氢燃料电池汽车的环境效益分析

氢燃料电池汽车的环境效益分析
【《中国新能源》杂志王文亮/文】石油、煤炭、天然气燃烧产物主要是二氧化碳，造成地球温度逐年升高。同时，化石燃料中还含有杂质，特别是硫、氮、磷、砷等，燃烧产物酸性，造成大气污染和酸雨，而且还导致温室效应的加剧，刺激皮肤，引起哮喘等多种呼吸道疾病。我国的能源结构以煤为主（约占75％左右），且随着经济建设的迅速发展，能源的消耗量日益增加。
　　
　　针对这些情况，我们必须找到一种储量大、后续性强、热效率高、储存形式多的环保型清洁能源，氢能源正是这样一种优质能源。在石化燃料日益减少的情况下，我国能源本来就不占优势再加之人均资源占有不足，这就势必要求我国必须比其他国家更重视后续能源的开发利用，而汽车这种机动性强的现代交通工具只能采用“含能体能源”，所以氢能源无疑成为一个新兴的热点。
　　
　　一、氢燃料电池车的原理
　　
　　氢燃料电池车的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带走，就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60-80%，为内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。
　　
　　因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染汽车，氢燃料是完美的汽车能源！
　　
　　二、氢燃料电池车的环境效益分析
　　
　　1氢燃料电池汽车的优势分析
　　
　　（1）从长远来看，汽车产业肯定要走一条可持续发展的道路，石油、天然气、煤炭等资源不可再生，终究会有枯竭的一天，人类最终必然要利用可再生能源或者替代能源。而氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算9吨水可以生产出1吨氢（及8吨氧），氢气燃烧热值是28900千卡/公斤，而且氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环，取之不尽，用之不竭。氢作为汽车代用燃料具有良好的行进加速性、燃料适应性、低温起动性好、超低排放、全工况高效率等优点。
　　
　　（2）我国氢的来源极为丰富，技术水平也有了一定的基础，水电解制氢、生物质气化制氢等制氢方法已形成规模。其中低价电电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备的主要方法。另外，用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用，这可以降低氢能应用成本。
　　
　　（3）氢燃烧的产物是水，不会污染环境，真正实现了零污染的目标。
　　
　　2燃油汽车与氢燃料电池汽车的环境指标比较
　　
　　2.1燃油汽车环境指标
　　
　　传统燃油汽车在运行过程中会产生大量的有害气体,不但污染环境,还影响人类健康。污染物主要包括：
　　
　　（1）碳氢化合物（HC）：汽车尾气的碳氢化合物中含苯、甲苯和二甲苯等有害物质。其中以苯的危害最大,它是一种致癌物质。
　　
　　（2）氮氧化合物(NOx)：这是一种强烈的腐蚀剂,对人的呼吸系统有刺激作用,会引起气管炎、肺炎等,削弱血液输氧功能。
　　
　　（3）一氧化碳(CO)：它是一种无色、无臭的有毒气体,通过呼吸道进入人体后,会造成人体内部缺氧,危害中枢神经系统,轻则头晕、头痛、四肢无力、视力受损,重则中毒死亡。
　　
　　（4）二氧化硫(SO2)：这是一种无色无味的气体,能损害人的肝、肾和心脏,对呼吸系统有强烈的刺激作用。此外,二氧化硫还是导致酸雨的重要原因,给国民经济带来重大损失。
　　
　　（5）臭氧(O3)：臭氧对人体的器官和肺部均有损害作用,对心脏、肝等器官也有不良影响。此外,燃油汽车的尾气中还含有产生温室效应的CO2,导致酸雨的氮氧化合物和硫化物等
　　
　　2.2氢燃料电池车环境指标
　　
　　氢燃料电池汽车以氢为燃料、蓄电池的电能为动力，排放物中无污染物。表1比较了燃油汽车和氢燃料电池汽车的废气（主要成分）排放。
　　
　　表1燃油汽车和氢燃料电池汽车的废气（主要成分）排放比较
　　
　　废气组成
　　
　　燃油汽车
　　
　　氢燃料电池汽车
　　
　　CO
　　
　　17.0g/km
　　
　　0
　　
　　HC
　　
　　2.7g/km
　　
　　0
　　
　　NOx
　　
　　0.74g/km
　　
　　微量
　　
　　CO2
　　
　　320g/km
　　
　　0
　　
　　由表1可以看出，氢燃料电池汽车基本上是零排放，在环保效果上比燃油汽车有更大的优势。
　　
　　三、氢燃料电池汽车在现实中的应用
　　
　　代表车型：通用Sequel氢燃料电池车与氢内燃机动力技术类似，氢燃料电池动力技术也是以氢为能量源。不同的是氢内燃机动力技术是将氢直接作为燃料在发动机中燃烧以获得动力，而氢燃料电池则是将氢在燃料电池中经化学作用转化为电能，然后靠电动机来驱动汽车。在此领域，通用是当之无愧的领导者，其代表作就是通用Sequel氢燃料电池车。
