北京航空航天大學(xué)鮑然：燃料電池非終結(jié)者

　燃料電池被認(rèn)為是一種能夠應(yīng)用于交通運(yùn)輸?shù)南冗M(jìn)能源。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛以及新能源車輛相比，燃料電池由于直接將燃料中的自由能轉(zhuǎn)換為電能，而不經(jīng)歷燃燒過程，具有高能量效率和排放很低的優(yōu)點(diǎn)。但是，燃料電池也具有一些先天性的缺點(diǎn)，例如，因燃料電池系統(tǒng)的低功率密度，導(dǎo)致體積龐大且沉重的電源設(shè)備，較長的啟動(dòng)時(shí)間和緩慢的功率響應(yīng)。此外，在某些特殊工況，比如在牽引應(yīng)用中，急劇加速狀態(tài)下極大的功率輸出，以及低速駕駛情況下極低的功率輸出都會(huì)導(dǎo)致其低效率。同時(shí)，最難以突破的問題就是氫氣的儲(chǔ)存方式以及成本問題。這些問題都阻礙燃料電池成為未來新能源車輛的最佳解決方案。
　　不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè) “發(fā)電廠”

　　燃料電池到底是什么，有何特點(diǎn)?燃料電池是否真如奔馳所言能夠替代其他新能源方案，成為新能源車輛的終極解決方案?

　　燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。

　　早在1839年，被譽(yù)為燃料電池之父的Sir William Grove已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過反向的水的電解即可產(chǎn)生電。但是直到1889年，才誕生了第一個(gè)利用空氣和煤氣的實(shí)用燃料電池。可以說燃料電池是一種原電池，借助于電化學(xué)過程，其內(nèi)部燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。雖然燃料電池叫電池，但不是通常意義中的電池，準(zhǔn)確的說，燃料電池是一座小型發(fā)電站，能夠在其內(nèi)部通過化學(xué)方式產(chǎn)生電能。其工作原理如圖1所示，燃料和氧化劑持續(xù)且獨(dú)立地供給電池的兩個(gè)電極，并在電極處進(jìn)行反應(yīng)，離子通過電解液從一個(gè)電極傳導(dǎo)至另一個(gè)電極。當(dāng)燃料供給給陽極時(shí)，在該電極處，依靠催化劑，電子從燃料中釋放。隨后，在兩電極間電位差作用下，電子經(jīng)外電路流向陰極或負(fù)極，在陰極處，正離子和氧氣結(jié)合，產(chǎn)生反應(yīng)物或廢氣。

　　燃料電池如何工作?

　　實(shí)際上，燃料電池需要輔助設(shè)備支持才能維持穩(wěn)定運(yùn)行。輔助設(shè)備主要包括空氣循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、排氣扇、燃料供應(yīng)泵和電控設(shè)備，如圖2所示。輔助設(shè)備之中，空氣循環(huán)泵的能量消耗最大，其消耗功率(含其驅(qū)動(dòng)電機(jī))大約可占燃料電池總輸出功率的10%，其他輔助設(shè)備消耗的能力比空氣循環(huán)泵消耗的能量要小的多?？梢?，燃料電池也如同內(nèi)燃機(jī)一樣，其輔助設(shè)備也消耗了部分其自身產(chǎn)生的能量。這也使得燃料電池不可能擁有人們想象的近乎于100%的高效率。

　　燃料電池的種類

　　可以根據(jù)燃料電池電解質(zhì)的類型，將其分類為六種主要的燃料電池：質(zhì)子交換膜(PEM)或聚合物交換膜燃料電池(PEMFCs)、堿性染料電池(AFCs)、磷酸燃料電池(PAFCs)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFCs)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFCs)和直接甲醇燃料電池(DMFCs)。各類燃料電池的效率、工作溫度以及應(yīng)用領(lǐng)域如表1所示。

