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科普干货——氢燃料电池的优势

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2021/1/6     浏览次数:    

所谓的燃料电池,就是把物质中的化学能直接转换成电能的装置。氢只是燃料电池中的一种燃料,还有其他的,比如甲烷、乙炔等。

 

氢之所以能成为大众心中燃料电池的代名词,是因为氢气有好几个优势:

 

第一,反应中的副产品只有水,不涉及其他污染物,尤其是温室气体。

 

其实,今天人们使用汽油对空气的污染已经不大了,但关键是温室气体的排放没法解决。在碳排放规定中,各车企只能推出低功率版的燃油车或者混动车、纯电动车来降低温室气体的排放。

 

因为全球能耗的80%都来自化石能源,所以能源消耗量基本就决定了碳排放的多少。但氢燃料电池在燃烧中没有二氧化碳和其他温室气体,所以被很多人看好。

 

第二,氢气很难爆炸。

 

这一点和很多人的直觉相悖。首先,中学化学实验里为数不多的几个燃烧的实验中,就有氢气和氧气的燃烧。如果氢气很难燃烧,干嘛还在实验课上做呢?另外就是,氢气球的爆炸也给人留下了深刻印象。但实际上,这些全都是误解。

 

最大的误解就在于,相当多的人以为,氢燃料电池工作的主要过程就是氢气、氧气在电池包里燃烧。燃烧,这可太危险了,我们一定要万分小心。大致就是这样的逻辑。但实际上,汽油、柴油工作时也是燃烧的,我们怎么不害怕呢?

 

而且,氢燃料电池的工作过程根本就不是点燃,而是一个电化学过程。这个过程我们一会儿会详细介绍。你只要记得,驾驶氢燃料电池汽车并不是人在前面开车,车屁股后面烧一个氢气炉子。氢燃料电池工作的样子和锂电池是一样的,根本没有火苗。你记住这一点就行。

 

“氢容易燃烧”这个误解是从高中化学实验开始的。但实验课上,氢氧燃烧之所以能烧起来,是因为它同时满足了两个条件:一,浓度足够高;二,点火。

 

首先,要想让氢气在空气中燃烧起来,需要浓度在4%-75%之间,太低或者太高都不会燃烧。

 

其次,就算浓度在这个区间里,你把它们混合在一起,也是很难燃烧起来的。我们回忆一下高中化学实验,制备出来的氢气是怎么燃烧的?其实,是事先把酒精灯点燃,然后把喷出氢气的管子口凑近酒精灯火苗的外焰,然后氢气才能在空气中燃烧起来。

 

酒精灯的外焰,那是四五百摄氏度的高温。如果换个场景,你把氢气管子插在一个已经非常热的家用烤箱里,别看里面已经280-290多摄氏度了,但氢气在那里是不会燃烧的,因为温度太低了。

 

最后,就是氢气球的爆炸了。那是因为气球的壁太薄了,而装氢气的罐子可以做得很结实。今天,氢燃料电池汽车上储藏氢气的罐子,用普通手枪子弹打都不会有问题。

 

可能还有人会说,不是很早以前就有一个氢气做的飞艇在空中燃烧了起来吗?这说的是1937年的“兴登堡号空难”。1937年5月6日,兴登堡号飞艇在准备着陆时仅仅32秒时间就被烧毁。但其实那次空难是因为,云层积累的电荷与飞艇的帆布摩擦起电,先点燃了帆布,然后高温才点燃的氢气,并不是氢气的自燃。

 

你想,氢气飞艇如果那么容易就起火,它是不可能在旅游业、巡逻、战争中广泛使用30多年的。只是因为后来飞机的可靠性和性能全面超越了它,氢气飞艇才逐渐退出的。

 

第三:好运输,好存储。

 

普通人一般会觉得,还是成型的东西好运输、好储藏,那是因为他们缺少专业设备。实际上,对于一种能源来说,如果它是气体的,那就再好不过了。

 

因为只要一次性建好输气管道,批量运输的问题就完美解决了,而且在运输过程中不需要额外耗费太多能源,损失也少。比如,煤炭在运输中被老乡扒走,还有装车卸车的掉落,这些都是损失。而且,煤炭价格中有30%-50%的是物流费用。这就很不划算。

 

如果能源是气体形式的,储藏也会更方便。高压让它浓缩,体积能瞬间缩小到原来的几百分之一。而且,同样质量的氢气,热值是汽柴油的三倍多。热值,反应的就是它作为燃料燃烧时释放的能量。

 

氢燃料电池的工作原理

 

说完了氢作为燃料电池的三个优势,我再来讲讲燃料电池是怎么输出电能的。

 

其实,氢燃料电池的历史非常早。在道光二十五年,也就是公元1845年的时候,英国科学家威廉·格罗夫(William Grove)就制造了第一个燃料电池。他证实了,在一定条件下,氢和氧的结合除了产生水,还会产生电流。

 

他当然是站在巨人肩膀上的。此前70年,卡文迪许就研究了氢气加氧气变成水的过程;此前50年,尼克尔森(William Nicolson)就研究了刚刚那个过程的逆反应,也就是电解水生成氢气和氧气。威廉·格罗夫的成就就是发现,氢气加氧气生成水不需要有火苗,而且过程中还有电流产生。

 

氢燃料电池是这样的:

 

给燃料电池的负极提供氢气,正极提供氧气,然后在正负极之间加一层膜。在催化剂的作用下,氢原子外层的电子会游离出来,变成电子+氢离子。而那层膜是很特殊的,只有氢离子可以通过,电子会被挡在膜外。由于氢离子实际上就是质子,所以那层膜也叫“质子交换膜”。刚才说了,电子是通不过这层膜的,所以会在膜的一边越聚越多。如果在电子聚集的地方接一根导线,通到正极,电子就会在电压的驱使下嗖嗖嗖的跑过去。而这,就是电池在输出电流。

 

那些透过膜的质子和正极的氧反应会生成水,并且放出一定的热。这些就是氢燃料电池的全部副产物。

 

由于一层膜左右两侧的压差比较小,通常只有0.5V-1.0V,所以只要把正负极夹着一层膜的结构叠加几百层,就能得到需要的高电压。在这个电池里,是没有任何火焰出现的。不过,为了保证催化剂的活性,在电动车使用的燃料电池类型中,电池的工作温度在90摄氏度左右。其实,这比很多燃油发动机的温度要低很多。

 

这个过程中,化学能转化为电能的效率最高可以到80%,远比内燃机的40%高得多。

 

当然,氢燃料电池不止刚刚说的质子交换膜这一种,还有其他类型,它们的反应物和电解质都不太一样。

 

比如,航天中用的燃料电池,电解质是氢氧化钾。而熔融态硅酸盐、氧化锆、磷酸等作为电解质的氢燃料电池,都是给发电站用的。氢燃料电动汽车用的这种电池,是比较晚才出现的一种新型氢燃料电池。

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