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氢能汽车
发布时间:2023/12/5 15:12:34     点击次数:774

氢能汽车,顾名思义,是以氢作为能源的汽车,将氢反应所产生的化学能转换为机械能以推动车辆。

氢能汽车中的氢内燃机汽车(Hydrogen internal combustion engine vehicle, HICEV)是以内燃机燃烧气(通常透过分解甲烷或电解水取得)产生动力推动汽车。氢燃料电池车(Fuel cell vehicle-FCEV)是使氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生电力推动电动机,由电动机推动车辆。

广泛使用氢燃料作为交通能源是氢经济的一个关键因素。

使用氢为能源的最大好处是它跟空气中的氧反应,仅产生水蒸气排出,有效减少了传统汽油车造成的空气污染问题。

HICEV一般以内燃机为基础改良而成,要实现并不困难,困难之处在于如何降低成本及达至安全,以及安全地解决氢气供应、储存的问题后才可以推出市场。

高速车辆、巴士、潜水艇和火箭已经在不同形式使用氢。

2021年7月5日,爱沙尼亚塔尔图,世界首辆无人驾驶氢能源乘用车亮相。

1960年代后期,Roger E. Billings制造了燃料电池的原型。

1. 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

1980年研制成功,在650℃下工作,把熔融碳酸盐作为电解质,把送到正极的二氧化碳作为离子载体。不需要催化剂,而且可以使用天然气等其他气体燃料。但是启动时间较长。

2. 固体氧化物燃料电池(SOFC)

1980年研制成功,电解质为含有氧化锆等成分的固体陶瓷材料。工作在800~1000℃的高温,离子可以通过陶瓷材料。不需要铂等催化剂。也可以使用其他气体燃料,启动时间也较长。

3. 固体高分子燃料电池PEFC

投入研究力量最大的电池,电解质为高分子树脂薄膜,可以实现小型化。工作温度在100℃以下,但是需要催化剂。也可以使用甲醇。启动时间也最短。

4. 磷酸燃料电池(PAFC)

1967年研制成功,工作温度接近200℃,需要催化剂,电解质为磷酸水溶液,在饭店和医院使用较多。

氢内燃车和氢燃料电池车不同。氢内燃车是传统汽油内燃机车的带小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢,不使用其他燃料或产生水蒸气排出。这些车的问题是氢燃料很快耗尽。载满氢气的油缸只能行驶数英里,很快便没能量。另一方面,各色各样的方法正在研究以减少耗用的空间,例如用液态氢氢化物

燃料电池的优势,科技手段中,尚没有一项能源生成技术能如燃料电池一样将诸多优点集合于一身。

能源安全性。自1970年代的石油危机后,各大工业国对石油的依赖仍有增无减,而且主要靠石油输出国的供应。美国载客车辆每日可消耗约600万桶油,占油料进口量之85%。若有20%的车辆采用燃料电池来驱动,每日便可省下120万桶油。

国防安全性燃料电池发电设备具有散布性的特质,它可让地区摆脱中央发电站式的电力输配架构。长距离、高电压的输电网络易成为军事行动的攻击目标。燃料电池设备可采集中也可采分散性配置,进而降低了敌人欲瘫痪国家供电系统的风险。

可靠度供电。燃料电池可架构于输配电网络之上作为备援电力,也可独立于电力网之外。在特殊的场合下,模块化的设置(串联安装几个完全相同的电池组系统以达到所需的电力)可提供极高的稳定性。

燃料多样性。现代种类繁多的电池中,虽然仍以气为主要燃料,但配备「燃料转化器(或译重组器,fuel reformer)」的电池系统可以从碳氢化合物或醇类燃料中萃取出氢元素来利用。此外如垃圾掩埋场废水处理场中厌氧微生物分解产生的沼气也是燃料的一大来源。利用自然界的太阳能及风力等可再生能源提供的电力,可用来将水电解产生氢气,再供给至燃料电池,如此亦可将「水」看成是未经转化的燃料,实现完全零排放能源系统。只要不停地供给燃料给电池,它就可不断地产生电力。

高效能。由于燃料电池的原理系经由化学能直接转换为电能,而非产生大量废气与废热的燃烧作用,现今利用碳氢燃料的发电系统电能的转换效率可达40~50%;直接使用氢气的系统效率更可超过50%;发电设施若与燃气涡轮机并用,则整体效率可超过60%;若再将电池排放的废热加以回收利用,则燃料能量的利用率可超过85%。用于车辆的燃料电池其能量转换率约为传统内燃机的3倍以上,内燃引擎的热效率约在10~20%之间。

环境亲和性。科学家们已认定空气污染是造成心血管疾病、气喘及癌症的元凶之一。最近的健康研究显示,市区污染性的空气对健康的威胁如同吸入二手烟燃料电池运用能源的方式大幅优于燃油动力机排放大量危害性废气的方案,其排放物大部份是水份。某些燃料电池虽亦排放二氧化碳,但其含量远低于汽油之排放量(约其1/6)。

燃料电池发电设备产生1000仟瓦-小时的电能,排放之污染性气体少于1盎斯;而传统燃油发电机则会产生25磅重的污染物。因此,燃料电池不仅可改善空气污染的情况,甚可能许给人类未来一片洁净的天空。

可弹性设置/用途广。燃料电池的迷人之处在于其多样风貌。除了前述的集中分散两相宜的特点外,它还具有缩放性。利用黄光微影技术可制作微型化的燃料电池;利用模块式堆栈配置可将供电量放大至所欲的输出功率。单一发电元所产生的电压约为0.7伏特,刚好能点亮一只灯。将发电元予以串接,便构成燃料电池组,其电压则增加为0.7伏特乘以串联的发电元个数。

燃料电池的劣势主要是价格和技术上存在一些瓶颈,摘列如下:

燃料电池造价偏高:车用PEMFC之成本中质子交换隔膜(USD300/m2)约占成本之35%;铂触媒约占40%,二者均为贵重材料。

反应/启动性能:燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到,但提高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。

碳氢燃料无法直接利用:除甲醇外,其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后,方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统投资额

氢气储存技术:FCV的氢燃料是以压缩氢气为主,车体的载运量因而受限,每次充填量仅约2.5~3.5公斤,尚不足以满足现今汽车单程可跑480~650公里的续航力。以-253℃保持氢的液态氢系统虽已测试成功,但却有重大的缺陷:约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温,使氢维持于液态,且从隙缝蒸发而流失的氢气约为总存量的5%。

氢燃料基础建设不足:氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模,但全世界充氢站仅约70站,仍值示范推广阶段。此外,加气时间颇长,约需时5分钟,尚跟不上工商时代的步伐。


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