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科学普及

氢燃料车

稿件来源: 发布时间:2013-06-19

  今天,在柏林我们已经可以看到氢燃料巴士样车在街上奔驰。从化学能的角度看,氢分子具有最高的能量/质量比。因此,最强大的太空火箭需要用液氢作为燃料。在热燃烧或电化学燃烧的过程中,氢与氧的结合只产生能量和水,没有污染物。氢燃料的主要来源是水,尽管电(光、热或化学)解水要消耗能量,但这个能量在氢燃烧时将得到回收,并且水资源基本上是无限的。最近,来自瑞士的著名专家Louis Schlapbach Nature 周刊上撰文,评述了氢燃料车的前景。 

  提到氢的易爆性,往往让人想起:德国人引以为自豪的兴登堡(Hindenburg)号氢气飞艇于1937年悲剧性的起火爆炸。的确,氢气与空气混合,当氢气的体积占据4–75%,有可能发生爆炸。上述比例范围要比汽油与空气混合的情况宽得多。但是,兴登堡号氢气飞艇的爆炸,其直接原因却是源于充气囊外皮的材料过分易燃。现在看来,氢燃料车的广泛使用,必须完成以下三步:使用可再生能源和高效的水裂解技术,生产大量的氢。建立方便且完备的氢配送和存储系统,例如:在名古屋和柏林所做的。进一步发展新技术,将氢中存储的化学能转化成便于使用的电能(通过燃料电池)或热能(通过燃烧引擎)。 

  现行汽油发动机经小的改动可以使用氢作为燃料,然而它的能量转换效率太低(~10%)。可预见的有效方法是-燃料电池-电马达hydrogen-fuel-cell–electric-motor)系统 (Hy-FC-EM),不过,所面临的技术困难很大。具体说,发展 Hy-FC-EM 系统面临着三大问题:燃料电池中催化剂(主要是Pt)的造价太高。燃料电池的使用寿命短,因而成本高。储氢系统要求能在室温和准大气压的条件下为燃料电池提供氢气。一辆中型轿车行使500千米约需30-35升汽油,如果换成Hy-FC-EM发动机则需5千克的氢。这些氢在室温的体积是56000升。为减小体积,最好的办法,不是加高压也不是将其液化,而是通过物理或化学的吸附(吸收)方法,将其储于多孔固体材料中。先前对储氢系统的重量要求定得过于苛刻,以至于未能达标。最近,美国能源部发布了修订后的指标:到2015年储氢系统中氢的含量至少占系统总质量的5.5%。 

  展望未来,燃油车的主导地位在若干年内仍不会改变。而氢燃料车真正走向市场,的确面临诸多困难。据此,美国政府考虑先行资助比较有把握的全电动车(基于可充电锂电池或金属氢化物电池),同时把发展氢燃料车列为基础研究项目。然而, 有关专家质疑这种 停一停,再走的政策,呼吁:对研制氢燃料车的优秀科学家和工程师给予长期的支持。 

    

  (戴闻 编译自 Nature 4602009):809-811 

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