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3. 电解水产生的氢气
用电力来分解水,产生氢气和氧气。也就是燃料电池反应的逆向过程。
(三)燃料电池车的环保性
燃料电池车在行驶过程中仅仅排出水,被认为是一种“环保”型的交通工具。实际上真的是这样吗?
我们在讨论其环保性的时候,不仅要考虑燃料电池车本身,更要着眼于从制氢、氢气的储存、流通到使用这个系统的整个过程。只有通过对整个系统的评价,才能判断其环保性的优劣。
前面说过,燃料电池车的燃料——氢气的制取,是使用电力。而在制取氢气的过程中,电力消耗非常大。虽然可以通过太阳能、水力、风力等可再生能源发电,但目前主要的还是通过石油、煤炭等化石能源来进行的。也就是说,发电本身就会带来环境污染。
氢气的储存是一件相当困难的事情。氢气重量小体积大,所以必须用高压压缩,储存在密闭容器中(丰田公司的mirai的容器压力为700个大气压)。在元素周期表中氢排在第一位,即氢分子是最小的分子。氢分子可以很容易地通过储存容器壁中微小的孔洞而溢散。而储存容器的高压状态更加剧了这个过程。
在“加油站”添加氢气时,因充氢设备的频繁使用,700个大气压下所有的阀门的密闭性不可能长期维持设计状态,所以不可避免地这个过程中会损耗掉一部分氢气。
到目前为止,我们并没能找到从制取氢气到进行氧化反应为止,经过多个储运过程后,氢气溢散程度的量化数据。而从宇宙尺度上讲,地球的引力是不足以吸引住氢气的。溢散掉的氢气最终会进入宇宙空间。 “分解水为氢氧”→“氢氧化合为水”这种氢燃料电池的循环过程,将会带来地球整体含氢量(含水量)的下降(尽管这个过程极其缓慢)!
从氢燃料电池汽车系统中氢气的变迁中,我们看到一个“化石燃料的化学能”→“热能”→“电能”→“氢气的化学能”→“电能+热能”→“车辆的动能”这样能量形式转换的过程。请注意,能量形式转换过程存在着转换效率的问题(损失的能量基本上转换成热能)。也就是说,能量形式转换的次数越多,能量的浪费就越大!
从理论上讲,如果消耗单位量的化石能源制取的氢气,在氢氧发生化合反应的最后环节所做的功(在这里可以理解成推动车辆前进的距离),小于单位量化石能源所能做的功的话,那就不能说氢燃料电池汽车的环保性好!
(四)一个不受注意的问题
在议论氢燃料电池汽车的环保性时,经常被忽视的是汽车的排水问题。
燃料电池的原理就是氢气和氧气反应生成水而产生能量。这就意味着,氢燃料电池汽车一边行驶,一边排水。那么,这个过程中会有多少水被排放出来?
我们可以以丰田的mirai为例简单地计算一下,当装载全部氢气用尽会产生多少水:
基本参数
氢气储罐容量: 122.4升(前储罐60升,后储罐62.4升)
气压: 700大气压
常压下体积(为计算方便,温度变化忽略不计):
122.4升 × 700 = 85,680升
氢气的摩尔量: 85,680升/22.4升(每mol) = 3,825mol
氧化反应后产生水分子量: 3,825mol
1 mol水分子重量: 18克
3,825mol水分子重量: 68,850克
充满氢气时的巡航距离: 650公里
行驶每公里产生水量: 68,850克/650公里 = 106克/公里
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