清洁汽车的不可告人的秘密

译者: 卧薪越甲 | 发布: | 发布时间:2013-12-29,星期日 | 阅读:1,765
原文:The dirty secrets of clean cars
原作者:N.V.

氢燃料电池汽车真的能减少污染吗?请看本文的分析。实际上,节能减排是一个系统工程,只改进一个环节是不够的。

只要汽车工程师聚集在一起,他们之中迟早有人会说氢气是未来汽车的清洁燃料,并且对此一再强调。实际上,这些论调已经存在几十年了,氢燃料汽车总让人感觉他们将马上出现在市场上。在上周举行的洛杉矶车展和东京车展上,本田汽车公司和现代汽车公司均对氢燃料汽车发表了声明,他们都声称自己制造的氢燃料汽车将在2014春季向公众出售。从这两家公司的声明来看,氢燃料汽车似乎是真的要来了。

氢气作为一种运输燃料,不含有碳元素成分,燃烧时不会产生碳基温室气体,起码在发动机内部燃烧时不会产生碳基温室气体,这是汽油、柴油、煤油、天然气和其他碳氢化合燃料都不具有的特性,也是科技人员为之着迷的原因。虽然如此,如果氢气燃烧时使用空气而不是纯氧作为氧化剂,氢气燃烧时仍然会产生有害氮氧化物,就这一点而言,它与化石燃料没有本质区别。众所周知,氮氧化物是一种比二氧化碳危害更大的温室气体。

正因如此,尽管氢气内燃机曾一度被认为比其他环保技术便宜,并能实现量产,改进型氢气燃料内燃机还是几乎被科技人员放弃了。宝马公司曾经制造了数辆氢燃料汽车,但宝马公司却发现这些氢燃料汽车的温室气体排放情况比普通汽车好不到哪去,甚至使用了催化转化器的普通汽车的情况还好于他们。

因此,科研人员将工作重点转到了研发氢燃料电池上。氢燃料电池是利用化学反应来提取氢气的能量,而不是利用燃烧氢气来获取能量。氢燃料电池的产生能量的过程与电解水过程完全相反:电解水是将水分解成为氢气和氧气,氢燃料电池是让这两种气体发生电化学反应,在电化学反应过程中,电流和水被产生出来。氢燃料电池的对外排放出的只是水蒸气和热量。

燃料电池结构很简单,车载质子膜交换型氢燃料电池有两个电极——一个正电极和一个负电极,这两个电极被电解质隔开,该电解质是被一种铂钯催化剂包裹的聚合物膜;氢气被气泵从燃料箱输送到燃料电池正电极一侧,燃料电池的负电极一侧则充满了从空气中提取的氧气。

在氢气从正电极向负电极移动过程中,催化剂从氢原则里提取电子,只让氢离子(质子)向负电极移动,氢离子在进入负电极区域后,与氧原子发生化学反应,形成水分子。那些被质子膜排斥的电子被转移到外部电路上,电子在从正电极向负电极移动的过程中,为连接在电路上的设备做有用功(为加热器、电动机、车灯等设备供电)。由于一个氢气质子膜交换电池的输出电压不足一伏,科技人员得将多个氢气质子膜交换电池连接起来,才能形成有用的输出电压,这让氢燃料电池组的外形看起来像切片面包。

氢燃料电池的效率比内燃机高出三至四倍。更重要的是,使用氢燃料电池的汽车属于电动汽车,却不用安装沉重的电池。氢燃料电池的这种特点解决了困扰电池电动汽车的两个大问题:有限的行驶里程和较长的充电时间。只需将油箱加满氢气,氢燃料电池汽车的行驶里程能超过300英里(480公里),而将氢气油箱加满最多只需五分钟。与电池电动汽车一样,氢燃料电池汽车也属于零排放汽车。

对于汽车制造厂商而言,汽车零排放是他们向相关州政府机构汇报的重要指标。(特别是加利福尼亚州空气资源局);其实,这些州政府机构也是不予余力地实现“零排放汽车”的目的。但电池电动汽车行驶里程十分有限,充电时间太长,这让各政府机构对电池电动汽车感到越来越失望,即便是将电池价格下降一半,行驶里程翻一番,仍然很达到他们的要求。

与电池电动汽车相比,虽然氢燃料电池汽车虽然看起来更像常规汽车,却能让汽车生产厂商有办法达到新法规定强制要求。按照加利福尼亚州政府的规定,最新的清洁空气法规将与2025年实行,有人估计到那时,加利福尼亚州的零排放汽车的累积销量至少为150万辆。仅在一个平常年份,加利福尼亚州的新车销量为170万辆。这意味着:为了达到加利福尼亚州政府制定的目标,从现在到2025年这段时间里,零排放汽车的销量至少要占到全部新车年销量的15%。

包括纽约州、康涅狄格州和曼切斯特州在内的美国其他七个州也制定了与加利福尼亚州政府类似的法规。这八个州的每年的新车销量占到了全美新车销量的四分之一,这可是尽人皆知的事情。

