鉅大LARGE | 點擊量：1030次 | 2019年08月14日
氫燃料電池汽車的環境效益分析
氫燃料電池汽車的環境效益分析
【《中國新能源》雜志王文亮/文】石油、煤炭、天然氣燃燒產物主要是二氧化碳，造成地球溫度逐年升高。同時，化石燃料中還含有雜質，特別是硫、氮、磷、砷等，燃燒產物酸性，造成大氣污染和酸雨，而且還導致溫室效應的加劇，刺激皮膚，引起哮喘等多種呼吸道疾病。我國的能源結構以煤為主（約占75％左右），且隨著經濟建設的迅速發展，能源的消耗量日益增加。
針對這些情況，我們必須找到一種儲量大、后續性強、熱效率高、儲存形式多的環保型清潔能源，氫能源正是這樣一種優質能源。在石化燃料日益減少的情況下，我國能源本來就不占優勢再加之人均資源占有不足，這就勢必要求我國必須比其他國家更重視后續能源的開發利用，而汽車這種機動性強的現代交通工具只能采用“含能體能源”，所以氫能源無疑成為一個新興的熱點。
一、氫燃料電池車的原理
氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極)，經過催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過質子交換膜的，這個電子，只能經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛。與傳統汽車相比，燃料電池車能量轉化效率高達60-80%，為內燃機的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是水，它本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。
因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染汽車，氫燃料是完美的汽車能源！
二、氫燃料電池車的環境效益分析
1氫燃料電池汽車的優勢分析
（1）從長遠來看，汽車產業肯定要走一條可持續發展的道路，石油、天然氣、煤炭等資源不可再生，終究會有枯竭的一天，人類最終必然要利用可再生能源或者替代能源。而氫的最大來源是水，特別是海水，根據計算9噸水可以生產出1噸氫（及8噸氧），氫氣燃燒熱值是28900千卡/公斤，而且氫與氧的燃燒產物就是水，因而，水可以再生。由此可見，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實現良性循環，取之不盡，用之不竭。氫作為汽車代用燃料具有良好的行進加速性、燃料適應性、低溫起動性好、超低排放、全工況高效率等優點。
（2）我國氫的來源極為豐富，技術水平也有了一定的基礎，水電解制氫、生物質氣化制氫等制氫方法已形成規模。其中低價電電解水制氫方法在今后仍將是氫能規模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應用成本。
（3）氫燃燒的產物是水，不會污染環境，真正實現了零污染的目標。
2燃油汽車與氫燃料電池汽車的環境指標比較
2.1燃油汽車環境指標
傳統燃油汽車在運行過程中會產生大量的有害氣體,不但污染環境,還影響人類健康。污染物主要包括：
（1）碳氫化合物（HC）：汽車尾氣的碳氫化合物中含苯、甲苯和二甲苯等有害物質。其中以苯的危害最大,它是一種致癌物質。
（2）氮氧化合物(NOx)：這是一種強烈的腐蝕劑,對人的呼吸系統有刺激作用,會引起氣管炎、肺炎等,削弱血液輸氧功能。
（3）一氧化碳(CO)：它是一種無色、無臭的有毒氣體,通過呼吸道進入人體后,會造成人體內部缺氧,危害中樞神經系統,輕則頭暈、頭痛、四肢無力、視力受損,重則中毒死亡。
（4）二氧化硫(SO2)：這是一種無色無味的氣體,能損害人的肝、腎和心臟,對呼吸系統有強烈的刺激作用。此外,二氧化硫還是導致酸雨的重要原因,給國民經濟帶來重大損失。
