日前,世界首列氫燃料
電池有軌電車在河北唐山唐胥鐵路首次投入商業(yè)運(yùn)營。該列電車的運(yùn)營全程為13.84公里,線路起始站為2016世園會站,途經(jīng)唐山南站、1878開灤站、1889啟新站,最終返回2016世園會站。這輛有軌電車最大的特點(diǎn)是使用了氫燃料
電池,有賴于氫氣燃料電池技術(shù),電車取消了傳統(tǒng)有軌電池的受電弓和接觸網(wǎng),不僅填補(bǔ)了世界該領(lǐng)域空白,還實(shí)現(xiàn)污染物“零排放”和全程“無網(wǎng)”運(yùn)行。
什么是氫燃料電池
氫燃料電池是燃料電池大家族中的一員,這種燃料電池最早可以追溯到Willian Robert Grove在1843年發(fā)表的“氣體電池”的原始模型。正如很多技術(shù)從原始構(gòu)思到成熟產(chǎn)品經(jīng)歷過非常漫長的過程,氫燃料電池也是如此——直到美蘇太空爭霸,這項(xiàng)體積小、大容量的能量裝置才被用在宇宙飛船上。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,氫燃料電池開始被應(yīng)用到一些軍事裝備上,以及一些民用車輛上。美國、日本等國家都先后開發(fā)過搭載氫燃料電池的民用車輛。隨著世界各國越來越重視環(huán)境保護(hù)問題,能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”的氫燃料電池因而備受重視,美國《時(shí)代》周刊在 1995 年將燃料電池電汽車列為二十一世紀(jì)十大高新技術(shù)之首。
氫燃料電池可以理解為一個(gè)發(fā)電裝置,只要持續(xù)不斷的給氫燃料電池輸入氫氣和氧氣,就能對外輸出電能。相比之下,像手機(jī)里的鋰電池和傳統(tǒng)鉛酸電池,則是一個(gè)儲能裝置。充電時(shí)存儲電能,使用時(shí)再釋放電能。
氫燃料電池的發(fā)電原理
在中學(xué)化學(xué)課本上,我們都學(xué)過電解水,也就是水被電解為氫氣和氧氣。而氫燃料電池的發(fā)電可以理解為電解水的逆反應(yīng)——以氫氣和氧氣生成電能和水。
氫燃料電池的主要結(jié)構(gòu)包括電極、隔膜與集電器等。電極和一般電池一樣,也分為陽極和陰級。隔膜的主要作用是把氧化劑和還原劑隔開。集電器主要起到收集電流和疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等作用。
氫燃料電池發(fā)電時(shí),電池陽極上的氫會分解出電子和質(zhì)子,質(zhì)子會穿過隔膜達(dá)到陰極,而電子則在外部電路運(yùn)行,從而產(chǎn)生電能。在陰極氫和氧會生成水。而只要有持續(xù)的氫氣和氧氣供應(yīng),并將反應(yīng)生成的水排出去,燃料電池就能夠持續(xù)提供電能。
氫燃料電池的優(yōu)點(diǎn)
燃料電池之所以被很多人看好,就在于這種電池相對于現(xiàn)在的鋰離子電池而言有不少優(yōu)勢,特別是面對油價(jià)上漲和能源危機(jī),以及日益惡劣的大氣環(huán)境等問題之時(shí),氫燃料電池的優(yōu)勢就格外引人關(guān)注。
一是氫燃料電池綠色環(huán)保。
由于氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之后,得到的產(chǎn)物是水,而傳統(tǒng)汽車用的汽油燃燒后會釋放氮化物、硫化物,污染空氣質(zhì)量,是造成城市霧霾的重要原因之一。相比之下,用氫燃料電池的汽車要環(huán)保的多。
二是制取氫氣的原材料非常豐富。
由于氫氣可以由電解水來獲取,而地球上有非常豐富的水資源,制取氫氣的原材料可以說是取之不盡用之不竭。
三是氫燃料電池可以和新能源形成互補(bǔ)。
由于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電時(shí)間和發(fā)電功率不像火電和核電那樣恒定,電能的質(zhì)量相對遜色一些。因此,電網(wǎng)往往會限制風(fēng)電廠和光伏電站的發(fā)電量。如果將光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能用于氫氣制取,那么既可以解決消化光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的“多余”電能,又可以實(shí)現(xiàn)氫氣制取的綠色環(huán)保,為氫燃料電池提供充足的原料。
四是能量轉(zhuǎn)換效率高。
由于氫燃料電池在使用中是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,不像一些設(shè)備要經(jīng)過化學(xué)能——熱能——電能的轉(zhuǎn)換,因而不受卡諾循環(huán)限制。擁有更高的能量轉(zhuǎn)化效率,根據(jù)測試,氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)的2-3倍。
五是沒有像鋰離子電池那種相對漫長的充電過程。
氫燃料電池本質(zhì)上是一個(gè)以氫氣和氧氣為原料的發(fā)電裝置,因而不像鋰離子電池那樣有相對漫長的充電過程。舉例來說,河北唐山唐胥鐵路使用的有軌電車一次快速加氫只需15分鐘。
六是氫燃料電池噪聲低。
由于氫燃料電池沒有往復(fù)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件,因此燃料電池運(yùn)行時(shí)非常安靜,噪聲大約只有 55分貝,相當(dāng)于人們正常交談的水平。
七是能量密度高。
目前,鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)撞上了天花板,電池企業(yè)已經(jīng)很難再提升鋰離子電池的能量密度。即便以劍走偏鋒的方式強(qiáng)行提高鋰離子電池的能量密度,那也是以犧牲安全性、壽命的指標(biāo)為代價(jià)的,最好的例子就是去年三星Note7手機(jī)因電池原因接連自燃和爆炸。
因此,現(xiàn)在一般的電動(dòng)汽車的航程大約在300-400公里左右,像特斯拉的航程能夠達(dá)到450公里,但這是以安全性為代價(jià)的。這也是特斯拉
電動(dòng)車接連燒車的原因之一。而如果采用氫燃料電池,
電動(dòng)車的續(xù)航能力可以大幅提升,一些實(shí)驗(yàn)車型的航程已經(jīng)達(dá)到了700—800公里,而且隨著技術(shù)的進(jìn)步,電動(dòng)車的航程還有提升潛力。
氫燃料電池的不足
首先是對安全性的要求非常高。由于氫氣是極小的分子,很容易造成泄露,而且在一定比例和氧氣混合之后,就會發(fā)生爆炸。在氫氣的生產(chǎn)、儲存、保管、運(yùn)輸和灌裝過程中,一旦泄露將會造成不可估量的后果。
其次是成本偏高。之前提到,氫氣的生產(chǎn)、儲存、保管、運(yùn)輸和灌裝比較復(fù)雜,對安全性要求也高,這就大幅提升了成本。而采用儲氫合金的做法雖然安全,而且部分儲氫合金的儲氫密度甚至大于液氫,但這類金屬幾乎全是稀貴金屬,價(jià)格幾乎都直逼黃金,大規(guī)模商用的可能性微乎其微。
三是缺乏加注氫氣的氫氣站。正如充電站成為電動(dòng)汽車普及的短板,氫氣站的匱乏也使采用氫燃料電池的車輛難以普及。
結(jié)語
本次世界首列氫燃料電池有軌電車在河北唐山唐胥鐵路首次投入商業(yè)運(yùn)營,標(biāo)志著中國在氫燃料電池的技術(shù)和成本控制上均取得了突破。希望中國能在燃料電池技術(shù)方面越走越遠(yuǎn),越走越好。
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