燃料電池汽車與電動汽車 誰能勝出？
日期：2024-11-29 19:37:24 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：463作為新型動力汽車的代表，燃料電池車和電動汽車孰優(yōu)孰劣?
當(dāng)我們討論的主題限于燃料電池車和電動汽車二者擇一時：從原理的角度講，氫燃料電池汽車的最終也是用電能驅(qū)動電動機(jī)，和電動汽車相比僅僅是能量的載體有所不同;從節(jié)能的角度講，盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)更加為理想;從工業(yè)發(fā)展的角度來講，“機(jī)械驅(qū)動”向“電氣驅(qū)動”符合科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向;從發(fā)展的眼光看，電動汽車為將來無線傳送電力預(yù)留了發(fā)展的空間。在這種情況下，與其選擇氫燃料電池汽車，不如一步到位將研究資源投入到電動汽車的方向上更為妥當(dāng)。
燃料電池汽車與電動汽車，誰能勝出?
下面分別介紹一下燃料電池和純電動汽車的相關(guān)知識。
一、關(guān)于燃料電池車
(一)燃料電池的工作原理及原料的制取
燃料電池的基本原理為利用氫氣與氧氣的化合反應(yīng)產(chǎn)生的能量發(fā)電。產(chǎn)生的電力可用來維持宇宙飛船的運轉(zhuǎn)(如“阿波羅計劃”的飛船)，可以供應(yīng)家庭使用(如日本東京煤氣采用的家庭用供電系統(tǒng))。而如果用來驅(qū)動汽車，則成為燃料電池汽車。
燃料電池從燃料的來源上看，有純氫氣和液化天然氣等幾種。
其中液化天然氣的主要成份為甲烷(CH4),利用甲烷的氧化反應(yīng)(不一定通過燃燒過程)產(chǎn)生的能量獲取電力。其反應(yīng)過程中會產(chǎn)生二氧化碳，但不會產(chǎn)生氮化物，相對來講還是比較“干凈”的。但這種方式主要為供家庭使用的固定式裝置，所以體積較大。這種方式并不是本主題討論的重點，所以略去不談。
(二)氫氣的制取方式
氫氣的獲取方式主要有以下幾種：
1. 工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物
如化工制堿過程中產(chǎn)生的氫氣;
2. 發(fā)酵反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣
如堆肥，淤泥中因發(fā)酵反應(yīng)而產(chǎn)生的氫氣
3. 電解水產(chǎn)生的氫氣
用電力來分解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣。也就是燃料電池反應(yīng)的逆向過程。
(三)燃料電池車的環(huán)保性
燃料電池車在行駛過程中僅僅排出水，被認(rèn)為是一種“環(huán)保”型的交通工具。實際上真的是這樣嗎?
我們在討論其環(huán)保性的時候，不僅要考慮燃料電池車本身，更要著眼于從制氫、氫氣的儲存、流通到使用這個系統(tǒng)的整個過程。只有通過對整個系統(tǒng)的評價，才能判斷其環(huán)保性的優(yōu)劣。
前面說過，燃料電池車的燃料——氫氣的制取，是使用電力。而在制取氫氣的過程中，電力消耗非常大。雖然可以通過太陽能、水力、風(fēng)力等可再生能源發(fā)電，但目前主要的還是通過石油、煤炭等化石能源來進(jìn)行的。也就是說，發(fā)電本身就會帶來環(huán)境污染。
氫氣的儲存是一件相當(dāng)困難的事情。氫氣重量小體積大，所以必須用高壓壓縮，儲存在密閉容器中(豐田公司的mirai的容器壓力為700個大氣壓)。在元素周期表中氫排在第一位，即氫分子是最小的分子。氫分子可以很容易地通過儲存容器壁中微小的孔洞而溢散。而儲存容器的高壓狀態(tài)更加劇了這個過程。
在“加油站”添加氫氣時，因充氫設(shè)備的頻繁使用，700個大氣壓下所有的閥門的密閉性不可能長期維持設(shè)計狀態(tài)，所以不可避免地這個過程中會損耗掉一部分氫氣。
到目前為止，我們并沒能找到從制取氫氣到進(jìn)行氧化反應(yīng)為止，經(jīng)過多個儲運過程后，氫氣溢散程度的量化數(shù)據(jù)。而從宇宙尺度上講，地球的引力是不足以吸引住氫氣的。溢散掉的氫氣最終會進(jìn)入宇宙空間。 “分解水為氫氧”→“氫氧化合為水”這種氫燃料電池的循環(huán)過程，將會帶來地球整體含氫量(含水量)的下降(盡管這個過程極其緩慢)!
從氫燃料電池汽車系統(tǒng)中氫氣的變遷中，我們看到一個“化石燃料的化學(xué)能”→“熱能”→“電能”→“氫氣的化學(xué)能”→“電能+熱能”→“車輛的動能”這樣能量形式轉(zhuǎn)換的過程。請注意，能量形式轉(zhuǎn)換過程存在著轉(zhuǎn)換效率的問題(損失的能量基本上轉(zhuǎn)換成熱能)。也就是說，能量形式轉(zhuǎn)換的次數(shù)越多，能量的浪費就越大!
從理論上講，如果消耗單位量的化石能源制取的氫氣,在氫氧發(fā)生化合反應(yīng)的最后環(huán)節(jié)所做的功(在這里可以理解成推動車輛前進(jìn)的距離)，小于單位量化石能源所能做的功的話，那就不能說氫燃料電池汽車的環(huán)保性好!