（5）臭氧(O3)：臭氧對人體的器官和肺部均有損害作用,對心臟、肝等器官也有不良影響。此外,燃油汽車的尾氣中還含有產生溫室效應的CO2,導致酸雨的氮氧化合物和硫化物等
2.2氫燃料電池車環境指標
氫燃料電池汽車以氫為燃料、蓄電池的電能為動力，排放物中無污染物。表1比較了燃油汽車和氫燃料電池汽車的廢氣（主要成分）排放。
表1燃油汽車和氫燃料電池汽車的廢氣（主要成分）排放比較
廢氣組成
燃油汽車
氫燃料電池汽車
CO
17.0g/km
0
HC
2.7g/km
0
NOx
0.74g/km
微量
CO2
320g/km
0
由表1可以看出，氫燃料電池汽車基本上是零排放，在環保效果上比燃油汽車有更大的優勢。
三、氫燃料電池汽車在現實中的應用
代表車型：通用Sequel氫燃料電池車與氫內燃機動力技術類似，氫燃料電池動力技術也是以氫為能量源。不同的是氫內燃機動力技術是將氫直接作為燃料在發動機中燃燒以獲得動力，而氫燃料電池則是將氫在燃料電池中經化學作用轉化為電能，然后靠電動機來驅動汽車。在此領域，通用是當之無愧的領導者，其代表作就是通用Sequel氫燃料電池車。
雖然早在2005年的上海車展就登場亮相，但是通用Sequel氫燃料電池車卻一直以來被認為是燃料電池車領域的經典之作。因為與之前的燃料電池車相比，通用Sequel氫燃料電池車在可駕駛性方面取得了突破性的進步，其動力表現與駕駛性都堪與目前使用汽油燃料的汽車產品媲美。
通用Sequel氫燃料電池車通過采用線傳操控技術，不僅提高了車輛安全性、簡化了維護程序、拓展了設計自由度，而且也更環保。其幾乎所有的驅動和控制組件都安裝在28厘米厚的底盤結構上，幾乎每個方面的性能表現都比現有的傳統汽車更勝一籌——更迅速、更平穩、更便于操控、便于生產、更美觀也更安全，最重要的是，它只排放水蒸氣，完全沒有污染。
四、氫燃料電池車的發展前景：
1氫燃料電池汽車推廣的制約因素
雖然氫燃料電池汽車在環保方面有很大的優勢，但是它還處于發展的初級階段。限制其發展的主要因素有：
（1）生產成本高：目前，氫的來源一般是天然氣和沼氣。此外，可以通過電解水將氫和氧分離而提取氫。而電能則可以通過煤或核反應堆發電來產生。由于氫的提取需要消耗其他能源，因此，如果使用煤、天然氣、沼氣等碳氫燃料來提取氫，則會排出導致溫室效應的氣體。采用風力和太陽能可以解決這一問題，但這種開發方式費用太高，從而導致氫燃料電池汽車的成本增加。此外，一些輔助設施如氫燃料加注站的建設也要費些時日。
（2）能量密度小且儲運不便：氫燃料儲存困難，有泄漏和氣化的問題，包括爆燃、回火、早燃等問題有待解決。
綜上所述，氫燃料雖然污染低，但是儲存困難，有泄漏和氣化的問題，包括爆燃、回火、早燃等問題有待解決。氫氣的生產方法有多種，但只有在解決了其成本、儲存等問題以后才有可能批量使用。
2加速氫燃料電池汽車推廣的對策
發展適合我國國情的低成本高效環保的大規模制氫技術
根據我國煤炭資源豐富的特點，應著重發展高效、低污染的集中式煤氣化大規模制氫，要加強對煤炭氣化過程中CO2捕捉和封存技術的研究，同時應重點加強我國有一定基礎的、具有長期發展前景的可再生能源制氫技術。隨著我國核能技術的日漸成熟，應逐步探索可控核能制氫技術。
發展高效的氫儲存技術
目前我國對儲氫材料的研究比較活躍，研究內容涉及到了高壓儲氫、碳納米管儲氫、新型合金儲氫、有機化合物儲氫、碳凝膠儲氫、玻璃微球儲氫、氫漿儲氫、層狀化合物儲氫等當前國際氫儲存技術研發的主要方面，并在金屬氫化物儲氫、碳納米管儲氫、復雜化合物儲氫等方面具有優勢。今后應進一步重點發展：新穎金屬合金儲氫、碳納米管儲氫、高壓液態儲氫、有機化合物儲氫、車載儲氫系統等技術，探索層狀化合物儲氫、籠形水合物儲氫等技術。
加強氫燃料電池技術和氫燃料電池汽車以及相關基礎設施的研發
