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燃料电池氢能汽车将更具前景

时间:2011-07-14 17:10:16来源:搜狐博客 张少华

 

世界人口稠密地区的生态环境变差、全球气候变暖,在汽车上推广“清洁技术”以及成为燃眉之急!

性能良好、污染较少、成本低廉而又便于运输和保存的代用燃料,成了“清洁汽车”的首选。

作为传统汽车的代用燃料,有甲醇、乙醇、生物燃油等。它们在发动机上的使用,降低了汽车的有害排放。

但是,上述汽车代用燃料的生产原料还存在问题。比如,大规模地利用植物生产乙醇、生物燃油,会引发农产品价格上涨。而采用煤炭提取甲醇又会加剧环境污染,并且甲醇本身具有一定的毒性。

因此,采用电能来驱动汽车,成了一种重要的减少汽车排污的途径。它主要通过两种完全不同的方式来实现:依靠车载装置获得电能或者通过外部电源对车载蓄电池进行充电。目前,许多汽车生产厂家分别采取这两种方案,生产出了混合动力汽车和纯电动汽车。

电动汽车具有排污少,噪音低特点。但是,电动汽车只能看作是传统汽车转向“清洁汽车”的一个过渡。因为这两种方案都基于蓄电池,要想大规模地推广电动汽车还面临着许多问题。

一些电动汽车上所使用的铅酸蓄电池,使用寿命短(使用不了4年)、能量密度低(30~40W.h/kg)、充电时间长(几乎要12个小时)。

而锂离子电池的电容量能达到3860A.h/kg,远远超过电容量仅为260 A.h/kg的铅酸蓄电池,并且在大电流情况下工作时表现良好,自放电率也较低(每月不超过5%~10%)。因此,仅几年来发展较快。

不过,虽然锂离子电池的某些性能超过铅酸蓄电池,但是它也存在着一系列不足。

首先,锂具有较高活性,在高负荷工况下可能发生爆炸。因此,现在锂离子电池使用的都是锂的化合物,这自然降低了它的能量密度。

其二,锂离子电池目前的价格还很高。不过,专家们已经找到了一些降低其成本的有效方法。比如,把锂离子电池的钴电极换成锡电极,此举能把成本降低一半,并把电池电容量增大50%,同时充电时间也大为缩短,在低温工况下的表现良好。重要的是,这种锂离子电池的价格,不会超过汽车价格的10%~15%。这就意味着,锂离子电池电动汽车在大规模生产时,有望与传统汽车的价格相差无几。

在国际汽车展上,不断涌现的电动汽车,证实了世界各国汽车公司都在关注电动汽车的研发。就连在全球金融危机阴影笼罩之下的2009美国底特律汽车展上,世界各大汽车厂家都纷纷推出了不少新的电动汽车。

大多数电动汽车使用家用的220V电压电源充电,一些电动汽车的充电时间只需要10分钟,各项技术性能已毫不逊色于传统汽车。

而且电动汽车几乎要比传统汽车少耗能一半。一辆轿车的百公里油耗为8L左右(32kW.h),而一辆电动轿车百公里的能耗为15~20 kW.h。

一些人担心的是,随着电动汽车保有量的增长,用电量将会急剧上升。不过,可以部分有效使用夜间的“谷电”,减少电网峰值负荷。

重要的是,推广电动汽车必须大力建设配套的充电设施,而眼下一些大城市实际上并不具备承受传动汽车大量转变为电动汽车的能力。许多居民区使用的是铝芯电线,而高压输电线和变电站不进行大规模改造就不能保证为大量的电动汽车充电。

许多专家认为,燃料电池汽车将更具前景。因为燃料电池的氢能转化为机械能时,有效率达到60%。而涡轮增压柴油机的能量转化有效率不超过50%,汽油发动机更是只有30%。并且燃料电池实现了零排放。

目前,已经有多种燃料电池面世,比如固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane ,简称PEM)、磷酸燃料电池((Phosphoric Acid Fuel Cells, 简称PAFC)以及碱性燃料电池(alkaline fuel cell,简称AFC)。

其中,质子交换膜燃料电池能量转化有效率高达60%以上,工作温度只有100℃,而且结构相对简单,比较适合用作轿车动力装置。

它的两极涂有加速电极电化学反应的催化剂(通常是白金),氢被分解后的氢质子直接穿过交换膜,而电子只能通过外部电路达到阴极,从而形成了直流电流,为车辆电机提供电能。而且氢燃料电池最后排放出来的只有水和蒸汽,非常环保。

但氢燃料的化学活性较高,缺点不少。比如,它与氧气混合之后容易遇火爆炸、肉眼无法观察到它的燃烧火焰、泄漏之后会破坏臭氧层等等。不过,这些缺点已经可以通过一定的技术完全避免。

氢燃料还有热值高、原料广的优势。1kg氢燃料的能量,是1kg汽油的2.8倍。地球上存储丰富的水资源,可以用来大量制取氢燃料。

制取氢燃料的方法有多种,比如电解水、甲烷催化、生化反应等等。

那么究竟何种方法最好呢?这取决于原料成本、生产成本以及工艺的环保性。同时,氢燃料同传统石油制品的竞争能力将受到国际油价波动的影响。

2008年上半年世界原油价格为120~140美元/桶,而到了2009年初时又降至40美元左右/桶。在世界经济走出金融风暴影响之后,全球原油价格有望走高。据有关机构预测,到2020年时,国际原油价格将会达到100~200美元/桶(约合0.44~0.8美元/kg)。

1kg氢燃料的价格远远高于1kg汽油的价格。但是考虑到燃料电池的能量转换有效率远远高于内燃机,因此无论是氢燃料还是汽油,其单位能量的价格实际上是很接近的。

如果再考虑石油开采、加工及成品油储运对环境的污染,那么使用氢燃料是更佳的选择!

最为经济的是燃料电池使用通过电解水、甲烷催化、煤炭气制取的氢气。燃料电池使用通过风能发电电解水和固定电站发电电解水,不太合算。

如果未来汽油价格大幅上扬,那么燃料电池汽车选择采用不同技术生产的氢燃料的范围就被拓宽了。

而另一方面,燃料电池所用的白金用量在不断减少,从而降低了燃料电池的成本。在白金用量减少到0.8g/kW时,燃料电池的成本也相应降到了100~120美元/kW。

当燃料电池的成本进一步降低到50~80美元/kW时,它将具有内燃机无可比例的优势。

毫无疑问,届时它将逐渐取代内燃机!

 

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