你了解氢燃料电池吗，氢燃料电池车离我们还有多远嗷嗷？
来源：宝鄂实业
2019-04-03 12:30
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5月11日上午,国务院总理李克强在日本首相安倍晋三陪同下,参观考察了位于北海道苫小牧市的丰田汽车公司相关零部件工厂。李克强总理参观的其中一个项目就是,丰田的氢燃料电池车Mirai。总理看到的氢燃料电池车到底有什么高明之处?它离我们日常应用还有多远?
本报记者 任志方
从提出原理到应用走了60多年
干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。其基本工作原理是将氢气送到燃料电池的阳极板,经过铂金催化剂的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板,与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水蒸气带走,就可以不断地提供电能。
氢燃料电池的原理早在1893年就已提出。1893年,英国科学家Grove首先发明了燃料电池,但是在接下来的60多年里,燃料电池一直被认为是一种“高不可攀的新技术”。
1955年,通用电气公司首先设计并采用离子交换膜来制造燃料电池；经过各国科学家的不断努力,终于在1965年8月由美国首先研制出第一个离子交换膜电池,由于氢燃料电池无论是耐用性表现,还是面对极端气候的稳定性都不错,随后,在波音、通用汽车和NASA的共同努力下,氢燃料电池最终被移植到一辆月球车当中,跟随阿波罗15号计划成功登陆月球表面。
1966年1月,氢燃料电池首次应用在了汽车上。通用汽车的250名工程师研发出了世界上第一辆氢燃料电池车“Electrovan”。这台“Electrovan”仅有5KW的输出功率,但却能提供113km/h的最高时速。当时它充满氢燃料后的单次续航能力可达193km。现在来看它的水平也就勉强战平一辆老年代步车。但在50多年前,这样的新能源技术代表着世界最先进水平。
进入上世纪70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞一架以氢燃料电池为动力源的小型飞机。
在氢燃料电池车研发成功的半个世纪之后,2014年,丰田推出了首辆氢燃料电池轿车Mirai,标志着氢燃料电池汽车技术实现重大进步,氢燃料电池汽车的技术已经从基础研究、样车示范进入工程化、商品化发展阶段。2015年,丰田Mirai正式进入量产阶段,走向普通消费者。
门槛逐步降低,5毛钱氢气跑一公里
作为氢燃料电池车的动力来源,氢气的制备和获得比汽油又如何呢?
目前氢气制作有很多方法,但比较常用的方法依旧是煤制氢、天然气制氢、电解水、页岩气制氢。其中美国廉价页岩气制氢成本控制比较好,欧洲挪威、瑞典等国家利用风能、太阳能制氢,日本蓝色能源公司采用生物制氢。
风能制氢以及太阳能制氢虽然不能普及,但是由于氢气比电池拥有更长的保存期限,所以挪威、瑞典等欧洲国家季节性的制氢储存,比如挑选风较大、阳光充沛的季节制氢保存,以待不时之需。
炼油厂、钢铁厂也会产生大量氢气,在产能充足的情况下也会外售。比如,澳大利亚国内盛产褐煤,这是一种带有水分的煤炭,不易出口,容易自燃。火力发电多以烟煤为主,在此情况下,日本川崎重工在当地开设工厂用褐煤制氢,然后用液态氢的方法运输到日本国内。澳大利亚对二氧化碳排放要求比较严格,川崎重工则利用二氧化碳捕获和封存技术,把这些二氧化碳贮存在海洋深处开发天然气遗留下的洞穴内。川崎重工也与俄罗斯展开合作,利用俄罗斯的剩余电能进行能量存储进口到日本国内。
目前看来,欧洲氢能源发展规模最大,其次是美国和加拿大,再其次是日本,但日本的比例最大。从经济性来看,液化氢在日本的零售价格约为70元/公斤,车身内部的存储罐可以存放大约5公斤的氢燃料,也就是加满一次需要大约人民币350元。按照续航里程700公里来计算,Mirai的使用成本大约为每公里0.5元。从车辆本身的性能数据来看,如今的氢燃料电池汽车已经有了翻天覆地的变化。
加氢站成本高昂,大规模应用还需时日
丰田从上世纪90年代开始,截止2017年5月,包括量产车和四代概念车在内,已经在氢燃料电池技术上申请了15867个专利,涵盖了燃料电池堆专利、高压储氢罐专利、燃料电池系统控制专利以及加氢站技术等,建立了氢燃料电池方面独一无二的技术壁垒,成为氢燃料电池汽车领域的巨人。
按理说氢燃料汽车排放出来的只有水蒸气,可以说是零排放,且一次加氢续航里程长,加氢时间短,燃料价格相对便宜,使用起来相当于汽油车。拥有这么多优点,应该受消费者热捧才对。但从市场的接受程度来看,氢燃料电池车似乎跟50年前没什么区别。目前选择氢燃料电池技术路线的车企屈指可数,除了丰田之外,只有宝马、现代、本田等少数几家。
这又是为什么呢?
其中的原因就在于氢燃料电池汽车售价昂贵、氢气的制储运以及加注成本高、加氢站设施的不完善,消费者对于其安全性的担忧,多方面严重制约着氢燃料汽车的商业化以及大范围推广普及。
就拿基础设施修建成本来说,一座特斯拉超级充电站的修建成本大约为200多万元人民币,而一座加氢站的成本却高达2000多万元人民币,成本高昂。这些费用最终还会返回到车主身上。
再以丰田Mirai为例,通过严格的成本管理控制,丰田将一台成本堪称天价的概念车,做到了量产价只需要不到人民币40万元(补贴前),在日本最终补贴完之后,实际售价为人民币26万元。这对于其他厂家来说在技术上完全领先了不止一代。但同类车型相对于燃油车10万元左右的价格仍不便宜。
此外,氢燃料车目前还有一个亟待解决的难题,就是电池反应堆中的催化剂必须是贵金属——铂,没有其他材料可替代。铂金产量很低,全世界一年共生产200吨,百分之六七十用于做首饰和装饰品,只有一部分铂金是做催化剂的,价格大概是黄金的4倍。
铂金作为催化剂对氢的纯度要求极高(99.99%),一旦与空气中的一氧化碳、二氧化硫等接触,就会“中毒”,催化效果就会大大降低,在空气质量差的地方,只有带上压缩纯氧才能上路。虽然丰田对其进行了电镀处理,降低了90%的铂使用量,但一辆车仍至少需要15克铂才能运行,成本也是居高不下。
困难虽然不少,如果氢燃料电池汽车计划成功,那么这将是一场足以改变历史的变革,就像一百年前从马车和煤炭过渡到汽车和汽油一样。