發展氫經濟的一個重要方面是發展氫能交通運輸體系和氫能基礎設施建設。在氫燃料電池方面，我國可重點發展：大功率質子交換膜燃料電池技術、中低溫固體氧化物燃料電池技術、基于燃料電池的系統集成技術、質子交換膜技術、電催化劑技術、先進的膜電極組件技術、無鉑催化劑技術等，同時積極探索生物燃料電池、再生式燃料電池技術、冷啟動(CokdStart)技術等研發。
加強以氫能和燃料電池為核心的分布式氫能源系統研究
由于氫能和燃料電池具有諸多優點和分散供能的特征，因而加強以氫能和燃料電池為核心的分布式能源系統研究已成為今后國際研發的重點。當前這種以氫能和燃料電池為核心的分布式能源系統的發展趨勢是與可再生能源利用相結合，以氫為載體，以燃料電池為能源轉化工具，加強對可再生能源的開發。
關注氫經濟發展的相關環境問題與安全
雖然氫能本身是一種綠色的能源，但在用化石燃料制氫過程中，如果封存技術不當，仍會有CO2泄漏到大氣中造成溫室氣體增加。氫在生產、儲存、運輸以及氫燃料電池使用過程中都不可避免地存在氫氣泄漏問題。當泄漏到周圍環境中的氫氣達到一定濃度，遇到明火可能會發生強烈化學反應甚至爆炸，造成人員和財產損失。此外，泄漏到大氣圈中的氫氣會與大氣中的臭氧反應，破壞對人類起保護作用的臭氧層。因此，應加強與氫安全相關的氫檢測傳感器技術、潛在事故情景處理技術等研究。
有效鼓勵企業參與氫能和燃料電池技術的產業化和市場化開發
按照市場經濟的運行規律，氫能和燃料電池技術只有在技術成熟、具價格競爭力的情況下才能占領市場，取代傳統的化石燃料和一些利用效率相對較低的能源轉化方式。企業有效參與才有可能開發出具價格競爭優勢的氫能制備、儲存、運輸和應用技術，同時這也是決定氫能最終替代傳統化石能源的關鍵。
政府補貼促進氫能利用
要促進氫能的社會化利用，需要向公眾宣傳氫能的優點和使用安全性，促進公眾對氫能的了解和利用。同時，國家應出臺更有效的激勵政策，比如，國家應對氫能利用予以政府補貼，這樣才能有效促進氫能的研發和系統應用。
【《中國新能源》雜志王文亮/文】石油、煤炭、天然氣燃燒產物主要是二氧化碳，造成地球溫度逐年升高。同時，化石燃料中還含有雜質，特別是硫、氮、磷、砷等，燃燒產物酸性，造成大氣污染和酸雨，而且還導致溫室效應的加劇，刺激皮膚，引起哮喘等多種呼吸道疾病。我國的能源結構以煤為主（約占75％左右），且隨著經濟建設的迅速發展，能源的消耗量日益增加。
針對這些情況，我們必須找到一種儲量大、后續性強、熱效率高、儲存形式多的環保型清潔能源，氫能源正是這樣一種優質能源。在石化燃料日益減少的情況下，我國能源本來就不占優勢再加之人均資源占有不足，這就勢必要求我國必須比其他國家更重視后續能源的開發利用，而汽車這種機動性強的現代交通工具只能采用“含能體能源”，所以氫能源無疑成為一個新興的熱點。
一、氫燃料電池車的原理
氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極)，經過催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過質子交換膜的，這個電子，只能經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛。與傳統汽車相比，燃料電池車能量轉化效率高達60-80%，為內燃機的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是水，它本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。
因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染汽車，氫燃料是完美的汽車能源！
二、氫燃料電池車的環境效益分析
1氫燃料電池汽車的優勢分析
