氢燃料电池汽车如何加氢

一、预言成真

法国科幻作家凡尔纳150年前曾预言，有朝一日人类将出现以氢为动力能源的燃料电池汽车。氢是宇宙中最丰富的元素，它在燃料电池中与氧发生化学反应，产生电能驱动汽车，氢在燃烧时排放的尾气基本是新鲜的蒸气。如今，这些预言已变成现实。

汽车工业既是拉动国民经济发展的支柱产业，也是高消耗、高排放导致环境污染的重点，尤其是排放的二氧化碳造成温室效应。如目前气候改变不加遏制，后果不堪设想。随着全球气候变暖及石油资源逐渐枯竭，生产更环保、更省油的新能源汽车成为未来汽车工业发展的趋势，清洁能源时代将是继亨利·福特的流水线生产和丰田喜一郎的精益生产模式之后世界汽车的第三次革命。

法国科幻作家凡尔纳

氢能汽车是以氢为主要能量移动的汽车。一般的内燃机通常注入柴油或汽油，氢能汽车则改为使用气体氢。燃料电池和电动机会取代一般的引擎，即氢燃料电池的原理是把氢输入燃料电池中，氢原子的电子被质子交换膜阻隔，通过外电路从负极传导到正极，成为电能驱动电动机；质子却可以通过质子交换膜与氧化合为纯净的水雾排出，这样有效减少了其他燃油的汽车造成的空气污染问题。另一方面，能源从来都是个问题，近年来，国际上以氢为燃料的“燃料电池发动机”技术取得重大突破，而“燃料电池汽车”已成为推动“氢经济”的发动机。

近年燃料电池汽车的研发规模之大和商业化步伐之快确实是有目共睹的，世界上主要汽车制造厂家及燃料电池公司几乎无不卷入这场竞争中，发展之迅速，竞争之激烈，为世人瞩目。在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了第一辆氢能汽车，可乘坐12人，储存氢燃料90千克。开发新能源汽车不仅是国际汽车大公司的企业行为，更是列入发达国家重要决策事项，形成国家、产业、科研和大学联合创新系统。在长期汽车新能源的研究开发中，对汽车新动力的发展趋势达成了共识:近期目标是开发传统内燃机新技术和替代燃料汽车；中期目标是研制混合动力汽车大幅度降低油耗和排放；远期目标是研制实用的电动汽车和燃料电池汽车，以资源极为丰富且完全没有污染的氢动力燃料电池为动力重新定义汽车。燃料电池汽车技术在美国、日本、欧洲等发达国家和地区兴起，构建了这种汽车的广阔消费市场。但从燃料电池汽车的本质而言，发展中国家和地区对此也有强劲的需求，例如我国，就是推广应用燃料电池汽车比较理想的场所之一。

氢能汽车

二、喝氢气，吐纯水

2004年5月底的一天，北京凯宾斯基饭店门前的小展厅，停放着一辆银色家用轿车，车的左侧车厢和风挡被摘掉，甲板是透明的，从外面望去，车内与一般4座家用轿车无异。透过甲板，可以看到两个比煤气罐略小的罐子，这两个罐子是用来装氢燃料的。罐子前方贴着一个像小案板一样的片状物，这是一个将氢转换为电的设备。这是戴姆勒—克莱斯勒公司生产的燃料电动汽车，它最大的优点是排放物仅仅是水，没有任何污染。未来人们驾驶的汽车，可能大多数都是这样的。

凡尔纳曾说过:“水是未来的煤。明天的能源是水经电流分解后获得的产物。水分解后释放出的元素——氧和氢，将长期地保障地球的能源供应。”今天，凡尔纳的科学预言已经有望成真，人类大规模地用水制氢的日子已日益接近了。用水提炼出的氢，将会为人类提供无穷无尽的光和热。

加氢站

现代能源专家们把地球上现有的“二次能源”分为“过程性能源”和“含能体能源”两大类。当今应用最广泛的“过程性能源”是电能，应用最广泛的“含能体能源”是汽油和柴油。而电能无法直接储存，因此，像汽车、轮船、飞机等机动性强的耗能动力设备就无法直接使用，而只能继续耗费汽油、柴油等能源。虽然蓄电池能够储能，但它也是间接的储能设备，而且尚未成为主要能源。人们急需一种含能体能源。在竭力寻索中，终于发现了氢，这个肉眼看不见的宠儿可以充当这个角色，科学家们甚至预言，氢能将要成为21世纪替代矿物燃料的理想能源。

我们都知道，机动车燃烧汽油、柴油，需要有加油站，而氢能汽车也要有加氢站，汽车自身储存的燃料是很有限的，必须依靠外在的补充。试着想象一下，假如你驾驶着一辆以氢气作为动力的燃料电池汽车，兴冲冲地行驶在高速公路上，突然没了氢气，可是在方圆几十千米之内没有一家有氢气的加油站，将会是一件多么糟糕的事情。由此可见，氢能汽车加氢站作为氢能汽车推广的配套设施，不但是氢能汽车出现和发展的产物，而且还直接制约着氢能汽车的发展。我们都知道，作为汽车企业，生产氢能汽车的目的最终就是为了实现销售，卖到用户手中。因此，有没有加氢站决定了氢能汽车能不能最终销售出去，这是很重要的一件事。

