氫氣會成為汽車的終極燃料嗎?

出品：科普中國製作：《科學世界》唐雲江監製：中國科學院計算機網路信息中心

雖然在過去沒有汽車的時代，人類社會也在運轉，但是今天，沒有汽車幾乎是不可能的了。汽車給我們帶來的方便自不必說，但憂慮也在日益加深，尤其是霧霾頻現之時，人們對汽車帶來的污染更是憂心忡忡。傳統汽車使用的主要是化石能源，有報告指出，地球上的石油最多能使用100年左右，距離枯竭已經不遠了；目前汽車燃料是汽油和柴油等，燃燒時釋放出大量的二氧化碳（溫室氣體）和氮氧化物等有害物質，污染了空氣不說，其中的溫室氣體還直接影響氣候的變化。

現在，我們對汽車可以說是又愛又怕，但我們能捨棄它嗎？目前顯然不能，那隻能另闢蹊徑了。

用什麼來替代汽油，這是關鍵

汽車要自由行駛，必須要用能量；所用能量必須要自身攜帶，而且要帶盡量少的能量物質行駛足夠遠的距離（能量密度高）；攜帶的能量用盡後還要便於補充；另外，能量物質要足夠多，價格要便宜，或者成本可接受。

對於這些要求，汽油（或柴油）確實具有得天獨厚的優勢。汽油燃燒的能量來自化學能，熱值是44000千焦/千克，也就是1千克汽油完全燃燒產生44000千焦的熱量。

這些能量能做什麼呢？

理論上，它們能把1噸的物體舉高4.4千米，這說明汽油的能量密度比較高。所以一輛1.5噸的汽車載35千克（約50升）汽油，平均就能行駛約600千米。汽油來源於石油，可大量供應，且便於儲存和運輸。從使用要求來看，汽油作為汽車的能量來源是非常合適的。

汽油的碳排放和空氣污染問題是難以解決的。可是，不用汽油的話，我們能用什麼呢？讓我們來看一看目前使用的能源中有哪些能用的：水能、風能、生物質能等能量密度低；其他化石能源和化學燃料不是污染問題就是成本過高；核能倒是能量密度高，但也無法用在汽車上吧……

細數所有可用的能源，能與汽油相比的並不多。所謂新能源汽車，並不是使用什麼新的能源，說明白了就是使用除汽油、柴油等傳統燃料以外的能源，對汽車來說是新的，性能要求與傳統汽車不相上下，還要使用方便、環境友好。

目前，按照汽油內燃機的思路，人們已經開發出模仿汽油的生物質燃料，如生物甲醇、生物乙醇、生物柴油等，熱值與汽油相當，使用生物燃料汽車（常用混合燃料）的動力系統仍然是內燃機驅動（燃料電池除外），只需對現在成熟的汽車技術稍加改造即可使用。

雖然生物質燃料在溫室氣體（或碳）排放上有一定的優勢，但目前的技術只能用糧食來生產，有與人爭食之嫌；而且在燃料成本和產能上也與化石燃料有較大差距。下一代生物質燃料雖然有望使用秸稈等農林業廢棄物生產，在產能上同樣難以滿足需要。

我們生產生活中使用最多的能源是電能（二次能源），所有能源形式都可以轉換為電能。汽車使用電能應該是不錯的選擇，電能比較豐富，獲得也方便。但電網中的電能不能直接用於汽車，必須把電能儲存在儲電物質中才能裝載在汽車上使用，這種裝置就是蓄電池，它把電能轉換為化學能儲存起來。

近年來隨著蓄電池技術的發展，電動汽車發展很快，先是節能的混合動力汽車，進一步是部分使用電能的插電式混合動力汽車，再到純電動汽車。電動汽車把電能儲存在蓄電池中，驅動電動機提供動力，與傳統的汽車的動力系統有很大差別，系統相對簡單。

但是目前就算最好的蓄電池（鋰離子電池）的能量密度也還是較低，比液體燃料差很多，一次充電行駛里程比汽油車遜色不少，需每天充電，且充電時間長（補充能量的時間長）。混合動力汽車兼有兩種動力系統，相對比較複雜，但它結合了電動車和汽油車的優點，可以說是一種過渡方案。

電動汽車沒有尾氣排放，對於改善城市空氣質量有很大幫助。雖然目前電網電力主要來自火力發電，電動汽車總體溫室氣體排放優勢並不明顯，但它仍然是未來汽車的重點發展方向。

↑電動汽車不排放尾氣，是清潔汽車

氫氣有可能成為汽車的終極燃料？

既然一般燃料的能量密度比蓄電池高，能否找到一種更好的替代汽油（或柴油）的燃料方案呢？答案是肯定的，這就是氫燃料。我們都知道，氫氣極易燃燒，而且熱值為142351千焦/千克，是汽油的3倍多。更妙的是氫燃燒的產物只有水，不會對環境造成污染。不過不像汽油可以開採，在地球上幾乎不存在天然的氫氣（儘管宇宙中氫占絕大多數）。地球上的氫都以化合物的形式存在於水、有機物等分子中。

怎樣能得到氫呢？獲得氫的方法也非常簡單，中學我們都學過，電解水可以得到氫。工業上常用天然氣（主要是甲烷）與水蒸氣反應（術語叫重整）的方法制氫，工藝成熟（這種方法會產生二氧化碳）。可以說，地球上氫氣資源十分豐富，只不過得到氫就要耗費電能或化石能源。其實，氫能源像電能一樣屬於二次能源，但是它有勝過電能的優點：可用車船（也可用管道）長途運輸和大量儲存（將來可能會與電能並行）。

↑ 氫能源汽車添加氫燃料的方式像汽油車一樣，巡航里程也基本相同。

氫燃料的優點正好適用於汽車，實際上早在19世紀汽車發展初期開始，就一直有人設計使用氫燃料的汽車，只是氫在通常情況下是氣體，而且很難液化，車載儲氫技術難以突破，限制了氫作為汽車燃料的使用。由於氫能源的潛力巨大，近年來各國都加大了研究和推廣力度，氫能源汽車已經從概念走向了市場。

氫燃料汽車可以以內燃機的燃燒形式提供動力，這種方式的能量使用效率低，燃燒產物不僅僅有水，還有氮氧化物等污染成分。隨著近年來電動汽車的發展和燃料電池改進，氫能源汽車的主攻方向是走自主發電的電動汽車，即燃料電池汽車。

↑ 車內的燃料電池組、驅動電機等配置緊湊

2014年底豐田公司推出了一款名為「MIRAI」的氫燃料汽車，氫燃料以70兆帕氣壓儲存在兩個罐中（容量合計為122.4升），3分鐘加滿約5千克氫，續航650公里。這款車除了比同等水平的汽油車貴一些，性能與方便程度已經沒有差別。目前這款車已經商業化生產，它標誌著氫能源汽車已經走向實用。

目前氫能源是從現有的其他能源轉換來的，科學家正在加緊研究從太陽能直接製造氫氣的方法，到那時能量真是取之不盡，用之不竭了，而且絕對環保了。

開發新能源汽車本來選擇有限，經過近年來的努力，反而有全面開花之勢。無論哪個方向發展起來都要有配套設施，純電動汽車要求布滿充電樁，氫能源汽車要求布滿加氫站……誰能最先發展起來，就看社會平衡多種因素的選擇了。

無論怎樣，新能源汽車是一定要發展的，而且一定能替代汽油車，只是還要經過一定的時間和努力。我們期待著，望著遠方天涯路，環保汽車一路行。

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