（1）從長遠來看，汽車產業肯定要走一條可持續發展的道路，石油、天然氣、煤炭等資源不可再生，終究會有枯竭的一天，人類最終必然要利用可再生能源或者替代能源。而氫的最大來源是水，特別是海水，根據計算9噸水可以生產出1噸氫（及8噸氧），氫氣燃燒熱值是28900千卡/公斤，而且氫與氧的燃燒產物就是水，因而，水可以再生。由此可見，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實現良性循環，取之不盡，用之不竭。氫作為汽車代用燃料具有良好的行進加速性、燃料適應性、低溫起動性好、超低排放、全工況高效率等優點。
（2）我國氫的來源極為豐富，技術水平也有了一定的基礎，水電解制氫、生物質氣化制氫等制氫方法已形成規模。其中低價電電解水制氫方法在今后仍將是氫能規模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應用成本。
（3）氫燃燒的產物是水，不會污染環境，真正實現了零污染的目標。
2燃油汽車與氫燃料電池汽車的環境指標比較
2.1燃油汽車環境指標
傳統燃油汽車在運行過程中會產生大量的有害氣體,不但污染環境,還影響人類健康。污染物主要包括：
（1）碳氫化合物（HC）：汽車尾氣的碳氫化合物中含苯、甲苯和二甲苯等有害物質。其中以苯的危害最大,它是一種致癌物質。
（2）氮氧化合物(NOx)：這是一種強烈的腐蝕劑,對人的呼吸系統有刺激作用,會引起氣管炎、肺炎等,削弱血液輸氧功能。
（3）一氧化碳(CO)：它是一種無色、無臭的有毒氣體,通過呼吸道進入人體后,會造成人體內部缺氧,危害中樞神經系統,輕則頭暈、頭痛、四肢無力、視力受損,重則中毒死亡。
（4）二氧化硫(SO2)：這是一種無色無味的氣體,能損害人的肝、腎和心臟,對呼吸系統有強烈的刺激作用。此外,二氧化硫還是導致酸雨的重要原因,給國民經濟帶來重大損失。
（5）臭氧(O3)：臭氧對人體的器官和肺部均有損害作用,對心臟、肝等器官也有不良影響。此外,燃油汽車的尾氣中還含有產生溫室效應的CO2,導致酸雨的氮氧化合物和硫化物等
2.2氫燃料電池車環境指標
氫燃料電池汽車以氫為燃料、蓄電池的電能為動力，排放物中無污染物。表1比較了燃油汽車和氫燃料電池汽車的廢氣（主要成分）排放。
表1燃油汽車和氫燃料電池汽車的廢氣（主要成分）排放比較
廢氣組成
燃油汽車
氫燃料電池汽車
CO
17.0g/km
0
HC
2.7g/km
0
NOx
0.74g/km
微量
CO2
320g/km
0
由表1可以看出，氫燃料電池汽車基本上是零排放，在環保效果上比燃油汽車有更大的優勢。
三、氫燃料電池汽車在現實中的應用
代表車型：通用Sequel氫燃料電池車與氫內燃機動力技術類似，氫燃料電池動力技術也是以氫為能量源。不同的是氫內燃機動力技術是將氫直接作為燃料在發動機中燃燒以獲得動力，而氫燃料電池則是將氫在燃料電池中經化學作用轉化為電能，然后靠電動機來驅動汽車。在此領域，通用是當之無愧的領導者，其代表作就是通用Sequel氫燃料電池車。
雖然早在2005年的上海車展就登場亮相，但是通用Sequel氫燃料電池車卻一直以來被認為是燃料電池車領域的經典之作。因為與之前的燃料電池車相比，通用Sequel氫燃料電池車在可駕駛性方面取得了突破性的進步，其動力表現與駕駛性都堪與目前使用汽油燃料的汽車產品媲美。
通用Sequel氫燃料電池車通過采用線傳操控技術，不僅提高了車輛安全性、簡化了維護程序、拓展了設計自由度，而且也更環保。其幾乎所有的驅動和控制組件都安裝在28厘米厚的底盤結構上，幾乎每個方面的性能表現都比現有的傳統汽車更勝一籌——更迅速、更平穩、更便于操控、便于生產、更美觀也更安全，最重要的是，它只排放水蒸氣，完全沒有污染。
四、氫燃料電池車的發展前景：
1氫燃料電池汽車推廣的制約因素
雖然氫燃料電池汽車在環保方面有很大的優勢，但是它還處于發展的初級階段。限制其發展的主要因素有：