实际上，很多研制氢能汽车的企业，早就意识到建立氢能汽车加氢站的重要性，目前全球已经建成130多座加氢站。

地面加氢站用移动式储氢罐

2003年4月，壳牌石油公司在冰岛雷克雅未克开设了世界第一个加氢站，携带氢燃料的公共汽车开始走遍冰岛的大街小巷。日本经济、贸易及工业部发起了一个名为“日本氢能及燃料电池示范计划”的项目，该项目的氢气供应商在东京建了一个液氢加氢站，并从2003年开始连续运作两年，迄今为止该加氢站已经为超过2000辆汽车补加过氢燃料，这使得它成为东半球使用最频繁的加氢站。近年来，德国宝马公司生产了6辆燃氢汽车，这些汽车已经投入运行。宝马公司为此建立了低温燃料加注站，克服了燃氢汽车大量投入市场的最大障碍。这座加氢站让机器人为燃氢汽车自动加注超低温的液态氢。

前不久，通用汽车与壳牌氢能源公司在美国首都华盛顿建立了一座加氢加油站，为普通汽车提供加油服务，并为燃料电池汽车加氢。这座加氢站的加氢设施与普通加油站内的设施没有太大区别，加氢过程与一般汽油车加油类似。加氢站面积比一般加油站大，由氢气分离厂和加气台两部分组成。在氢气分离厂内，有一座氢气分离罐。工作人员向罐内输入足够的水之后，接通电源，在电力的作用下，水便分离成氢气和氧气。通过管道将分离出的氧气释放到空中，氢气被收集在密封的压力罐内加压、储存，再通过高压管道为氢汽车加氢。氢是易燃物，所以人们首先会想到加氢站和氢汽车的安全性。科研人员成功地解决了管道压力问题，顾客加氢时非常安全。

“氢公路项目”是在加拿大温哥华2010年冬奥会主办城市威斯勒的120千米公路上建立5个燃料电池汽车的加氢站，并生产出必要数量的燃料电池汽车，由氢燃料电池汽车承担2010年冬奥会期间机场与主办城市之间的人员运输任务。“氢公路项目”的实施将是加拿大能源史上的氢能革命。此外，正在酝酿中的计划还有“氢能走廊”，即在温莎与蒙特利尔之间的900千米高速路设置加氢站。

我国第一座为氢燃料电池汽车示范项目提供燃料加注服务的大型加氢站，由北京清能华通科技发展有限公司和BP公司合作建设，位于北京中关村科技园区永丰高新技术产业基地的新能源示范园内，该加氢站占地面积4000平方米，包括多种制氢、供氢装置，于2006年6月29日投入运营，目前可为4辆公共大巴每天加注25公斤氢。

当前已建成的加氢站只是暂时满足了氢能汽车加氢需求。从长远来看，远远不能满足氢能汽车增长的需要。另外，设立加氢站还要依据各国的具体情况，比如在冰岛，16个加氢站就可以满足全国的需要。在美国，却需要1440个加氢站才能满足全国的氢燃料需求。

设立加氢站要与氢能汽车发展的规模和速度相适应，既不能超前，也不能落后，并且要努力探索储氢技术，这样才能促进氢能汽车的普及应用。严格来说，当前的加氢站还处在实验阶段，要使它像加油站那样普及，还需要相当长的时间。

三、安全环保的氢能汽车

氢能汽车具有很多优点，人们已经不再质疑。但是，更多的人会关注有关氢能汽车一个很重要的问题，那就是汽车使用氢能的安全问题。这个问题，早已经被汽车生产商和氢能汽车的研发人员所关注，经过长期的研究，目前的结论是，氢气很安全，并不比空气危险，氢能燃料汽车和燃烧汽油的汽车一样安全，但要把安全措施做到位。

作为新能源，氢的安全性受到人们的普遍关注。从技术方面讲，氢的使用是绝对安全的。氢在空气中的扩散性很强，氢泄漏或燃烧时可以很快地垂直升到空气中并消失得无影无踪，氢本身没有毒性及放射性，不会对人体产生伤害，也不会产生温室效应。

对氢的安全性问题，物理学家阿默利·罗文士认为，氢能产业经历了半个多世纪，有令人羡慕的安全纪录。他认为，任何燃料都存在危害，最重要的是如何正确处理。客观地说，氢也存在一定的危险性，但是如果氢发生危险，它比那些碳氢化合物燃料更易处置。科学家已经做过大量的氢能安全试验，证明氢是安全的燃料。如在汽车着火试验中，分别将装有氢气和天然气燃料罐点燃，结果以氢气作为燃料的汽车着火后，氢气剧烈燃烧，但火焰总是向上，对汽车的损坏比较缓慢，车内人员有较长的时间逃生，而天然气燃料的汽车着火后，由于天然气比空气重，火焰向汽车四周蔓延，很快包围了汽车，伤及车内人员的安全。美国人为了转变人们的观念，曾经做过试验:用手枪射击装满汽油的油箱后，就像很多枪战电影场面一样，油箱爆炸；但手枪击中装满了氢燃料的氢罐，却只是着火没有爆炸。因为在氢罐被打穿后，氢燃料外泄降压，不发生爆炸。这意味着即使发生剧烈碰撞，氢燃料罐也很难爆炸。

