日前，世界首列氫燃料動(dòng)力電池有軌電車在河北唐山唐胥鐵路首次投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。該列電車的運(yùn)營(yíng)全程為13.84公里，線路起始站為2016世園會(huì)站，途經(jīng)唐山南站、1878開灤站、1889啟新站，最終返回2016世園會(huì)站。這輛有軌電車最大的特點(diǎn)是使用了氫燃料動(dòng)力電池，有賴于氫氣燃料動(dòng)力電池技術(shù)，電車取消了傳統(tǒng)有軌電池的受電弓和接觸網(wǎng)，不僅填補(bǔ)了世界該領(lǐng)域空白，還實(shí)現(xiàn)污染物零排放和全程無(wú)網(wǎng)運(yùn)行。

什么是氫燃料動(dòng)力電池

氫燃料動(dòng)力電池是燃料動(dòng)力電池大家族中的一員，這種燃料動(dòng)力電池最早可以追溯到WillianRobertGrove在1843年發(fā)表的氣體電池的原始模型。正如很多技術(shù)從原始構(gòu)思到成熟產(chǎn)品經(jīng)歷過(guò)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程，氫燃料動(dòng)力電池也是如此直到美蘇太空爭(zhēng)霸，這項(xiàng)體積小、大容量的能量裝置才被用在宇宙飛船上。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫燃料動(dòng)力電池開始被應(yīng)用到一些裝備上，以及一些民用車輛上。美國(guó)、日本等國(guó)家都先后開發(fā)過(guò)搭載氫燃料動(dòng)力電池的民用車輛。隨著世界各國(guó)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)零排放的氫燃料動(dòng)力電池因而備受重視，美國(guó)《時(shí)代》周刊在1995年將燃料動(dòng)力電池電汽車列為二十一世紀(jì)十大高新技術(shù)之首。

氫燃料動(dòng)力電池可以理解為一個(gè)發(fā)電裝置，只要持續(xù)不斷的給氫燃料動(dòng)力電池輸入氫氣和氧氣，就能對(duì)外輸出電能。相比之下，像手機(jī)里的鋰電池和傳統(tǒng)鉛酸電池，則是一個(gè)儲(chǔ)能裝置。充電時(shí)存儲(chǔ)電能，使用時(shí)再釋放電能。

氫燃料動(dòng)力電池的發(fā)電原理

在中學(xué)化學(xué)課本上，我們都學(xué)過(guò)電解水，也就是水被電解為氫氣和氧氣。而氫燃料動(dòng)力電池的發(fā)電可以理解為電解水的逆反應(yīng)以氫氣和氧氣生成電能和水。

氫燃料動(dòng)力電池的重要結(jié)構(gòu)包括電極、隔膜和集電器等。電極和一般電池相同，也分為陽(yáng)極和陰級(jí)。隔膜的重要用途是把氧化劑和還原劑隔開。集電器重要起到收集電流和疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等用途。

氫燃料動(dòng)力電池發(fā)電時(shí)，電池陽(yáng)極上的氫會(huì)分解出電子和質(zhì)子，質(zhì)子會(huì)穿過(guò)隔膜達(dá)到陰極，而電子則在外部電路運(yùn)行，從而出現(xiàn)電能。在陰極氫和氧會(huì)生成水。而只要有持續(xù)的氫氣和氧氣供應(yīng)，并將反應(yīng)生成的水排出去，燃料動(dòng)力電池就能夠持續(xù)供應(yīng)電能。

氫燃料動(dòng)力電池的優(yōu)點(diǎn)

燃料動(dòng)力電池之所以被很多人看好，就在于這種電池相關(guān)于現(xiàn)在的鋰電池而言有不少優(yōu)勢(shì)，特別是面對(duì)油價(jià)上漲和能源危機(jī)，以及日益惡劣的大氣環(huán)境等問(wèn)題之時(shí)，氫燃料動(dòng)力電池的優(yōu)勢(shì)就格外引人關(guān)注。

一是氫燃料動(dòng)力電池綠色環(huán)保。

由于氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之后，得到的產(chǎn)物是水，而傳統(tǒng)汽車用的汽油燃燒后會(huì)釋放氮化物、硫化物，污染空氣質(zhì)量，是造成城市霧霾的重要原因之一。相比之下，用氫燃料動(dòng)力電池的汽車要環(huán)保的多。

