燃料电池汽车与电动汽车,谁能胜出?

闻岩

【第一电动网】(特约作者 闻岩)作为新型动力汽车的代表,燃料电池车和电动汽车孰优孰劣?

当我们讨论的主题限于燃料电池车和电动汽车二者择一时:从原理的角度讲,氢燃料电池汽车的最终也是用电能驱动电动机,和电动汽车相比仅仅是能量的载体有所不同;从节能的角度讲,尽量减少能量转换次数更加为理想;从工业发展的角度来讲,“机械驱动”向“电气驱动”符合科学技术发展的方向;从发展的眼光看,电动汽车为将来无线传送电力预留了发展的空间。在这种情况下,与其选择氢燃料电池汽车,不如一步到位将研究资源投入到电动汽车的方向上更为妥当。


燃料电池汽车与电动汽车,谁能胜出?

下面分别介绍一下燃料电池和纯电动汽车的相关知识。

一、关于燃料电池车

(一)燃料电池的工作原理及原料的制取

燃料电池的基本原理为利用氢气与氧气的化合反应产生的能量发电。产生的电力可用来维持宇宙飞船的运转(如“阿波罗计划”的飞船),可以供应家庭使用(如日本东京煤气采用的家庭用供电系统)。而如果用来驱动汽车,则成为燃料电池汽车。

燃料电池从燃料的来源上看,有纯氢气和液化天然气等几种。

其中液化天然气的主要成份为甲烷(CH4),利用甲烷的氧化反应(不一定通过燃烧过程)产生的能量获取电力。其反应过程中会产生二氧化碳,但不会产生氮化物,相对来讲还是比较“干净”的。但这种方式主要为供家庭使用的固定式装置,所以体积较大。这种方式并不是本主题讨论的重点,所以略去不谈。

(二)氢气的制取方式

氢气的获取方式主要有以下几种:

1. 工业生产的副产物

如化工制碱过程中产生的氢气;

2. 发酵反应中产生的氢气

如堆肥,淤泥中因发酵反应而产生的氢气

3. 电解水产生的氢气

用电力来分解水,产生氢气和氧气。也就是燃料电池反应的逆向过程。

(三)燃料电池车的环保性

燃料电池车在行驶过程中仅仅排出水,被认为是一种“环保”型的交通工具。实际上真的是这样吗?

我们在讨论其环保性的时候,不仅要考虑燃料电池车本身,更要着眼于从制氢、氢气的储存、流通到使用这个系统的整个过程。只有通过对整个系统的评价,才能判断其环保性的优劣。

前面说过,燃料电池车的燃料——氢气的制取,是使用电力。而在制取氢气的过程中,电力消耗非常大。虽然可以通过太阳能、水力、风力等可再生能源发电,但目前主要的还是通过石油、煤炭等化石能源来进行的。也就是说,发电本身就会带来环境污染。

氢气的储存是一件相当困难的事情。氢气重量小体积大,所以必须用高压压缩,储存在密闭容器中(丰田公司的mirai的容器压力为700个大气压)。在元素周期表中氢排在第一位,即氢分子是最小的分子。氢分子可以很容易地通过储存容器壁中微小的孔洞而溢散。而储存容器的高压状态更加剧了这个过程。

在“加油站”添加氢气时,因充氢设备的频繁使用,700个大气压下所有的阀门的密闭性不可能长期维持设计状态,所以不可避免地这个过程中会损耗掉一部分氢气。

到目前为止,我们并没能找到从制取氢气到进行氧化反应为止,经过多个储运过程后,氢气溢散程度的量化数据。而从宇宙尺度上讲,地球的引力是不足以吸引住氢气的。溢散掉的氢气最终会进入宇宙空间。 “分解水为氢氧”→“氢氧化合为水”这种氢燃料电池的循环过程,将会带来地球整体含氢量(含水量)的下降(尽管这个过程极其缓慢)!

从氢燃料电池汽车系统中氢气的变迁中,我们看到一个“化石燃料的化学能”→“热能”→“电能”→“氢气的化学能”→“电能+热能”→“车辆的动能”这样能量形式转换的过程。请注意,能量形式转换过程存在着转换效率的问题(损失的能量基本上转换成热能)。也就是说,能量形式转换的次数越多,能量的浪费就越大!

从理论上讲,如果消耗单位量的化石能源制取的氢气,在氢氧发生化合反应的最后环节所做的功(在这里可以理解成推动车辆前进的距离),小于单位量化石能源所能做的功的话,那就不能说氢燃料电池汽车的环保性好!

(四)一个不受注意的问题

在议论氢燃料电池汽车的环保性时,经常被忽视的是汽车的排水问题。

燃料电池的原理就是氢气和氧气反应生成水而产生能量。这就意味着,氢燃料电池汽车一边行驶,一边排水。那么,这个过程中会有多少水被排放出来?

