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[上海硅酸盐所]燃料电池汽车
添加时间:2014-11-24  作者:陈立松 文  来源:中国科普博览网站  点击:1596  
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随着人民生活水平的提高,越来越多的家庭正在购买或者准备购买家庭轿车来满足大家对舒适出行和便捷出行的需求。然而,令大家恼火的是,汽油的价格一再飙升,甚至到了令人难以接受的地步。此外,汽车的日益增加也引发了一系列严重的环境问题。汽车中的汽油燃烧不完全会导致碳烟小颗粒的排放,这些碳烟小颗粒导致的就是令人闻之色变的雾霾。汽油燃烧还会产生一氧化氮、一氧化碳、二氧化硫等对人类和环境有严重危害的气体,会引发光化学烟雾、酸雨等问题。此外,燃烧会产生的大量二氧化碳会导致全球温度上升,甚至会给整个地球带来灭顶之灾。

  因此,科学家们也一直在寻找一种清洁高效的可持续能源来替代汽油。其中,燃料电池成为最具有开发前景的能源之一。燃料电池是一种电化学装置,其示意图如图一所示。它主要由质子交换膜、阴极阳极催化层以及阴极阳极气体扩散层五部分构成。当它工作时,燃料(氢气)进入阳极扩散层,并在阳极催化剂的作用下转化为质子和电子;氧气进入阴极扩散层,并在阴极催化剂的作用下得到电子转变为O2-离子;质子通过质子交换膜到达阴极与O2-作用形成水;电子则通过外电路会到阴极,并在这个过程中为人类提供电能。在整个过程中,氢气与氧气不经过燃烧直接将化学能转化为电能,因此燃料电池的效率不受卡诺循环的限制。燃料电池的效率可以高达70%,而普通内燃机的效率一般在30%-40%。通过燃料电池的工作过程我们还可以发现,在整个工作过程中除了水之外,没有其它物质产生。也就是说,燃料电池不会产生任何对环境有害的物质。因此我们可以讲,燃料电池是一种既清洁又高效的能源装置。 

  与蓄电池相比,燃料电池的优点是在于能够在复杂环境下持续稳定的工作,并且具有良好的可靠性。与汽油柴油发动机相比,燃料电池的优点是噪声小、不排毒。此外,燃料电池还具有运动部件少、维修工作量小,更有利于远程控制、减少维修时间等优点。

  质子交换膜燃料电池具有以上诸多优点,非常适合用在汽车上。纯电动汽车一直没有推广开来的一个重要原因是其蓄电池需要长时间充电而续航里程较短。燃料电池在很大程度上解决了这一问题。燃料电池汽车只需要数分钟时间即可加满,而续航里程可以达到数百公里。从技术上说,燃料电池汽车在充气速度、续航里程和车速等诸多方面已经完全可以替代当前广泛使用的内燃机汽车。而且,燃料电池汽车不会排放温室气体和有毒废物,非常有利于减少雾霾的发生。

  当前,丰田、大众、本田、特斯拉等大型汽车公司已经推出燃料汽车的试点,并准备在2015年——2016年陆续实现量产。其中,日本丰田公司最近正式向外界透露将在2015年量产燃料电池车型,新车的命名和生产规模将在今年底对外公布。目前,丰田的燃料电池原型车已经在北美进行了超过1年的路试,其0-60加速在10秒左右,一次注满氢燃料后可连续行驶700公里。虽然续航距离与特斯拉Model S基本相同,但氢燃料的加注时间仅有3-5分钟,与现在的汽油车持平,大大降低了车主的能源补给等待时间。

  很多汽车厂商都将即将到来的2015年视作燃料电池汽车的市场化元年,计划各自生产1000辆左右的燃料电池汽车。他们还将2020年看做市场启动年,届时将会大规模生产氢燃料电池汽车。美国曾经在2008年作出预测,到2030年,如果发展势头强劲,将有80%的内燃机汽车被燃料电池汽车取代,即使发展不够如意,也将有20%的被替代。

  我总在美美地想象未来美好的画面:蓝蓝的天空下,清新的空气里,我开着燃料电池车带上老婆孩子奔驰在绿色的世界里。我的车没有燃油,所以也就碳烟,没有尾气,我所停留过的地方只有一小片湿漉漉的印记,也许,草儿或者花儿正在那里努力发芽。

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