燃料電池汽車存在的優(yōu)點(diǎn)令人期待并受到矚目，許多國家的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在燃料電池組的一體化、燃料處理器和輔助裝置等方面，正在朝著高技術(shù)集成、降低成本和商業(yè)化方向進(jìn)行著不懈的努力。燃料電池公交汽車雖非指日可待但也正在向我們走來。

   燃料電池汽車（FCV：Fuel Cell Vehicle）與電動(dòng)汽車的根本區(qū)別在于：燃料電池是一種發(fā)電裝置，既不像非充電電池那樣用完后丟棄，也不像充電電池那樣需要經(jīng)常充電，使用過程中只需為燃料電池添加燃料即可維持電力持續(xù)使用。由于其能量是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用（并非經(jīng)過燃燒）直接變成電能的，化學(xué)反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，并且能量轉(zhuǎn)換效率也比內(nèi)燃機(jī)要高2～3倍。從能源利用效率和環(huán)境影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，燃料電池汽車是一種理想的清潔能源汽車。

   1 燃料電池汽車

   1）燃料電池汽車的基本構(gòu)造

   燃料電池汽車主要由貯氫罐、燃料電池組、電機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、超級(jí)電容或輔助蓄電池及熱交換器等部件組成。由圖1可以看出，燃料電池汽車與純電動(dòng)公交汽車的主要區(qū)別是電力來源方式的不同。

圖1 燃料電池汽車的基本構(gòu)造

   2）燃料電池的工作原理

   燃料電池雖然稱電池但不是電池，而是相當(dāng)于一臺(tái)氫燃料發(fā)電機(jī)。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。

   工作時(shí)給負(fù)極供給燃料(氫)，給正極供給氧化劑(空氣)。氫在負(fù)極分解成正離子H＋和電子e-：2H2→4H++4e-，氫離子進(jìn)入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路(含負(fù)載)移向正極（圖2）。

   氧在正極獲得氫離子和電子反應(yīng)為水：O2+4H++4e- →2H2O。可見這正是水的電解反應(yīng)的逆過程(圖2)，且燃料電池唯一的排放物是水。燃料電池所使用的燃料有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機(jī)燃料，汽油、柴油和天然氣等燃料，有機(jī)燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器“重整”為氫氣后，即可成為燃料電池的燃料。

   最初，電解質(zhì)板是利用電解質(zhì)滲入多孔的板而形成，現(xiàn)在已發(fā)展為直接使用的固體電解質(zhì)材料。

圖2  燃料電池的發(fā)電原理

   3）燃料的供給方法

   氫燃料電池汽車的燃料供應(yīng)通常為三種方式：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物形態(tài)。

   用壓縮氣體罐貯存的氫，由于能量密度低使續(xù)駛里程受到限制，一般只能供燃料電池汽車行駛150km左右。此外，由于氫氣是最小的分子，故很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都會(huì)造成可怕的安全事故。

   采用-253℃深度致冷技術(shù)使之成為液態(tài)，雖然能量密度高但由于熱絕緣技術(shù)存在一定難度，并且由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)過程中能量損失大，將其推向市場還存在較大技術(shù)難題。

   可喜的是，儲(chǔ)氫材料的開發(fā)已取得令人鼓舞的進(jìn)展。氫的化學(xué)特性活躍，它可以同許多金屬或合金化合，吸收氫之后形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高于液氫的密度，并且這類金屬氫化物在一定溫度條件下會(huì)分解，把所吸收的氫釋放出來，成了一種良好的貯氫材料。還有，具有復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)的石墨纖維，其單位質(zhì)量可以吸收20%的氫氣。

   2 燃料電池汽車的優(yōu)點(diǎn)

   1）發(fā)電效率很高

   燃料電池采用化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換電能的發(fā)電方式（圖3），而火力發(fā)電是將煤炭、石油燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成為動(dòng)能，然后再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能使發(fā)電效率大打折扣。如：石油發(fā)電的綜合能源利用效率不過35.3%，而氫燃料電池的最大發(fā)電效率可達(dá)82.9%，相當(dāng)于石油發(fā)電效率的2.35倍。

a)燃料電池發(fā)電

b)火力發(fā)電

圖3 兩種發(fā)電方式的流程與效率對(duì)比

   2）無送電損失

   燃料電池可在使用場所將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，如：汽車、車間、住宅等現(xiàn)場直接發(fā)電并向用電設(shè)備直接傳送，所以不存在送電損失問題。而火力發(fā)電的遠(yuǎn)距離送變電損失則高達(dá)6%左右。

   3）環(huán)境負(fù)荷小

   燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。而火力發(fā)電伴隨能源的燃燒會(huì)向大氣排放各種有害物質(zhì)和大量CO2。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源。

    4）燃料類型廣泛

   燃料電池發(fā)電時(shí)所用的燃料是氫和氧，其中氧可以從空氣中直接獲取，實(shí)際工作時(shí)所需燃料只有氫。制取氫所使用的燃料則是多樣化的，如：天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、石油和煤炭等化石燃料。通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）形成循環(huán)利用系統(tǒng)，這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本降低。由此可以降低人類對(duì)石油的依賴性，符合應(yīng)對(duì)石油匱乏的全球能源戰(zhàn)略。

   5）經(jīng)濟(jì)性好

   試驗(yàn)表明，氫燃料電池車輛的能耗經(jīng)濟(jì)性可達(dá)到傳統(tǒng)汽油車的2～3倍，從節(jié)約能源的角度來看，燃料電池汽車明顯優(yōu)于用內(nèi)燃機(jī)的普通汽車。