　　現(xiàn)在主流的燃料電池研究主要是對質(zhì)子交換膜燃料的電池的研究，相比起其他燃料電池，質(zhì)子交換膜具有以下優(yōu)點(diǎn)：可低溫運(yùn)行，運(yùn)行溫度為60-100°C;在所有燃料電池類型中，質(zhì)子交換膜燃料電池功率密度最高，則為滿足功率需求所需安裝的燃料電池的體積越小;質(zhì)子交換膜燃料電池采用固態(tài)電解質(zhì)，其電解質(zhì)不變化、遷移或從燃料電池中氣化;在質(zhì)子交換膜燃料電池中，因唯一的液體是水，故限定了任何腐蝕的可能性。

　　技術(shù)壁壘讓燃料電池不夠完美

　　氫儲(chǔ)存的問題

　　將燃料電池應(yīng)用于新能源車輛上，其最主要的難題是將燃料供應(yīng)給車載燃料電池。眾所周知，氫是應(yīng)用于燃料電池車的理想燃料。因此，制氫極其儲(chǔ)存是車載中的重要的關(guān)注點(diǎn)。通常，有兩種途徑向燃料電池供應(yīng)燃料：一是在地面供應(yīng)站生產(chǎn)氫氣，而在車上儲(chǔ)存純氫;另一種是在車上，從易于含氫的承載裝置中生產(chǎn)氫，并直接供給燃料電池。相對于在車上制氫，在車上儲(chǔ)存氫是現(xiàn)階段較為普遍的方案。但是，由于氫氣本身的性質(zhì)，在技術(shù)上還存在許多需要突破的難點(diǎn)。在車上儲(chǔ)存氫，有三種方式：1.在環(huán)境溫度下，在貯存器內(nèi)儲(chǔ)存壓縮氫;2.在低溫下，低溫液態(tài)方式儲(chǔ)存;3.金屬氰化物的儲(chǔ)存方法。其中第1、2種為較為普遍的方案，但各自也存在許多缺點(diǎn)。同時(shí)，由于篇幅所限，只在此討論第1和第2種方案。

　　首先是壓縮氫這種方式，純氫采用加壓狀態(tài)下儲(chǔ)存在罐內(nèi)。根據(jù)資料，約20%的氫能量被消耗在將氫壓縮至高壓的過程之中，如果計(jì)算壓縮機(jī)和電機(jī)的低效率后，估算約25%的氫能量被消耗。而且，由于采用高壓的儲(chǔ)存狀態(tài)，貯氣罐由于需要承受幾百標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力而需要有很高的強(qiáng)度。為了使得罐的重量盡可能地輕，同時(shí)容積合理，就需要采用復(fù)合材料，如碳纖維材料，但是，這樣的成本會(huì)十分高。同時(shí)還必須考慮車載壓縮氫的易燃性。除了因?yàn)樵诠薇?、密封處等開裂導(dǎo)致氫泄露的危險(xiǎn)外，還存在氫穿過罐壁材料的滲透問題。這是由于含兩個(gè)氫原子的分子極小，致使其能擴(kuò)散通過某些材料。此外，萬一失事，壓縮氫貯存罐是一個(gè)潛在的炸彈。就氫本身而言，其危險(xiǎn)性甚至更大。在空氣中，氫具有從4%-77%很寬的爆炸范圍，且可以非常迅速地與空氣混合。與汽油相比，汽油爆炸范圍僅為1%-6%，且為液體。所以，至今為止，車載壓縮氫的儲(chǔ)存技術(shù)仍然是應(yīng)用于新能源車輛上的一個(gè)瓶頸。