无独有偶，日本某燃料电池汽车研究所也曾做过类似试验:当用枪射击高压氢气罐时，氢气由于高压以及它本身相对密度轻，着火之后，火势是一直向上的，再加上乘客车厢与氢气燃料电池发动机隔离，火势过后汽车本身还是完好无损，也没有发生爆炸，乘客也安然无恙；但如果油箱被子弹射击后，整辆车都会爆炸、燃烧而报废，且乘客生命安全没有保障。试验结果表明，特别是在行驶之中，开阔的状态下，氢燃料电池汽车使用得当将会非常安全。

20世纪80年代末，联邦德国、英国和日本三国的三个大汽车公司，也曾对氢能汽车氢燃料的使用做过试验，并进行了评估。三家公司一致认为，氢能燃料和汽油一样安全。即使撞车起火燃烧，至多也不过发出一阵冲天大火，很快就烧完火灭。

实验证明，氢燃料车比汽油车安全得多，即使在失火的情况下也便于逃生。地球上的氢气资源丰富，但是如何获取且安全地安装到汽车上是燃料电池汽车所面临的一个难题。首先，在各种化工过程的副产品中，回收氢气是一种成本低廉的方法，其次是高效、安全的储氢技术，氢在一般条件下是以气态形式存在的，这就为储存和运输带来很大的困难。高压气态储存，能量密度低，不太安全，能耗高。低温液氢储存，能耗高，危险大，易泄漏，对储罐绝热性能要求高。再次就是车载发动机技术，氢发动机技术必须有所突破，达到可以规模化生产的标准:氢燃料电池成本降低为目前的十分之一，寿命提高到目前的十倍。目前制约燃料电池汽车商业化的难题之一就是加氢站和基础设施的建设。燃料电池汽车的普及和商业化必须加强基础设施的建设，建立大量的加氢站，这就需要政府在政策和资金上的支持。

氢气动力车

除了氢燃料电池汽车目前面临的氢燃料的生产、储存和输送基础设施以及燃料电池的成本等问题，在氢燃料电池汽车大规模应用方面，还要受到许多因素的制约。在这方面，我们来看一看美国的情况。美国政府提出以氢燃料电池汽车为主要措施解决美国交通能源问题，这似乎带来了美好的希望。不过，麻省理工学院的一些能源专家则提醒公众，氢燃料电池汽车真正要“跑起来”，至少还需要15年的时间。而要让氢燃料电池汽车被大规模采用，达到明显降低现有车辆对石油依赖程度的目的，可能还需要50年的时间。麻省理工学院能源委员会的约翰·海伍特教授指出，作为一项颇具潜力的、能替代石油燃料的技术措施，发展所谓的以氢为燃料的“氢交通经济”确实是一个巨大的挑战。即便价格与性能被公众接受，氢燃料电池汽车还需要几十年的时间才能被大规模采用。海伍特解释说，氢燃料电池汽车的推广要受许多因素的制约。

第一，新技术车辆大规模应用是早还是晚，主要受到现有车辆平均寿命的限制。目前车辆平均寿命是15年。无论是先进的内燃发动机车、混合车，还是氢燃料电池汽车，即使有人买了这些具有新技术的车辆，目前大多数车主需要15年才能换车，这些年内，旧车还会在路上跑，还会在继续烧汽油，继续排放二氧化碳等温室气体。

第二，配有新技术的车辆在厂家生产车间，从第一台到批量生产一般需要几年的时间，到大规模推广又得几年之后。拿油电混合车来说，混合车有全新的技术，但市场份额却增长缓慢。混合车在美国1999年上市，到目前为止市场份额却只有1%。

第三，从推广氢燃料电池汽车对解决交通石油燃料危机的影响角度说，欧洲过去25年推广柴油发动机的经验表明，短期内节省燃料的有效措施并不一定来自全新的技术，而在于如何在现有车辆技术基础上更好地进行改进，更经济地使用燃料。麻省理工学院能源专家在报告中预计，即使研制出具有价格和性能竞争力的氢燃料电池汽车，还将需要25年左右的时间，才能使其占新车和轻型卡车销售的份额达到35%，而要使氢燃料电池汽车替代现有35%的车辆的话，还会再需要20年左右的时间。

氢能产品本身的成本也较高，要研制一辆氢燃料电池轿车，需花费近200万元，而且氢燃料电池轿车从动力来看，与燃油动力汽车还有一定距离，无论是行驶最高速度，还是续驶里程上都有差距。按目前的条件，要在现代汽车社会推广起来并不容易。