氫燃料電池汽車的環(huán)境效益分析

【《中國(guó)新能源》雜志王文亮/文】石油、煤炭、天然氣燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳，造成地球溫度逐年升高。同時(shí)，化石燃料中還含有雜質(zhì)，特別是硫、氮、磷、砷等，燃燒產(chǎn)物酸性，造成大氣污染和酸雨，而且還導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，刺激皮膚，引起哮喘等多種呼吸道疾病。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主（約占75％左右），且隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，能源的消耗量日益增加。

針對(duì)這些情況，我們必須找到一種儲(chǔ)量大、后續(xù)性強(qiáng)、熱效率高、儲(chǔ)存形式多的環(huán)保型清潔能源，氫能源正是這樣一種優(yōu)質(zhì)能源。在石化燃料日益減少的情況下，我國(guó)能源本來(lái)就不占優(yōu)勢(shì)再加之人均資源占有不足，這就勢(shì)必要求我國(guó)必須比其他國(guó)家更重視后續(xù)能源的開發(fā)利用，而汽車這種機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的現(xiàn)代交通工具只能采用“含能體能源”，所以氫能源無(wú)疑成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)。

一、氫燃料電池車的原理

氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板(負(fù)極)，經(jīng)過(guò)催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子(質(zhì)子)穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過(guò)質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。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(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60-80%，為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)有硫和微粒排出。

因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染汽車，氫燃料是完美的汽車能源！

二、氫燃料電池車的環(huán)境效益分析

1氫燃料電池汽車的優(yōu)勢(shì)分析

（1）從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，汽車產(chǎn)業(yè)肯定要走一條可持續(xù)發(fā)展的道路，石油、天然氣、煤炭等資源不可再生，終究會(huì)有枯竭的一天，人類最終必然要利用可再生能源或者替代能源。而氫的最大來(lái)源是水，特別是海水，根據(jù)計(jì)算9噸水可以生產(chǎn)出1噸氫（及8噸氧），氫氣燃燒熱值是28900千卡/公斤，而且氫與氧的燃燒產(chǎn)物就是水，因而，水可以再生。由此可見，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，取之不盡，用之不竭。氫作為汽車代用燃料具有良好的行進(jìn)加速性、燃料適應(yīng)性、低溫起動(dòng)性好、超低排放、全工況高效率等優(yōu)點(diǎn)。

（2）我國(guó)氫的來(lái)源極為豐富，技術(shù)水平也有了一定的基礎(chǔ)，水電解制氫、生物質(zhì)氣化制氫等制氫方法已形成規(guī)模。其中低價(jià)電電解水制氫方法在今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應(yīng)用成本。

（3）氫燃燒的產(chǎn)物是水，不會(huì)污染環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)了零污染的目標(biāo)。

2燃油汽車與氫燃料電池汽車的環(huán)境指標(biāo)比較

2.1燃油汽車環(huán)境指標(biāo)

傳統(tǒng)燃油汽車在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體,不但污染環(huán)境,還影響人類健康。污染物主要包括：

（1）碳?xì)浠衔铮℉C）：汽車尾氣的碳?xì)浠衔镏泻健⒓妆胶投妆降扔泻ξ镔|(zhì)。其中以苯的危害最大,它是一種致癌物質(zhì)。

（2）氮氧化合物(NOx)：這是一種強(qiáng)烈的腐蝕劑,對(duì)人的呼吸系統(tǒng)有刺激作用,會(huì)引起氣管炎、肺炎等,削弱血液輸氧功能。

（3）一氧化碳(CO)：它是一種無(wú)色、無(wú)臭的有毒氣體,通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體后,會(huì)造成人體內(nèi)部缺氧,危害中樞神經(jīng)系統(tǒng),輕則頭暈、頭痛、四肢無(wú)力、視力受損,重則中毒死亡。

（4）二氧化硫(SO2)：這是一種無(wú)色無(wú)味的氣體,能損害人的肝、腎和心臟,對(duì)呼吸系統(tǒng)有強(qiáng)烈的刺激作用。此外,二氧化硫還是導(dǎo)致酸雨的重要原因,給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大損失。

（5）臭氧(O3)：臭氧對(duì)人體的器官和肺部均有損害作用,對(duì)心臟、肝等器官也有不良影響。此外,燃油汽車的尾氣中還含有產(chǎn)生溫室效應(yīng)的CO2,導(dǎo)致酸雨的氮氧化合物和硫化物等

2.2氫燃料電池車環(huán)境指標(biāo)

