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铁流:中国制造世界首列氢燃料电池有轨电车,这项技术有利有弊

2017-11-01 08:10:18

日前,世界首列氢燃料电池有轨电车在河北唐山唐胥铁路首次投入商业运营。该列电车的运营全程为13.84公里,线路起始站为2016世园会站,途经唐山南站、1878开滦站、1889启新站,最终返回2016世园会站。这辆有轨电车最大的特点是使用了氢燃料电池,有赖于氢气燃料电池技术,电车取消了传统有轨电池的受电弓和接触网,不仅填补了世界该领域空白,还实现污染物“零排放”和全程“无网”运行。

什么是氢燃料电池

氢燃料电池是燃料电池大家族中的一员,这种燃料电池最早可以追溯到Willian Robert Grove在1843年发表的“气体电池”的原始模型。正如很多技术从原始构思到成熟产品经历过非常漫长的过程,氢燃料电池也是如此——直到美苏太空争霸,这项体积小、大容量的能量装置才被用在宇宙飞船上。

随着技术的不断进步,氢燃料电池开始被应用到一些军事装备上,以及一些民用车辆上。美国、日本等国家都先后开发过搭载氢燃料电池的民用车辆。随着世界各国越来越重视环境保护问题,能够实现“零排放”的氢燃料电池因而备受重视,美国《时代》周刊在 1995 年将燃料电池电汽车列为二十一世纪十大高新技术之首。

氢燃料电池可以理解为一个发电装置,只要持续不断的给氢燃料电池输入氢气和氧气,就能对外输出电能。相比之下,像手机里的锂电池和传统铅酸电池,则是一个储能装置。充电时存储电能,使用时再释放电能。

氢燃料电池的发电原理

在中学化学课本上,我们都学过电解水,也就是水被电解为氢气和氧气。而氢燃料电池的发电可以理解为电解水的逆反应——以氢气和氧气生成电能和水。

氢燃料电池的主要结构包括电极、隔膜与集电器等。电极和一般电池一样,也分为阳极和阴级。隔膜的主要作用是把氧化剂和还原剂隔开。集电器主要起到收集电流和疏导反应气体等作用。

氢燃料电池发电时,电池阳极上的氢会分解出电子和质子,质子会穿过隔膜达到阴极,而电子则在外部电路运行,从而产生电能。在阴极氢和氧会生成水。而只要有持续的氢气和氧气供应,并将反应生成的水排出去,燃料电池就能够持续提供电能。

氢燃料电池的优点

燃料电池之所以被很多人看好,就在于这种电池相对于现在的锂离子电池而言有不少优势,特别是面对油价上涨和能源危机,以及日益恶劣的大气环境等问题之时,氢燃料电池的优势就格外引人关注。

一是氢燃料电池绿色环保。

由于氢气和氧气发生化学反应之后,得到的产物是水,而传统汽车用的汽油燃烧后会释放氮化物、硫化物,污染空气质量,是造成城市雾霾的重要原因之一。相比之下,用氢燃料电池的汽车要环保的多。

二是制取氢气的原材料非常丰富。

由于氢气可以由电解水来获取,而地球上有非常丰富的水资源,制取氢气的原材料可以说是取之不尽用之不竭。

三是氢燃料电池可以和新能源形成互补。

由于光伏发电、风力发电等新能源发电时间和发电功率不像火电和核电那样恒定,电能的质量相对逊色一些。因此,电网往往会限制风电厂和光伏电站的发电量。如果将光伏发电和风力发电产生的电能用于氢气制取,那么既可以解决消化光伏发电和风力发电产生的“多余”电能,又可以实现氢气制取的绿色环保,为氢燃料电池提供充足的原料。

四是能量转换效率高。

由于氢燃料电池在使用中是直接将化学能转换为电能,不像一些设备要经过化学能——热能——电能的转换,因而不受卡诺循环限制。拥有更高的能量转化效率,根据测试,氢燃料电池的能量转换效率可以达到内燃机的2-3倍。

五是没有像锂离子电池那种相对漫长的充电过程。

氢燃料电池本质上是一个以氢气和氧气为原料的发电装置,因而不像锂离子电池那样有相对漫长的充电过程。举例来说,河北唐山唐胥铁路使用的有轨电车一次快速加氢只需15分钟。

六是氢燃料电池噪声低。

由于氢燃料电池没有往复及回转运动的机械部件,因此燃料电池运行时非常安静,噪声大约只有 55分贝,相当于人们正常交谈的水平。

七是能量密度高。

目前,锂离子电池技术已经撞上了天花板,电池企业已经很难再提升锂离子电池的能量密度。即便以剑走偏锋的方式强行提高锂离子电池的能量密度,那也是以牺牲安全性、寿命的指标为代价的,最好的例子就是去年三星Note7手机因电池原因接连自燃和爆炸。

因此,现在一般的电动汽车的航程大约在300-400公里左右,像特斯拉的航程能够达到450公里,但这是以安全性为代价的。这也是特斯拉电动车接连烧车的原因之一。而如果采用氢燃料电池,电动车的续航能力可以大幅提升,一些实验车型的航程已经达到了700—800公里,而且随着技术的进步,电动车的航程还有提升潜力。

氢燃料电池的不足

首先是对安全性的要求非常高。由于氢气是极小的分子,很容易造成泄露,而且在一定比例和氧气混合之后,就会发生爆炸。在氢气的生产、储存、保管、运输和灌装过程中,一旦泄露将会造成不可估量的后果。

其次是成本偏高。之前提到,氢气的生产、储存、保管、运输和灌装比较复杂,对安全性要求也高,这就大幅提升了成本。而采用储氢合金的做法虽然安全,而且部分储氢合金的储氢密度甚至大于液氢,但这类金属几乎全是稀贵金属,价格几乎都直逼黄金,大规模商用的可能性微乎其微。

三是缺乏加注氢气的氢气站。正如充电站成为电动汽车普及的短板,氢气站的匮乏也使采用氢燃料电池的车辆难以普及。

结语

本次世界首列氢燃料电池有轨电车在河北唐山唐胥铁路首次投入商业运营,标志着中国在氢燃料电池的技术和成本控制上均取得了突破。希望中国能在燃料电池技术方面越走越远,越走越好。

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铁流

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科技、金融观察者

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来源:观察者网 | 责任编辑:孙武
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