氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

和普通电池一样,燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。大部分燃料电池汽车使用聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)。氢燃料电池的基本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),与氧原子和氢离子重新结合为水,如图所示。

由于供应给阴极板的氧,是从空气中获得的,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。由于氢燃料电池不储能,确切地讲应该称为氢发电装置。

氢燃料电池与其他电池的区别

干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外,氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成,这是氢燃料电池的一项关键技术,它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面,还要对电池的化学反应起催化作用。

丰田汽车公司已推出氢燃料电池汽车,并将在2015年上半年上市。2014年1月6日知名汽车厂商日本丰田宣布,面向其他厂商无偿提供 5,680 项燃料电池相关的技术专利授权,包括燃料电池、储氢罐、电池控制系统等方面的技术专利,丰田此举是为推动以氢为主要燃料的电动车推广和普及。氢燃料电池技术是未来改变人类生活的十大新技术之一,将成为解决石油危机的新途径。

燃料电池汽车

其实氢燃料电池已不是什么全新的技术,20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。

进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。

全球范围内已经掀起诸多关于氢燃料电池汽车和电动汽车孰是孰非的热议,国内舆论也不乏对中国以纯电驱动为新能源汽车战略取向的质疑。

氢燃料电池汽车是终极环保汽车。氢燃料电池汽车零排放,且一次加氢续驶里程长,加氢时间短,相当于汽油车,一直以来被作为新能源汽车技术路线之一。

氢燃料电池汽车的缺点

1. 氢气的来源问题。

氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成因素,想得到氢气可以通过电解水,但这可是个不太经济的方法,能量损失极大!你想,先从电解水开始,耗费电能,产生氢气,氢气再发电过程中还会有能量损失;电解水的电现在也是以煤电为主发出来的吧,烧煤发电也会有能量损失。

2. 金属铂的稀缺。

在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂。这种金属就是咱结婚买戒指那个比24K金更贵的那个铂,它少啊,它贵啊,那么大规模生产氢燃料电池,这个铂就是瓶颈,完全没有规模化后成本减少的效应,反而需求越多越贵,这可怎么办好?

3. 氢气的安全性。

有人说带着氢气瓶就像带个氢弹,到底这个氢气瓶会不会爆炸啊?氢气是最轻的气体,它的扩散性极强,氢的扩散系数比空气大3.8倍,比汽油大7.5倍,由此可以证明氢比汽油安全是有根据的。所以少量的氢气泄漏,可以在空气中很快被稀释成安全的混合气。氢气的比重小,易向上逃逸,这使得事故时氢气的影响范围要小得多。

4.制造和使用绿色氢气的费用更高。

燃料电池汽车的主要问题是,制造驱动它们的氢气燃料要消耗比普通电动汽车更多的能源。污染也是个很严重的问题。除了甲烷转化,获得绿色氢气的唯一可行的方式是通过电解。但坦白讲,这一过程中消耗的电可以更好地用在普通电动汽车上。

氢燃料电池汽车中国还没有准备好

国内氢燃料电池汽车研究开发已有15年左右历史。在国家《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》中明确:氢燃料电池汽车与国际同步发展。但是,近年来,国内氢燃料电池汽车发展水平与先进国家比差距加大,主要体现在:氢燃料电池总体上处于工程化开发阶段,功率特性、冷启动、可靠性等主要技术性能指标与世界标杆产品比还有很大差距,关键技术领域所拥有的专利数目不多,技术标准未形成体系,成本居高不下,产品基本不具备商业化条件。

差距加大的主要原因是相比电动汽车,氢燃料电池汽车技术门槛高,需要巨额投入,而我们技术和产业基础薄弱,资金和技术力量投入严重不足,技术链不完善,产业化能力较弱,除上汽外,大多数整车企业在氢燃料电池汽车方面没有开展实质性研发和产业化准备。催化剂、双极板等关键材料领域和高压储氢罐、空压机、氢循环泵等关键零部件基本不具备产业化能力,产业链尚未形成。

尽管如此,氢燃料电池汽车也已经量产,并已开始售卖。丰田氢燃料电池车Mirai在海外的起价为57500美元(约合人民币35.7万元),但是在联邦和州政府刺激之下降至45000美元(约合人民币27.9万元)以下。在美国可以采用分期付款的形式每月499美元36个月付清。除此之外,丰田和本田还将向买家免费提供三年氢气。各大汽车公司还计划逐步增加氢气燃料站数目。

相对于环保省钱的电动汽车,氢气燃料电池汽车或许现在还无可比拟。但在消费者的心中,实用也很重要的:燃料电池汽车加满燃料的时间更短,行驶的距离更远。而且,氢气燃料电池汽车还处于早期阶段,充电式电动汽车在10年前也存在许多看似无法克服的问题,而现在各国境内都已经有很多电动汽车。所以,我们对氢燃料汽车的未来充满信心。