的符合当今定义的新能源车辆。而混合动力车辆最大的优势就是可以利用两个能量源——一个基本能源和一个辅助能源,这就使得其同时具有这个两个能量源的优点,还能克服这两个能量源的缺点。这也使得混合动力车辆更具优势。

因此,就目前的状况看,未来的汽车势必会以电能来驱动,各种新能源的解决方案之间所不同的只是获得电能的方式。电动车辆则为直接从外部获取电能,燃料电池车辆及其混合动力车辆则属于通过使用车载发电装置来获得电能。相比起来,电动车辆直接从外部获得电能的方式具有最高的效率。当然,在某些情况时,电动车辆可能满足不了使用者对行驶里程的要求,这时,使用车载发电装置获得电能的车辆就很好地解决了这个问题。

然而,就现阶段技术的发展趋势,燃料电池技术相比起其他技术来说,有更多需要突破的难点,这也是造成其无法成为新能源车辆的终极解决方案的原因。终极解决方案是什么?我们不得而知,也许在将来的某一天,人类光靠使用太阳能已经能满足对能源的需求。

就现阶段发展趋势看,燃料电池技术相比起其他技术来说,有更多需要突破的难点,这也是造成其无法成为新能源汽车终极解决方案的原因。

编者语:

燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池,但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应就可以。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能,比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是,可以为人类提供的电量也就大大地增加了。

不久前,科技部部长万钢提出,在未来五至十年,混合动力汽车将成为传统汽车节能技术改造、升级换代的主要方向,纯电动汽车将成为近期发展战略的主流,燃料电池汽车会成为未来的制高点。

而本文作者恰恰持有相反的观点,究竟燃料电池能否成为新能源汽车的终结者,这一未来的结论,对我们来说并非最为重要。重要的是在这个过程当中,我们对各个新能源汽车的类别有了深刻的分析和思考,对各种能源方式有了全方位认知,这样,无需待到未来,我们便已经清晰地看到属于新能源汽车的光明前景了。

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