我们可以以丰田的mirai为例简单地计算一下,当装载全部氢气用尽会产生多少水:

基本参数

氢气储罐容量: 122.4升(前储罐60升,后储罐62.4升)

气压: 700大气压

常压下体积(为计算方便,温度变化忽略不计):

122.4升 × 700 = 85,680升

氢气的摩尔量: 85,680升/22.4升(每mol) = 3,825mol

氧化反应后产生水分子量: 3,825mol

1 mol水分子重量: 18克

3,825mol水分子重量: 68,850克

充满氢气时的巡航距离: 650公里

行驶每公里产生水量: 68,850克/650公里 = 106克/公里

也就是说,行驶时除去被氧化热蒸发掉的水量,大致每分钟产生100克左右的水。如车速为60公里/小时,则每行驶5公里,会产生500克左右的水。大家可以试试看,拿一个500ml的纯净水水瓶,用5分钟时间装满水,这时水龙头的流量要开到多大。

而当行驶车辆中氢燃料电池汽车占到一定的比例,那么汽车排放的水量就会高于蒸发掉和疏通走的水量,道路上就会产生积水。

结合我国目前道路积尘状况,车身上溅泥是避免不了的。而到了冬天的北方,道路甚至会变成溜冰场!

可以试想一下:当你在高速公路上行驶,前面是一辆“洒水车”时,那会是怎样的一种情形?

综上所述,和普通汽车相比,氢燃料电池汽车这种交通工具在排气中除去不产生氮化物和炭微粒之外,在环保方面很难说是否能提供什么“正能量”。

关于排水问题,笔者咨询了丰田公司。

在尽量接近实际行驶条件下的排水量(包括水蒸气)测试结果为60g/公里。(也就是说,mirai装载的氢气并不能全部用于化合反应。即存在着氢气的“利用率”问题)
据丰田公司介绍,mirai车内安装有水箱,用于储藏行驶过程中产生的水分储水。当遇到红灯等停车时按下放水按钮则可将其中的水分排出。但当问道如果在高速公路等不能经常停车的状况下,产生的水分是否会装满水箱后溢出时,对方回答说行驶时产生的水分“并不多”。

另外,在寒冷地区使用mirai时,为防止燃料电池和各种管道的冻结,也会自动排水。

二、关于电动汽车

(一)电动汽车的现状

电动汽车顾名思义,就是用电力作为动力来驱动的汽车。这里不包括混合动力车,特指纯粹使用电力来驱动,同时在行使过程中不需要随时有线接通电源(如有轨电车和无轨电车)的汽车。

现代的电动汽车将驱动用电机安装到各驱动轮的轮轴处,可以在行驶中用电脑精确控制各个车轮的动力分配和转速。所以可以省略掉分动箱、差速器以及在一些高档汽车上才采用的EBD(电子动力分配系统),大大降低车辆的成本。削减了发动机和变速系统后车内空间会加大很多。如将电池安排在底盘附近可降低重心,大大提高车辆的稳定性。

同时因使用直流电机,所以自然地可以回收车辆减速时的动能,经济性较好。

电动机具有扭矩大的优势,所以电动汽车的加速性能比较好。

电动汽车特斯拉的百公里加速只要3.1秒。

(二)电动汽车的难点

无论是氢燃料电池汽车还是电动汽车,都需要建设新的“加油站”,所以这个问题省略不谈。

目前电动汽车的市场化主要有以下几个问题:

1. 整车成本问题

在电动汽车成本中,蓄电池所占的比重非常高,约占全车总成本的1/3-1/2。

2. 电池容量和寿命问题

目前的车用充电电池为锂电池,巡航时间较短是个重要的问题。现在厂家的目标是达到或超过汽油发动机车的巡航里程。

目前,日产汽车公司的一款电动汽车(二箱车),充满电后可以行使将近250公里。

3. 充电时间问题

充电时间较长是电动汽车的另一个弱点。氢燃料电池车“加油”时间约为3分钟,大致和汽油车相同。而电动汽车的充电时间动辄几十分钟(日产电动汽车用的充电站充满80%的电量需要20分钟,充满电则所花时间更长)。虽然采用家庭式插头充电方式可利用晚间充电,但在外面的临时充电仍然无法对应。

为解决上述问题,日本的日产汽车公司曾提出过一个解决方案,其要点是:

1. 用户购车时,仅仅购买车辆本体;

2. 购车后,“租赁”电池;

3. “加油站”准备大量的电池,并负责充电;

4. 用户需要“加油”时,到“加油站”更换充好电的电池;

5. 用户按照上一次更换电池开始到目前的行驶里程缴纳电费。

这种方式既解决了电池成本高昂的问题,同时也能解决充电时间过长的问题,用户也不用考虑电池老化的负担。当“加油站”普及到一定程度,电池容量小的问题也就不存在了。其缺点是所有的成本负担都加在了厂商和服务商的身上,一次性投资过大。

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