氫燃料電池汽車(chē)的環(huán)境效益分析

石油、煤炭、天然氣燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳，造成地球溫度逐年升高。同時(shí)，化石燃料中還含有雜質(zhì)，特別是硫、氮、磷、砷等，燃燒產(chǎn)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(zhù)經(jīng)濟建設的迅速發(fā)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(huán)保型清潔能源，氫能源正是這樣一種優(yōu)質(zhì)能源。在石化燃料日益減少的情況下，我國能源本來(lái)就不占優(yōu)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(kāi)發(fā)利用，而汽車(chē)這種機動(dòng)性強的現代交通工具只能采用“含能體能源”，所以氫能源無(wú)疑成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)。

一、氫燃料電池車(chē)的原理

氫燃料電池車(chē)的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板(負極)，經(jīng)過(guò)催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子(質(zhì)子)穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過(guò)質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)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(yáng)極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時(shí)把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統、驅動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉動(dòng)，就可使車(chē)輛在路上行駛。與傳統汽車(chē)相比，燃料電池車(chē)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(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)有硫和微粒排出。

因此，氫燃料電池汽車(chē)是真正意義上的零排放、零污染汽車(chē)，氫燃料是完美的汽車(chē)能源！

二、氫燃料電池車(chē)的環(huán)境效益分析

1 氫燃料電池汽車(chē)的優(yōu)勢分析

（1）從長(cháng)遠來(lái)看，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)肯定要走一條可持續發(fā)展的道路，石油、天然氣、煤炭等資源不可再生，終究會(huì )有枯竭的一天，人類(lèi)最終必然要利用可再生能源或者替代能源。而氫的最大來(lái)源是水，特別是海水，根據計算9噸水可以生產(chǎn)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(chǎn)物就是水，因而，水可以再生。由此可見(jiàn)，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實(shí)現良性循環(huán)，取之不盡，用之不竭。氫作為汽車(chē)代用燃料具有良好的行進(jìn)加速性、燃料適應性、低溫起動(dòng)性好、超低排放、全工況高效率等優(yōu)點(diǎn)。

（2）我國氫的來(lái)源極為豐富，技術(shù)水平也有了一定的基礎，水電解制氫、生物質(zhì)氣化制氫等制氫方法已形成規模。其中低價(jià)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(shù)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(chǎn)物是水，不會(huì )污染環(huán)境，真正實(shí)現了零污染的目標。

2 燃油汽車(chē)與氫燃料電池汽車(chē)的環(huán)境指標比較

2.1 燃油汽車(chē)環(huán)境指標

傳統燃油汽車(chē)在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的有害氣體,不但污染環(huán)境,還影響人類(lèi)健康。污染物主要包括：

（1）碳氫化合物（HC）：汽車(chē)尾氣的碳氫化合物中含苯、甲苯和二甲苯等有害物質(zhì)。其中以苯的危害最大,它是一種致癌物質(zhì)。

（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(huì )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(wú)色、無(wú)臭的有毒氣體,通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體后,會(huì )造成人體內部缺氧,危害中樞神經(jīng)系統,輕則頭暈、頭痛、四肢無(wú)力、視力受損,重則中毒死亡。

（4）二氧化硫(SO2)：這是一種無(wú)色無(wú)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(jīng)濟帶來(lái)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(chē)的尾氣中還含有產(chǎn)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(chē)環(huán)境指標

氫燃料電池汽車(chē)以氫為燃料、蓄電池的電能為動(dòng)力，排放物中無(wú)污染物。表1比較了燃油汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)的廢氣（主要成分）排放。

表1燃油汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)的廢氣（主要成分）排放比較

由表1可以看出，氫燃料電池汽車(chē)基本上是零排放，在環(huán)保效果上比燃油汽車(chē)有更大的優(yōu)勢。
　　
三、氫燃料電池汽車(chē)在現實(shí)中的應用

代表車(chē)型：通用Sequel氫燃料電池車(chē)與氫內燃機動(dòng)力技術(shù)類(lèi)似，氫燃料電池動(dòng)力技術(shù)也是以氫為能量源。不同的是氫內燃機動(dòng)力技術(shù)是將氫直接作為燃料在發(fā)動(dòng)機中燃燒以獲得動(dòng)力，而氫燃料電池則是將氫在燃料電池中經(jīng)化學(xué)作用轉化為電能，然后靠電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)。在此領(lǐng)域，通用是當之無(wú)愧的領(lǐng)導者，其代表作就是通用Sequel氫燃料電池車(chē)。

雖然早在2005年的上海車(chē)展就登場(chǎng)亮相，但是通用Sequel氫燃料電池車(chē)卻一直以來(lái)被認為是燃料電池車(chē)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。因為與之前的燃料電池車(chē)相比，通用Sequel氫燃料電池車(chē)在可駕駛性方面取得了突破性的進(jìn)步，其動(dòng)力表現與駕駛性都堪與目前使用汽油燃料的汽車(chē)產(chǎn)品媲美。

