2.开发氢能汽车亟待解决的问题和对策

时下，发展燃料电池汽车成为汽车领域一个重要的课题。因为氢氧燃料电池的优势相当明显。首先，氢氧燃料电池的燃料来源非常广泛，在地球上的储备也非常丰富，氢元素是地球上储量最多的元素之一。其次，燃料电池的排放很低。只有氢气(H2)与氧气(O2)在特殊的环境下发生的电化学反应，这样反应的产物就是水，没有如一氧化碳(CO)等有害产物；没有直接的明火燃烧，就没有氮气(N2)与氧气(O2)反应产生的氮氧化物(NOx)；因为氢气不是化石燃料，所以也没有硫化物等对环境有害的物质。氢气释放化学能的过程是所谓的“冷燃烧”，化学反应以后直接得到电能来驱动汽车或者被车载电器使用。这样也就没有活塞、连杆等机构，大大地减小了发动机运行时产生的机械振动。虽然燃料电池汽车在理论上具有比内燃机车辆优越的经济性、动力性和排放性，但在替代内燃机车辆的过程中还有以下很多有待解决的技术难题。

质子交换膜的价格不菲，冷燃烧的发生环境是非常“昂贵”的。目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一，但质子交换膜燃料电池需要用重金属铂作为催化剂。目前，电动汽车的燃料电池价值约 3 万美元以上，约是普通内燃机的 10 倍。虽然说大批量生产这种特殊材料成本会有所降低，但是价格上的缺点还是可能使燃料电池汽车比同级别的化石燃料汽车要贵 1 倍以上。催化剂铂(Pt)价格十分昂贵。其价格大约是黄金的 2 倍。设备开支问题对燃料电池汽车的实用化也十分重要，燃料电池汽车用来保护复杂的电池反应堆的装置和相关的费用都有待于进一步降低。因此，如何降低成本是燃料电池汽车实用化的关键。

Fcev（燃料电池汽车）的动力总成与普通内燃机汽车的动力总成完全不一致。那么如果要广泛地推行燃料电池汽车，现有的活塞式发动机的汽车就要完全淘汰，这次“革命”的代价是相当沉重的。

燃料种类单一，比功率还要进一步提高。目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有用碳水化合物经过重整后转换的氢，是燃料电池的惟一的燃料。氢气的产生，储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。内燃机的比功率约为 300W/kg，以氢为燃料的燃料电池比功率约 300W/kg～350W/kg、功率密度为 280W/l。为满足 Fcev 动力性能的要求，需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。需要配备辅助电池系统。燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收Fcev 再生制动的反馈能量。通常在Fcev 上还要增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在 Fcev 减速时接受再生制动时的能量。

要求高质量的密封。燃料电池的单体电池所能产生的电压约为 1V，不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求，组合成为燃料电池发动机组。组合时，单体电池间的电极连接，必须要有严格的密封，密封不良的燃料电池会使氢气泄漏到燃料电池的外面，降低氢的利用率，严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封，使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂、并给使用和维护带来很多困难。

汽油裂化困难。汽油裂化反应需要在 850℃～1000℃温度下进行，并且当燃油裂化结束时，冷却也十分困难。此外，在汽油裂化过程中将产生CO2和其它可导致温室效应的气体。

另一个难以解决的问题是防止燃料电池在催化剂作用下发生疏化反应。防结冰问题。结冰性是燃料电池的致命弱点。燃料电池在工作过程中，不可避免地产生水，在低温的情况下，水结成冰会破坏聚合隔膜。更大的问题是电池反应堆在低于 0℃时是不会产生电流，如何使在-20℃～-40℃温度下已经冻透的反应堆很快地正常工作，将是一个难点。

燃料电池还有一个非技术性的缺点也是最不好解决的。采用燃料电池的汽车加速性能比起普通活塞式发动机还有很大差距。虽然燃料电池可在 1s 之内迅速提供满负荷动力，但是其只能在几秒钟内承受短时过负荷。这样一来燃料电池的汽车的加速性能就比普通汽车有明显降低。

氢内燃机不需要任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完成做功，这样就不会存在造价过高的问题。现在很多已经研发成功的氢内燃机都是混合动力的，也就是既可以使用液氢，也可以使用汽油等作为燃料。这样氢内燃机就成了一种很好的过渡产品。例如，在一次补充燃料后不能到达目的地，但能找到加氢站的情况下就使用氢作为燃料；或者先使用液氢，然后找到普通加油站加汽油。这样就不会出现加氢站还不普及的时候人们不敢放心使用氢动力汽车的情况。

氢内燃机的基本原理与汽油或者柴油内燃机原理一样，所以不会出现汽车的加速性能下降的情况。氢内燃机由于其点火能量小，易实现稀薄燃烧，故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性。与氢氧燃料电池相比氢内燃机也有一些劣势，例如：氢内燃机是氢气与空气混合点燃，这样就会产生氮氧化物(NOx)，这在氢氧燃料电池的反应产物中是没有的。

氢是惟一不含碳的燃料，燃烧后生成水(H2O)，不排放一氧化碳(CO)、氢化物(HC)及硫化物，没有二氧化碳(CO2)。在氢一空气混合气中，氧原子浓度大且氢燃烧时循环温度比较高，燃烧产物中无 CO 和 HC。当前以氢作为燃料的车用动力总成主要有两种形式：一是以燃料电池的形式，就是让氢气和氧气在特殊的催化剂的作用下发生电化学反应；二是传统的活塞式内燃机，只不过以液态氢气替代了汽油、煤油等燃料。目前，以上两种以氢气作为燃料的发动机的研究工作都在进行。两种方式都具有自己的优势，同时两种方式都存在有待解决的问题。

燃料电池的发展还有一个基本难题就是：氢氧燃料电池以及氢内燃机都共同存在贮运难题。氢的沸点为-253℃，常温下是气态，所以贮运性能差。氢气的贮存主要有三种方法：一是直接利用，但车辆要携带一个充满高可燃性气体的高压容器，所需空间很大；二是以液态形式贮存，那样又需要很复杂的制冷设备和更安全的压缩技术；三是使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属，但是此时氢气分离温度高，且其比能量较低。目前的贮存方式有物理方式和化学方式两种。

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