(四)一個不受注意的問題
在議論氫燃料電池汽車的環(huán)保性時，經(jīng)常被忽視的是汽車的排水問題。
燃料電池的原理就是氫氣和氧氣反應(yīng)生成水而產(chǎn)生能量。這就意味著，氫燃料電池汽車一邊行駛，一邊排水。那么，這個過程中會有多少水被排放出來?
我們可以以豐田的mirai為例簡單地計算一下，當(dāng)裝載全部氫氣用盡會產(chǎn)生多少水：
基本參數(shù)
氫氣儲罐容量： 122.4升(前儲罐60升，后儲罐62.4升)
氣壓： 700大氣壓
常壓下體積(為計算方便，溫度變化忽略不計)：
122.4升 × 700 = 85,680升
氫氣的摩爾量： 85,680升/22.4升(每mol) = 3,825mol
氧化反應(yīng)后產(chǎn)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
充滿氫氣時的巡航距離： 650公里
行駛每公里產(chǎn)生水量： 68,850克/650公里 = 106克/公里
也就是說，行駛時除去被氧化熱蒸發(fā)掉的水量，大致每分鐘產(chǎn)生100克左右的水。如車速為60公里/小時，則每行駛5公里，會產(chǎn)生500克左右的水。大家可以試試看，拿一個500ml的純凈水水瓶，用5分鐘時間裝滿水，這時水龍頭的流量要開到多大。
而當(dāng)行駛車輛中氫燃料電池汽車占到一定的比例，那么汽車排放的水量就會高于蒸發(fā)掉和疏通走的水量，道路上就會產(chǎn)生積水。
結(jié)合我國目前道路積塵狀況，車身上濺泥是避免不了的。而到了冬天的北方，道路甚至?xí)兂闪锉鶊?
可以試想一下：當(dāng)你在高速公路上行駛，前面是一輛“灑水車”時，那會是怎樣的一種情形?
綜上所述，和普通汽車相比，氫燃料電池汽車這種交通工具在排氣中除去不產(chǎn)生氮化物和炭微粒之外，在環(huán)保方面很難說是否能提供什么“正能量”。
二、關(guān)于電動汽車
(一)電動汽車的現(xiàn)狀
電動汽車顧名思義，就是用電力作為動力來驅(qū)動的汽車。這里不包括混合動力車，特指純粹使用電力來驅(qū)動，同時在行使過程中不需要隨時有線接通電源(如有軌電車和無軌電車)的汽車。
現(xiàn)代的電動汽車將驅(qū)動用電機(jī)安裝到各驅(qū)動輪的輪軸處，可以在行駛中用電腦精確控制各個車輪的動力分配和轉(zhuǎn)速。所以可以省略掉分動箱、差速器以及在一些高檔汽車上才采用的EBD(電子動力分配系統(tǒng))，大大降低車輛的成本。削減了發(fā)動機(jī)和變速系統(tǒng)后車內(nèi)空間會加大很多。如將電池安排在底盤附近可降低重心，大大提高車輛的穩(wěn)定性。
同時因使用直流電機(jī)，所以自然地可以回收車輛減速時的動能，經(jīng)濟(jì)性較好。
電動機(jī)具有扭矩大的優(yōu)勢，所以電動汽車的加速性能比較好。
電動汽車特斯拉的百公里加速只要3.1秒。
(二)電動汽車的難點
無論是氫燃料電池汽車還是電動汽車，都需要建設(shè)新的“加油站”，所以這個問題省略不談。
目前電動汽車的市場化主要有以下幾個問題：
1. 整車成本問題
在電動汽車成本中，蓄電池所占的比重非常高，約占全車總成本的1/3-1/2。
2. 電池容量和壽命問題
目前的車用充電電池為鋰電池，巡航時間較短是個重要的問題。現(xiàn)在廠家的目標(biāo)是達(dá)到或超過汽油發(fā)動機(jī)車的巡航里程。
目前，日產(chǎn)汽車公司的一款電動汽車(二箱車)，充滿電后可以行使將近250公里。
3. 充電時間問題
充電時間較長是電動汽車的另一個弱點。氫燃料電池車“加油”時間約為3分鐘，大致和汽油車相同。而電動汽車的充電時間動輒幾十分鐘(日產(chǎn)電動汽車用的充電站充滿80%的電量需要20分鐘，充滿電則所花時間更長)。雖然采用家庭式插頭充電方式可利用晚間充電，但在外面的臨時充電仍然無法對應(yīng)。
為解決上述問題，日本的日產(chǎn)汽車公司曾提出過一個解決方案，其要點是：
1. 用戶購車時，僅僅購買車輛本體;
2. 購車后，“租賃”電池;
3. “加油站”準(zhǔn)備大量的電池，并負(fù)責(zé)充電;
4. 用戶需要“加油”時，到“加油站”更換充好電的電池;
5. 用戶按照上一次更換電池開始到目前的行駛里程繳納電費。
這種方式既解決了電池成本高昂的問題，同時也能解決充電時間過長的問題，用戶也不用考慮電池老化的負(fù)擔(dān)。當(dāng)“加油站”普及到一定程度，電池容量小的問題也就不存在了。其缺點是所有的成本負(fù)擔(dān)都加在了廠商和服務(wù)商的身上，一次性投資過大。