通用Sequel氫燃料電池車(chē)通過(guò)采用線(xiàn)傳操控技術(shù)，不僅提高了車(chē)輛安全性、簡(jiǎn)化了維護程序、拓展了設計自由度，而且也更環(huán)保。其幾乎所有的驅動(dòng)和控制組件都安裝在28厘米厚的底盤(pán)結構上，幾乎每個(gè)方面的性能表現都比現有的傳統汽車(chē)更勝一籌——更迅速、更平穩、更便于操控、便于生產(chǎn)、更美觀(guān)也更安全，最重要的是，它只排放水蒸氣，完全沒(méi)有污染。

四、氫燃料電池車(chē)的發(fā)展前景

1 氫燃料電池汽車(chē)推廣的制約因素

雖然氫燃料電池汽車(chē)在環(huán)保方面有很大的優(yōu)勢，但是它還處于發(fā)展的初級階段。限制其發(fā)展的主要因素有：

（1）生產(chǎn)成本高：目前，氫的來(lái)源一般是天然氣和沼氣。此外，可以通過(guò)電解水將氫和氧分離而提取氫。而電能則可以通過(guò)煤或核反應堆發(fā)電來(lái)產(chǎn)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(lái)提取氫，則會(huì )排出導致溫室效應的氣體。采用風(fēng)力和太陽(yáng)能可以解決這一問(wèn)題，但這種開(kāi)發(fā)方式費用太高，從而導致氫燃料電池汽車(chē)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(shí)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(wèn)題，包括爆燃、回火、早燃等問(wèn)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(wèn)題，包括爆燃、回火、早燃等問(wèn)題有待解決。氫氣的生產(chǎn)方法有多種，但只有在解決了其成本、儲存等問(wèn)題以后才有可能批量使用。

2 加速氫燃料電池汽車(chē)推廣的對策

發(fā)展適合我國國情的低成本高效環(huán)保的大規模制氫技術(shù)

根據我國煤炭資源豐富的特點(diǎn)，應著(zhù)重發(fā)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(guò)程中CO2捕捉和封存技術(shù)的研究，同時(shí)應重點(diǎn)加強我國有一定基礎的、具有長(cháng)期發(fā)展前景的可再生能源制氫技術(shù)。隨著(zhù)我國核能技術(shù)的日漸成熟，應逐步探索可控核能制氫技術(shù)。

發(fā)展高效的氫儲存技術(shù)

目前我國對儲氫材料的研究比較活躍，研究?jì)热萆婕暗搅烁邏簝?、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(shù)研發(fā)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(yōu)勢。今后應進(jìn)一步重點(diǎn)發(fā)展：新穎金屬合金儲氫、碳納米管儲氫、高壓液態(tài)儲氫、有機化合物儲氫、車(chē)載儲氫系統等技術(shù)，探索層狀化合物儲氫、籠形水合物儲氫等技術(shù)。

加強氫燃料電池技術(shù)和氫燃料電池汽車(chē)以及相關(guān)基礎設施的研發(fā)

發(fā)展氫經(jīng)濟的一個(gè)重要方面是發(fā)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(diǎn)發(fā)展：大功率質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)、中低溫固體氧化物燃料電池技術(shù)、基于燃料電池的系統集成技術(shù)、質(zhì)子交換膜技術(shù)、電催化劑技術(shù)、先進(jìn)的膜電極組件技術(shù)、無(wú)鉑催化劑技術(shù)等，同時(shí)積極探索生物燃料電池、再生式燃料電池技術(shù)、冷啟動(dòng)(CokdStart)技術(shù)等研發(fā)。

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(yōu)點(diǎn)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(fā)的重點(diǎn)。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(fā)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(kāi)發(fā)。

關(guān)注氫經(jīng)濟發(fā)展的相關(guān)環(huán)境問(wèn)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(guò)程中，如果封存技術(shù)不當，仍會(huì )有CO2泄漏到大氣中造成溫室氣體增加。氫在生產(chǎn)、儲存、運輸以及氫燃料電池使用過(guò)程中都不可避免地存在氫氣泄漏問(wèn)題。當泄漏到周?chē)h(huán)境中的氫氣達到一定濃度，遇到明火可能會(huì )發(fā)生強烈化學(xué)反應甚至爆炸，造成人員和財產(chǎn)損失。此外，泄漏到大氣圈中的氫氣會(huì )與大氣中的臭氧反應，破壞對人類(lèi)起保護作用的臭氧層。因此，應加強與氫安全相關(guān)的氫檢測傳感器技術(shù)、潛在事故情景處理技術(shù)等研究。

有效鼓勵企業(yè)參與氫能和燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化開(kāi)發(fā)

按照市場(chǎng)經(jīng)濟的運行規律，氫能和燃料電池技術(shù)只有在技術(shù)成熟、具價(jià)格競爭力的情況下才能占領(lǐng)市場(chǎng)，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(yè)有效參與才有可能開(kāi)發(fā)出具價(jià)格競爭優(yōu)勢的氫能制備、儲存、運輸和應用技術(shù)，同時(shí)這也是決定氫能最終替代傳統化石能源的關(guān)鍵。

政府補貼促進(jìn)氫能利用

要促進(jìn)氫能的社會(huì )化利用，需要向公眾宣傳氫能的優(yōu)點(diǎn)和使用安全性，促進(jìn)公眾對氫能的了解和利用。同時(shí)，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(jìn)氫能的研發(fā)和系統應用。