（1）生產成本高：目前，氫的來源一般是天然氣和沼氣。此外，可以通過電解水將氫和氧分離而提取氫。而電能則可以通過煤或核反應堆發電來產生。由于氫的提取需要消耗其他能源，因此，如果使用煤、天然氣、沼氣等碳氫燃料來提取氫，則會排出導致溫室效應的氣體。采用風力和太陽能可以解決這一問題，但這種開發方式費用太高，從而導致氫燃料電池汽車的成本增加。此外，一些輔助設施如氫燃料加注站的建設也要費些時日。
（2）能量密度小且儲運不便：氫燃料儲存困難，有泄漏和氣化的問題，包括爆燃、回火、早燃等問題有待解決。
綜上所述，氫燃料雖然污染低，但是儲存困難，有泄漏和氣化的問題，包括爆燃、回火、早燃等問題有待解決。氫氣的生產方法有多種，但只有在解決了其成本、儲存等問題以后才有可能批量使用。
2加速氫燃料電池汽車推廣的對策
發展適合我國國情的低成本高效環保的大規模制氫技術
根據我國煤炭資源豐富的特點，應著重發展高效、低污染的集中式煤氣化大規模制氫，要加強對煤炭氣化過程中CO2捕捉和封存技術的研究，同時應重點加強我國有一定基礎的、具有長期發展前景的可再生能源制氫技術。隨著我國核能技術的日漸成熟，應逐步探索可控核能制氫技術。
發展高效的氫儲存技術
目前我國對儲氫材料的研究比較活躍，研究內容涉及到了高壓儲氫、碳納米管儲氫、新型合金儲氫、有機化合物儲氫、碳凝膠儲氫、玻璃微球儲氫、氫漿儲氫、層狀化合物儲氫等當前國際氫儲存技術研發的主要方面，并在金屬氫化物儲氫、碳納米管儲氫、復雜化合物儲氫等方面具有優勢。今后應進一步重點發展：新穎金屬合金儲氫、碳納米管儲氫、高壓液態儲氫、有機化合物儲氫、車載儲氫系統等技術，探索層狀化合物儲氫、籠形水合物儲氫等技術。
加強氫燃料電池技術和氫燃料電池汽車以及相關基礎設施的研發
發展氫經濟的一個重要方面是發展氫能交通運輸體系和氫能基礎設施建設。在氫燃料電池方面，我國可重點發展：大功率質子交換膜燃料電池技術、中低溫固體氧化物燃料電池技術、基于燃料電池的系統集成技術、質子交換膜技術、電催化劑技術、先進的膜電極組件技術、無鉑催化劑技術等，同時積極探索生物燃料電池、再生式燃料電池技術、冷啟動(CokdStart)技術等研發。
加強以氫能和燃料電池為核心的分布式氫能源系統研究
由于氫能和燃料電池具有諸多優點和分散供能的特征，因而加強以氫能和燃料電池為核心的分布式能源系統研究已成為今后國際研發的重點。當前這種以氫能和燃料電池為核心的分布式能源系統的發展趨勢是與可再生能源利用相結合，以氫為載體，以燃料電池為能源轉化工具，加強對可再生能源的開發。
關注氫經濟發展的相關環境問題與安全
雖然氫能本身是一種綠色的能源，但在用化石燃料制氫過程中，如果封存技術不當，仍會有CO2泄漏到大氣中造成溫室氣體增加。氫在生產、儲存、運輸以及氫燃料電池使用過程中都不可避免地存在氫氣泄漏問題。當泄漏到周圍環境中的氫氣達到一定濃度，遇到明火可能會發生強烈化學反應甚至爆炸，造成人員和財產損失。此外，泄漏到大氣圈中的氫氣會與大氣中的臭氧反應，破壞對人類起保護作用的臭氧層。因此，應加強與氫安全相關的氫檢測傳感器技術、潛在事故情景處理技術等研究。
有效鼓勵企業參與氫能和燃料電池技術的產業化和市場化開發
按照市場經濟的運行規律，氫能和燃料電池技術只有在技術成熟、具價格競爭力的情況下才能占領市場，取代傳統的化石燃料和一些利用效率相對較低的能源轉化方式。企業有效參與才有可能開發出具價格競爭優勢的氫能制備、儲存、運輸和應用技術，同時這也是決定氫能最終替代傳統化石能源的關鍵。
政府補貼促進氫能利用
要促進氫能的社會化利用，需要向公眾宣傳氫能的優點和使用安全性，促進公眾對氫能的了解和利用。同時，國家應出臺更有效的激勵政策，比如，國家應對氫能利用予以政府補貼，這樣才能有效促進氫能的研發和系統應用。
下一篇：哪些是影響鉛酸蓄電池壽命的因素