　　另一種可供選擇的車載儲(chǔ)氫方法是在低溫(-259.2°C)條件下使之液化。如果想在-259.2°C這樣的低溫下貯存液體，其技術(shù)上是十分困難的。要求深度絕熱，以力求將從周圍空氣到低溫液體的熱傳遞減至最小，從而，防止其沸騰。通常的方法是構(gòu)造一個(gè)高度絕熱的貯罐，且使之堅(jiān)固地足以承受因液氫氣化所產(chǎn)生的相當(dāng)?shù)膲毫?，而過量的壓力則通過安全閥釋放至大氣中。這一貯罐的絕熱、高強(qiáng)度和安全設(shè)置也顯著地增加了液氫儲(chǔ)存的重量和成本。使用液氫儲(chǔ)存存在一個(gè)危險(xiǎn)的情況：假如車輛在一個(gè)封閉區(qū)域(車庫、地下停車場)內(nèi)停車，則存在氫在有限的大氣范圍內(nèi)聚集的危險(xiǎn)。這樣所形成的易爆混合氣體在初次產(chǎn)生火花(燈開關(guān)、打火機(jī)等)條件下將起爆。液氫貯罐的加注需要特殊的防護(hù)措施：空氣必須排除在環(huán)路之外。為此，一般采用的方法是在加注前先用氮注滿貯罐，以便排空罐中的剩余氣體。同樣，必須應(yīng)用專門用來控制爆炸和低溫的設(shè)備。同時(shí)，任何低溫液體對有生命生物是一種危險(xiǎn)的化合物，會(huì)冷凍灼傷皮膚和器官。所以采用低溫液化氫儲(chǔ)存的方法也存在許多問題需要解決，同時(shí)還存在一定的危險(xiǎn)性?？梢?，低溫車載儲(chǔ)氫也存在各種問題暫時(shí)無法解決，使得燃料電池的應(yīng)用受到了阻礙。

可見，在現(xiàn)階段和不遠(yuǎn)的將來，不論采用哪種儲(chǔ)氫方式，都會(huì)存在各種各樣的問題，這也制約了燃料電池的發(fā)展。

　　成本問題

　　由前可知，質(zhì)子交換膜燃料電池是較為主流的燃料電池方案，同時(shí)也是最有希望提供給新能源車輛使用的。雖然質(zhì)子交換膜燃料電池相比于其他燃料電池，具有很多優(yōu)點(diǎn)。但是，質(zhì)子交換膜燃料電池也同樣有著制約其成為未來新能源最佳解決方案的致命問題——成本問題。例如質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)時(shí)所使用的催化劑，需要使用昂貴的貴金屬——鉑來制造，這使得其成本一直居高不下。另外，由于聚合物膜的成本也很高，使得質(zhì)子交換膜燃料電池的造價(jià)很高，并且在短期內(nèi)無法降低成本。此外，由于鉑催化劑極富活性，在某些情況下，例如吸入的空氣來自于被污染城市中的大氣時(shí)，就會(huì)發(fā)生毒化效應(yīng)，而毒化效應(yīng)會(huì)大大降低燃料電池的性能，這使得空氣在進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池前，必須經(jīng)過處理，這又增加了質(zhì)子交換膜燃料電池的成本?？梢?，成本問題也是制約燃料電池成為未來新能源車輛最佳解決方案的一個(gè)方面。

　　綜上，雖然燃料電池具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是從儲(chǔ)氫方式和成本這個(gè)兩個(gè)問題上來看，都存在著很多問題，使得燃料電池在現(xiàn)階段以及未來無法大規(guī)模投入使用。未來，是否會(huì)出現(xiàn)能夠解決儲(chǔ)氫問題的新方案，是否會(huì)降低燃料電池的生產(chǎn)及使用成本，我們不得而知，也許到了那一天，人類已經(jīng)找到比燃料電池更為先進(jìn)、更為環(huán)保的新能源解決方案了。

　　誰主未來?

　　純電動(dòng)車輛?

　　早在第一輛現(xiàn)代汽車發(fā)明后的短短5年后，第一輛電動(dòng)車輛也制造問世。如果不是因?yàn)殡S著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)汽車變得功率更大、更靈活和更易于操縱時(shí)，也許現(xiàn)在大街上已滿是電動(dòng)汽車。但是隨著內(nèi)燃機(jī)汽車數(shù)量的急劇增多而導(dǎo)致的環(huán)境惡化問題，在20世紀(jì)60年代至70年代期間，關(guān)于環(huán)境的憂慮又一次觸發(fā)了人們對電動(dòng)車輛研究的熱情。時(shí)至今日，電動(dòng)車輛已經(jīng)逐漸由概念轉(zhuǎn)為量產(chǎn)。各大汽車廠商也紛紛發(fā)布了自己的電動(dòng)車輛車型以及發(fā)展計(jì)劃，這其中也包括梅賽德斯奔馳公司的純電動(dòng)版本Smart。電動(dòng)車輛具有許多勝過傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛以及燃料電池車輛的優(yōu)點(diǎn)，例如簡單的結(jié)構(gòu)、零排放、高效率以及安靜、平順的運(yùn)行狀態(tài)和安全放心的使用狀態(tài)。這些都使得電動(dòng)車輛成為未來新能源車輛最佳解決方案的強(qiáng)有力競爭者。

　　混合動(dòng)力車輛?