人们注意到另一个现象就是燃料电池的成本在不断下降。尽管有人为研发锂电池技术投入了数十亿美元资金,但研发进程仍然相当缓慢,锂电池的价格仍然为每千瓦约2千美元,这个价格可不低。要知道,锂电池主要用于插电式电动汽车,是其动力装置的核心部件。与锂电池的价格相比,氢燃料电池的价格就不显得高得离谱了:本田汽车公司在2007年对外公布了100千瓦本田Clarity氢燃料电池汽车,其氢燃料电池组价格为每套35万美元,平均一千瓦3500美元。这就是本田公司有能力制造了200辆本田Clarity来让公众试驾的原因。

从2007年到现在,在这六年时间里,汽车制造厂商将实验型氢燃料电池组的制造成本下降了一半。现在,氢燃料电池的价格在短期内能达到每千瓦低于1500美元(见《电动汽车的末路》,2012年10月15日)。按照美国能源部的估计:要是氢燃料电池不是手工制造,而是进行数以万计地大规模制造,其制造成本低于每千瓦50美元,与当前的内燃机制造成本相当。

质子膜交换型氢燃料电池使用的铂和钯这两种贵金属作为催化剂,这是其无法大规模普及的另一个障碍。科研人员唯有找到一种性质与铂和钯化学催化性质相同,并且不容易被氢气燃料杂质(如一氧化碳)破坏的新型催化剂,这一问题才能得到解决。科研人员已经在铁基催化剂方面取得了一些进展,但铁基催化剂的活性太低,不具有实用性。另一方面,要是将铂-钯催化剂的催化活性提高,单个氢燃料电池的铂-钯催化剂用量就能降下来,氢燃料电池也能进行商业应用。现在,两种降低氢燃料电池催化剂成本的方法都在研究之中,在这个年代结束之前,人们应当能见到这些科研结果。

即便上述问题都得到了解决,氢燃料电池汽车还是无法得到大规模地运用。首先,氢气燃料的供应是个问题,必须在全国范围内建好氢燃料运输基础设施,氢燃料电池汽车才能进入普通顾客的车库。美国已经在其国内建好了约100个氢气加气站,但对公众开放的氢气加气站还不到12个,其他加气站只是为工业企业、军队、政府机关和科研单位提供专门氢气供应。

加利福尼亚州政府批准了一个氢气加气站十年投资计划,按照该计划,加利福尼亚州政府将在未来十年里,每年为建设公众氢气加气站拨款2千万美元。照此推算,仅在全美建设氢气加气站网络的成本就将高达2百亿美元。但有一份研究报告提出:如果将氢气加气机普及程度提高到加油泵的普及程度,美国政府至少能节省下5千亿美元。

接下来就是氢气的供应来源的问题。现在,工业用氢气的生产方式是将水蒸气注入天然气,让天然气的分子结构重组,从而得到氢气。(工业用氢气通常被用作炼油原料、化工原料、电子工业原料和食品工业原料。)这种氢气制造方式并不环保。按照设在科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室的说法,使用蒸汽重组法氢气生产技术,每生产一公斤氢气,将产生11.9公斤二氧化碳。如果按照本田Clarity氢燃料电池汽车每公斤氢气能行驶68英里来计算,本田Clarity每行驶一英里,就相当于将175克二氧化碳排入大气中。

与之相比,大众小型柴油轿车的二氧化碳排放量为每英里145克。仅从二氧化碳排放量来看,即便是配置汽油发动机的丰田普锐斯混合动力汽车,其二氧化碳排放量为每英里167克,也比使用氢燃料电池的本田Clarity要环保一些。必须承认,化石燃料的采油过程、提炼过程和运输过程也会向大气排放二氧化碳。但随着时间的推移,使用化石燃料内燃机变得越来环保。从钻井平台到汽车油箱,石化燃料的整个使用过程的二氧化碳排放量正在逐渐减少;换句话讲,变得越来越环保的常规汽车无形之中给所谓的零排放汽车施加了不少压力。

一旦加利福尼亚州和其他州的汽车零排放法规生效,蒸汽重组法氢气生产方式将被禁止,因为该生产方式虽然生产成本低,但污染严重,人们只能使用电解水方式进行生产氢气,此生产方式使用电流将水分解成氢气和氧气,整个生产过程不会排放温室气体,虽然其环保性好,成本却较高。此外,为达到整个生产过程都不产生温室气体的效果,电解水的电力只能来自于像风电、太阳能电力、水电和核电这些没有二氧化碳排放的电站。

不幸的是,这些可再生电力来源并没有发展得很好。同时,全球可开发的水电资源也所剩无几。从长远来看,唯有核电是一个最好的选择。

汽车制造厂商一再强调:要是没有清洁电力资源,如果强行要求汽车制造厂商要制造插电式电动汽车和氢燃料电池汽车这样的零排放汽车,只会造成使用汽油或柴油的常规汽车造成的环境污染被更严重的污染源所替代。他们希望世界各地的立法机构能关注他们的说法。究其原因,汽车制造厂商现在是亏本销售零排放汽车,他们希望政府能放松相关法律管制,至少将二氧化碳排放标准降低到他们能达到并能负担得起的水平。实际上,汽车制造厂商之前就多次提出类似的请求。如果他们这次的请求被有关政府部门接受的话,氢燃料电池汽车的普及仍将遥遥无期。



 

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