以燃料电池为动力的无污染汽车

以燃料电池为动力的无污染汽车

能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最重要的主题。近代人类利用的能源主要是煤、石油和天然气等化石燃料。当前世界能源消费结构中，化石燃料占88%。使用化石燃料有三个主要问题。首先，化石燃料是不可再生的能源，储量有限，特别是石油，据估计，世界上的石油将在几十年中耗尽。其次，目前化石燃料主要通过热机转化为功进行利用，这种利用方式的能量利用效率低，一般低于30%。最后，化石燃料在使用过程中产生大量的有害物质，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和碳氢化合物等，给自然环境造成极大的破坏。所以，如何高效、洁净地利用现有资源，开发可再生能源，保持人类社会的可持续发展是摆在人们面前的亟待解决的重大问题。随着经济的发展，在众多的污染源中，由汽车引起的环境污染越来越严重，汽车已成为最大的污染源之一。特别在大城市中，汽车引起的污染要占总污染的50%，因此发展无污染或少污染的电动汽车是当务之急。

氢能作为一种理想的能源，已引起人们的广泛重视。在工业发达国家，早已投入大量的资金进行氢能利用的研究，并认为21世纪将是氢能时代。燃料电池将是一种氢能利用的最好方法，它能用氢气和空气中的氧气来发电。其发电的原理是氢和氧分别在燃料电池的负极和正极催化剂的作用下氧化和还原而产生电，只要氢气和氧气源源不断地供应，燃料电池就能持续地发电。燃料电池发电有许多优点：首先，它的能量转化效率可高达40%～60%；其次，燃料电池发电对环境污染小，因为氢气和氧气发电时，反应的产物是水，基本上对环境不产生污染；另外，燃料电池采用组合式的结构，可大可小，因此用途比较广泛，大的可用作发电站，小的可作为汽车、摩托车和家用电器等的动力源。

早在1839年有人就提出了燃料电池的概念，但由于技术上的复杂性，真正的燃料电池在100多年后的1959年才诞生。在1966年，美国研制成了能实际使用的燃料电池，并被用到宇宙飞船上。近年来，国际上主要集中于研制作为汽车动力用的燃料电池。其中，加拿大的巴拉德公司的研制进展最快，在20世纪90年代初研制成功能实际使用的作为汽车动力用的燃料电池，1997年装配成6辆以燃料电池为动力的公共汽车进行试用。由于这种汽车具有无污染、能量利用率高和运行性能良好等优点，很快得到许多大汽车公司的重视，如德国奔驰汽车公司等相继与巴拉德公司合作，开发以燃料电池为动力的汽车。现在，专家们认为车用燃料电池的技术已基本上过关，下一步是要进行车用燃料电池的商业化。

车用燃料电池商业化要解决的一个主要问题是价格。巴拉德公司研制的以燃料电池为动力的公共汽车，每辆售价要150万美元，比现在一般的公共汽车贵10多倍。其中，燃料电池的价格为每千瓦1500美元左右，而汽车内燃机的价格仅为每千瓦50美元。价格贵的主要原因是这种燃料电池所用的某些材料价格很贵。因此研制价格低廉、性能良好的替代材料是目前的热门课题。车用燃料电池商业化要解决的另一个重要问题是现在的燃料电池中使用的催化剂是铂金，若车用燃料电池大规模地使用，铂金的资源肯定是个大问题。因此，研究非铂金催化剂也是一个很重要的课题。另外，目前离子交换膜燃料电池所用的氢是装在钢瓶中的高压氢，因此有很大的不安全性。要解决这个问题，有几种不同的办法。其中最好的一种办法是用储氢材料代替钢瓶来储氢，这种材料必须有高的储氢容量，能在常温下可逆地储存和释放氢。现在已有几种储氢材料，但有的储氢材料的储氢容量太小，有的储氢材料的储氢可逆性较差，要在较高的温度下才能释放氢气。因此，研究性能良好的储氢材料也是一个很热门的课题。

虽然车用燃料电池的商业化还有许多问题有待解决，但由于以这种燃料电池为动力的汽车有零污染、能量利用率高和运行性能良好等优点，已引起了汽车行业的极大注意。许多大汽车公司已投入大量的人力和财力来研究车用燃料电池的商业化问题。