氫燃料電池汽車以氫為燃料、蓄電池的電能為動(dòng)力，排放物中無(wú)污染物。表1比較了燃油汽車和氫燃料電池汽車的廢氣（主要成分）排放。

表1燃油汽車和氫燃料電池汽車的廢氣（主要成分）排放比較

廢氣組成

燃油汽車

氫燃料電池汽車

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，氫燃料電池汽車基本上是零排放，在環(huán)保效果上比燃油汽車有更大的優(yōu)勢(shì)。

三、氫燃料電池汽車在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

代表車型：通用Sequel氫燃料電池車與氫內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力技術(shù)類似，氫燃料電池動(dòng)力技術(shù)也是以氫為能量源。不同的是氫內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力技術(shù)是將氫直接作為燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒以獲得動(dòng)力，而氫燃料電池則是將氫在燃料電池中經(jīng)化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為電能，然后靠電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。在此領(lǐng)域，通用是當(dāng)之無(wú)愧的領(lǐng)導(dǎo)者，其代表作就是通用Sequel氫燃料電池車。

雖然早在2005年的上海車展就登場(chǎng)亮相，但是通用Sequel氫燃料電池車卻一直以來(lái)被認(rèn)為是燃料電池車領(lǐng)域的經(jīng)典之作。因?yàn)榕c之前的燃料電池車相比，通用Sequel氫燃料電池車在可駕駛性方面取得了突破性的進(jìn)步，其動(dòng)力表現(xiàn)與駕駛性都堪與目前使用汽油燃料的汽車產(chǎn)品媲美。

通用Sequel氫燃料電池車通過(guò)采用線傳操控技術(shù)，不僅提高了車輛安全性、簡(jiǎn)化了維護(hù)程序、拓展了設(shè)計(jì)自由度，而且也更環(huán)保。其幾乎所有的驅(qū)動(dòng)和控制組件都安裝在28厘米厚的底盤結(jié)構(gòu)上，幾乎每個(gè)方面的性能表現(xiàn)都比現(xiàn)有的傳統(tǒng)汽車更勝一籌——更迅速、更平穩(wěn)、更便于操控、便于生產(chǎn)、更美觀也更安全，最重要的是，它只排放水蒸氣，完全沒(méi)有污染。

四、氫燃料電池車的發(fā)展前景：

1氫燃料電池汽車推廣的制約因素

雖然氫燃料電池汽車在環(huán)保方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但是它還處于發(fā)展的初級(jí)階段。限制其發(fā)展的主要因素有：

（1）生產(chǎn)成本高：目前，氫的來(lái)源一般是天然氣和沼氣。此外，可以通過(guò)電解水將氫和氧分離而提取氫。而電能則可以通過(guò)煤或核反應(yīng)堆發(fā)電來(lái)產(chǎn)生。由于氫的提取需要消耗其他能源，因此，如果使用煤、天然氣、沼氣等碳?xì)淙剂蟻?lái)提取氫，則會(huì)排出導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體。采用風(fēng)力和太陽(yáng)能可以解決這一問(wèn)題，但這種開發(fā)方式費(fèi)用太高，從而導(dǎo)致氫燃料電池汽車的成本增加。此外，一些輔助設(shè)施如氫燃料加注站的建設(shè)也要費(fèi)些時(shí)日。

（2）能量密度小且儲(chǔ)運(yùn)不便：氫燃料儲(chǔ)存困難，有泄漏和氣化的問(wèn)題，包括爆燃、回火、早燃等問(wèn)題有待解決。

綜上所述，氫燃料雖然污染低，但是儲(chǔ)存困難，有泄漏和氣化的問(wèn)題，包括爆燃、回火、早燃等問(wèn)題有待解決。氫氣的生產(chǎn)方法有多種，但只有在解決了其成本、儲(chǔ)存等問(wèn)題以后才有可能批量使用。

2加速氫燃料電池汽車推廣的對(duì)策

發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的低成本高效環(huán)保的大規(guī)模制氫技術(shù)

根據(jù)我國(guó)煤炭資源豐富的特點(diǎn)，應(yīng)著重發(fā)展高效、低污染的集中式煤氣化大規(guī)模制氫，要加強(qiáng)對(duì)煤炭氣化過(guò)程中CO2捕捉和封存技術(shù)的研究，同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)我國(guó)有一定基礎(chǔ)的、具有長(zhǎng)期發(fā)展前景的可再生能源制氫技術(shù)。隨著我國(guó)核能技術(shù)的日漸成熟，應(yīng)逐步探索可控核能制氫技術(shù)。