　　出乎人們意料的是，混合動(dòng)力車輛的歷史一點(diǎn)都不比內(nèi)燃機(jī)車輛以及電動(dòng)車輛短，在1899年的巴黎美術(shù)展覽上，出現(xiàn)了兩輛分別由法國公司和比利時(shí)公司生產(chǎn)的混合動(dòng)力車輛。但是由于電子技術(shù)發(fā)展水平的滯后，以及對電動(dòng)車輛研究熱情的高漲，直至20世紀(jì)90年代，人們又一次對混合動(dòng)力車輛產(chǎn)生了極大的興趣，并在不斷的努力下，取得了豐厚的成果。豐田公司的普銳斯，就是這豐厚成果的代表作之一，全球第一款商品化的混合動(dòng)力車輛，同時(shí)也是第一款商品化的符合當(dāng)今定義的新能源車輛。而混合動(dòng)力車輛最大的優(yōu)勢就是可以利用兩個(gè)能量源——一個(gè)基本能源和一個(gè)輔助能源，這就使得其同時(shí)具有這個(gè)兩個(gè)能量源的優(yōu)點(diǎn)，還能克服這兩個(gè)能量源的缺點(diǎn)。這也使得混合動(dòng)力車輛更具優(yōu)勢。

　　因此，就目前的狀況看，未來的汽車勢必會(huì)以電能來驅(qū)動(dòng)，各種新能源的解決方案之間所不同的只是獲得電能的方式。電動(dòng)車輛則為直接從外部獲取電能，燃料電池車輛及其混合動(dòng)力車輛則屬于通過使用車載發(fā)電裝置來獲得電能。相比起來，電動(dòng)車輛直接從外部獲得電能的方式具有最高的效率。當(dāng)然，在某些情況時(shí)，電動(dòng)車輛可能滿足不了使用者對行駛里程的要求，這時(shí)，使用車載發(fā)電裝置獲得電能的車輛就很好地解決了這個(gè)問題。然而，就現(xiàn)階段技術(shù)的發(fā)展趨勢，燃料電池技術(shù)相比起其他技術(shù)來說，有更多需要突破的難點(diǎn)，這也是造成其無法成為新能源車輛的終極解決方案的原因。終極解決方案是什么?我們不得而知，也許在將來的某一天，人類光靠使用太陽能已經(jīng)能滿足對能源的需求。

　　就現(xiàn)階段發(fā)展趨勢看，燃料電池技術(shù)相比起其他技術(shù)來說，有更多需要突破的難點(diǎn)，這也是造成其無法成為新能源汽車終極解決方案的原因。

　　編者語：

　　燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)就可以。這些燃料的化學(xué)能也通過一個(gè)步驟就變?yōu)殡娔埽韧ǔＭㄟ^兩步方式的能量損失少得多。于是，可以為人類提供的電量也就大大地增加了。

　　不久前，科技部部長萬鋼提出，在未來五至十年，混合動(dòng)力汽車將成為傳統(tǒng)汽車節(jié)能技術(shù)改造、升級換代的主要方向，純電動(dòng)汽車將成為近期發(fā)展戰(zhàn)略的主流，燃料電池汽車會(huì)成為未來的制高點(diǎn)。

　　而本文作者恰恰持有相反的觀點(diǎn)，究竟燃料電池能否成為新能源汽車的終結(jié)者，這一未來的結(jié)論，對我們來說并非最為重要。重要的是在這個(gè)過程當(dāng)中，我們對各個(gè)新能源汽車的類別有了深刻的分析和思考，對各種能源方式有了全方位認(rèn)知，這樣，無需待到未來，我們便已經(jīng)清晰地看到屬于新能源汽車的光明前景了。