　　
　　虽然早在2005年的上海车展就登场亮相，但是通用Sequel氢燃料电池车却一直以来被认为是燃料电池车领域的经典之作。因为与之前的燃料电池车相比，通用Sequel氢燃料电池车在可驾驶性方面取得了突破性的进步，其动力表现与驾驶性都堪与目前使用汽油燃料的汽车产品媲美。
　　
　　通用Sequel氢燃料电池车通过采用线传操控技术，不仅提高了车辆安全性、简化了维护程序、拓展了设计自由度，而且也更环保。其几乎所有的驱动和控制组件都安装在28厘米厚的底盘结构上，几乎每个方面的性能表现都比现有的传统汽车更胜一筹——更迅速、更平稳、更便于操控、便于生产、更美观也更安全，最重要的是，它只排放水蒸气，完全没有污染。
　　
　　四、氢燃料电池车的发展前景：
　　
　　1氢燃料电池汽车推广的制约因素
　　
　　虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势，但是它还处于发展的初级阶段。限制其发展的主要因素有：
　　
　　（1）生产成本高：目前，氢的来源一般是天然气和沼气。此外，可以通过电解水将氢和氧分离而提取氢。而电能则可以通过煤或核反应堆发电来产生。由于氢的提取需要消耗其他能源，因此，如果使用煤、天然气、沼气等碳氢燃料来提取氢，则会排出导致温室效应的气体。采用风力和太阳能可以解决这一问题，但这种开发方式费用太高，从而导致氢燃料电池汽车的成本增加。此外，一些辅助设施如氢燃料加注站的建设也要费些时日。
　　
　　（2）能量密度小且储运不便：氢燃料储存困难，有泄漏和气化的问题，包括爆燃、回火、早燃等问题有待解决。
　　
　　综上所述，氢燃料虽然污染低，但是储存困难，有泄漏和气化的问题，包括爆燃、回火、早燃等问题有待解决。氢气的生产方法有多种，但只有在解决了其成本、储存等问题以后才有可能批量使用。
　　
　　2加速氢燃料电池汽车推广的对策
　　
　　发展适合我国国情的低成本高效环保的大规模制氢技术
　　
　　根据我国煤炭资源丰富的特点，应着重发展高效、低污染的集中式煤气化大规模制氢，要加强对煤炭气化过程中CO2捕捉和封存技术的研究，同时应重点加强我国有一定基础的、具有长期发展前景的可再生能源制氢技术。随着我国核能技术的日渐成熟，应逐步探索可控核能制氢技术。
　　
　　发展高效的氢储存技术
　　
　　目前我国对储氢材料的研究比较活跃，研究内容涉及到了高压储氢、碳纳米管储氢、新型合金储氢、有机化合物储氢、碳凝胶储氢、玻璃微球储氢、氢浆储氢、层状化合物储氢等当前国际氢储存技术研发的主要方面，并在金属氢化物储氢、碳纳米管储氢、复杂化合物储氢等方面具有优势。今后应进一步重点发展：新颖金属合金储氢、碳纳米管储氢、高压液态储氢、有机化合物储氢、车载储氢系统等技术，探索层状化合物储氢、笼形水合物储氢等技术。
　　
　　加强氢燃料电池技术和氢燃料电池汽车以及相关基础设施的研发
　　
　　发展氢经济的一个重要方面是发展氢能交通运输体系和氢能基础设施建设。在氢燃料电池方面，我国可重点发展：大功率质子交换膜燃料电池技术、中低温固体氧化物燃料电池技术、基于燃料电池的系统集成技术、质子交换膜技术、电催化剂技术、先进的膜电极组件技术、无铂催化剂技术等，同时积极探索生物燃料电池、再生式燃料电池技术、冷启动(CokdStart)技术等研发。
　　
　　加强以氢能和燃料电池为核心的分布式氢能源系统研究
　　
　　由于氢能和燃料电池具有诸多优点和分散供能的特征，因而加强以氢能和燃料电池为核心的分布式能源系统研究已成为今后国际研发的重点。当前这种以氢能和燃料电池为核心的分布式能源系统的发展趋势是与可再生能源利用相结合，以氢为载体，以燃料电池为能源转化工具，加强对可再生能源的开发。
　　
　　关注氢经济发展的相关环境问题与安全
　　
　　虽然氢能本身是一种绿色的能源，但在用化石燃料制氢过程中，如果封存技术不当，仍会有CO2泄漏到大气中造成温室气体增加。氢在生产、储存、运输以及氢燃料电池使用过程中都不可避免地存在氢气泄漏问题。当泄漏到周围环境中的氢气达到一定浓度，遇到明火可能会发生强烈化学反应甚至爆炸，造成人员和财产损失。此外，泄漏到大气圈中的氢气会与大气中的臭氧反应，破坏对人类起保护作用的臭氧层。因此，应加强与氢安全相关的氢检测传感器技术、潜在事故情景处理技术等研究。
　　
　　有效鼓励企业参与氢能和燃料电池技术的产业化和市场化开发
　　
　　按照市场经济的运行规律，氢能和燃料电池技术只有在技术成熟、具价格竞争力的情况下才能占领市场，取代传统的化石燃料和一些利用效率相对较低的能源转化方式。企业有效参与才有可能开发出具价格竞争优势的氢能制备、储存、运输和应用技术，同时这也是决定氢能最终替代传统化石能源的关键。
　　
　　政府补贴促进氢能利用
　　
　　要促进氢能的社会化利用，需要向公众宣传氢能的优点和使用安全性，促进公众对氢能的了解和利用。同时，国家应出台更有效的激励政策，比如，国家应对氢能利用予以政府补贴，这样才能有效促进氢能的研发和系统应用。