發(fā)展高效的氫儲(chǔ)存技術(shù)

目前我國(guó)對(duì)儲(chǔ)氫材料的研究比較活躍，研究?jī)?nèi)容涉及到了高壓儲(chǔ)氫、碳納米管儲(chǔ)氫、新型合金儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫、碳凝膠儲(chǔ)氫、玻璃微球儲(chǔ)氫、氫漿儲(chǔ)氫、層狀化合物儲(chǔ)氫等當(dāng)前國(guó)際氫儲(chǔ)存技術(shù)研發(fā)的主要方面，并在金屬氫化物儲(chǔ)氫、碳納米管儲(chǔ)氫、復(fù)雜化合物儲(chǔ)氫等方面具有優(yōu)勢(shì)。今后應(yīng)進(jìn)一步重點(diǎn)發(fā)展：新穎金屬合金儲(chǔ)氫、碳納米管儲(chǔ)氫、高壓液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫、車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等技術(shù)，探索層狀化合物儲(chǔ)氫、籠形水合物儲(chǔ)氫等技術(shù)。

加強(qiáng)氫燃料電池技術(shù)和氫燃料電池汽車以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)

發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要方面是發(fā)展氫能交通運(yùn)輸體系和氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在氫燃料電池方面，我國(guó)可重點(diǎn)發(fā)展：大功率質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)、中低溫固體氧化物燃料電池技術(shù)、基于燃料電池的系統(tǒng)集成技術(shù)、質(zhì)子交換膜技術(shù)、電催化劑技術(shù)、先進(jìn)的膜電極組件技術(shù)、無(wú)鉑催化劑技術(shù)等，同時(shí)積極探索生物燃料電池、再生式燃料電池技術(shù)、冷啟動(dòng)(CokdStart)技術(shù)等研發(fā)。

加強(qiáng)以氫能和燃料電池為核心的分布式氫能源系統(tǒng)研究

由于氫能和燃料電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)和分散供能的特征，因而加強(qiáng)以氫能和燃料電池為核心的分布式能源系統(tǒng)研究已成為今后國(guó)際研發(fā)的重點(diǎn)。當(dāng)前這種以氫能和燃料電池為核心的分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是與可再生能源利用相結(jié)合，以氫為載體，以燃料電池為能源轉(zhuǎn)化工具，加強(qiáng)對(duì)可再生能源的開發(fā)。

關(guān)注氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)環(huán)境問(wèn)題與安全

雖然氫能本身是一種綠色的能源，但在用化石燃料制氫過(guò)程中，如果封存技術(shù)不當(dāng)，仍會(huì)有CO2泄漏到大氣中造成溫室氣體增加。氫在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及氫燃料電池使用過(guò)程中都不可避免地存在氫氣泄漏問(wèn)題。當(dāng)泄漏到周圍環(huán)境中的氫氣達(dá)到一定濃度，遇到明火可能會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)甚至爆炸，造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。此外，泄漏到大氣圈中的氫氣會(huì)與大氣中的臭氧反應(yīng)，破壞對(duì)人類起保護(hù)作用的臭氧層。因此，應(yīng)加強(qiáng)與氫安全相關(guān)的氫檢測(cè)傳感器技術(shù)、潛在事故情景處理技術(shù)等研究。

有效鼓勵(lì)企業(yè)參與氫能和燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化開發(fā)

按照市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行規(guī)律，氫能和燃料電池技術(shù)只有在技術(shù)成熟、具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的情況下才能占領(lǐng)市場(chǎng)，取代傳統(tǒng)的化石燃料和一些利用效率相對(duì)較低的能源轉(zhuǎn)化方式。企業(yè)有效參與才有可能開發(fā)出具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的氫能制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用技術(shù)，同時(shí)這也是決定氫能最終替代傳統(tǒng)化石能源的關(guān)鍵。

政府補(bǔ)貼促進(jìn)氫能利用

要促進(jìn)氫能的社會(huì)化利用，需要向公眾宣傳氫能的優(yōu)點(diǎn)和使用安全性，促進(jìn)公眾對(duì)氫能的了解和利用。同時(shí)，國(guó)家應(yīng)出臺(tái)更有效的激勵(lì)政策，比如，國(guó)家應(yīng)對(duì)氫能利用予以政府補(bǔ)貼，這樣才能有效促進(jìn)氫能的研發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用。