二是制取氫氣的原材料非常豐富。

由于氫氣可以由電解水來(lái)獲取，而地球上有非常豐富的水資源，制取氫氣的原材料可以說(shuō)是取之不盡用之不竭。

三是氫燃料動(dòng)力電池可以和新能源形成互補(bǔ)。

由于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電時(shí)間和發(fā)電功率不像火電和核電那樣恒定，電能的質(zhì)量相對(duì)遜色一些。因此，電網(wǎng)往往會(huì)限制風(fēng)電廠和光伏電站的發(fā)電量。假如將光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電出現(xiàn)的電能用于氫氣制取，那么既可以解決消化光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電出現(xiàn)的多余電能，又可以實(shí)現(xiàn)氫氣制取的綠色環(huán)保，為氫燃料動(dòng)力電池供應(yīng)充足的原料。

四是能量轉(zhuǎn)換效率高。

由于氫燃料動(dòng)力電池在使用中是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不像一些設(shè)備要經(jīng)過(guò)化學(xué)能熱能電能的轉(zhuǎn)換，因而不受卡諾循環(huán)限制。擁有更高的能量轉(zhuǎn)化效率，根據(jù)測(cè)試，氫燃料動(dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)的2-3倍。

五是沒(méi)有像鋰電池那種相對(duì)漫長(zhǎng)的充電過(guò)程。

氫燃料動(dòng)力電池本質(zhì)上是一個(gè)以氫氣和氧氣為原料的發(fā)電裝置，因而不像鋰電池那樣有相對(duì)漫長(zhǎng)的充電過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，河北唐山唐胥鐵路使用的有軌電車一次快速加氫只需15分鐘。

六是氫燃料動(dòng)力電池噪聲低。

由于氫燃料動(dòng)力電池沒(méi)有往復(fù)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，因此燃料動(dòng)力電池運(yùn)行時(shí)非常安靜，噪聲大約只有55分貝，相當(dāng)于人們正常交談的水平。

七是能量密度高。

目前，鋰電池技術(shù)已經(jīng)撞上了天花板，電池公司已經(jīng)很難再提升鋰電池的能量密度。即便以劍走偏鋒的方式強(qiáng)行提高鋰電池的能量密度，那也是以犧牲安全性、壽命的指標(biāo)為代價(jià)的，最好的例子就是去年三星Note7手機(jī)因電池原因接連自燃和爆炸。

因此，現(xiàn)在一般的電動(dòng)汽車的航程大約在300-400公里左右，像TSLA的航程能夠達(dá)到450公里，但這是以安全性為代價(jià)的。這也是TSLA電動(dòng)汽車接連燒車的原因之一。而假如采用氫燃料動(dòng)力電池，電動(dòng)汽車的續(xù)航能力可以大幅提升，一些實(shí)驗(yàn)車型的航程已經(jīng)達(dá)到了700800公里，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車的航程還有提升潛力。

氫燃料動(dòng)力電池的不足

首先是對(duì)安全性的要求非常高。由于氫氣是極小的分子，很容易造成泄露，而且在一定比例和氧氣混合之后，就會(huì)發(fā)生爆炸。在氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、保管、運(yùn)輸和灌裝過(guò)程中，一旦泄露將會(huì)造成不可估量的后果。

其次是成本偏高。之前提到，氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、保管、運(yùn)輸和灌裝比較復(fù)雜，對(duì)安全性要求也高，這就大幅提升了成本。而采用儲(chǔ)氫合金的做法雖然安全，而且部分儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫密度甚至大于液氫，但這類金屬幾乎全是稀貴金屬，價(jià)格幾乎都直逼黃金，大規(guī)模商用的可能性微乎其微。

三是缺乏加注氫氣的氫氣站。正如充電站成為電動(dòng)汽車普及的短板，氫氣站的匱乏也使采用氫燃料動(dòng)力電池的車輛難以普及。

結(jié)語(yǔ)

本次世界首列氫燃料動(dòng)力電池有軌電車在河北唐山唐胥鐵路首次投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著我國(guó)在氫燃料動(dòng)力電池的技術(shù)和成本控制上均取得了突破。希望我國(guó)能在燃料動(dòng)力電池技術(shù)方面越走越遠(yuǎn)，越走越好。