業(yè)化的推進中對化石燃料的依賴給環(huán)境造成了巨大的壓力。而氫作為一種清潔燃料，被視為化石燃料良好的替代品，其來源豐富，能量轉(zhuǎn)化率高，在交通等多個領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。而以氫燃料電池為動力的汽車排放和污染幾乎為零，被稱為是“綠色燃料”汽車。金智創(chuàng)新將嘗試對氫燃料電池的優(yōu)缺點、在國際上的應(yīng)用現(xiàn)狀和國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀進行解析。

 

 

氫燃料電池指的是使用氫來制造成存儲能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，反應(yīng)過程的產(chǎn)物是水和電。具體反應(yīng)過程為：在催化劑的作用下，電池陽極上的氫分解為電子和質(zhì)子，帶正電荷的質(zhì)子和帶負電荷的電子分別穿過隔膜到達陰極和外部電路運行，陰極上的陽離子和質(zhì)子、電子發(fā)生反應(yīng)生成水，這就是電能產(chǎn)生的具體反應(yīng)過程。通過大量串聯(lián)的燃料電池，電池組產(chǎn)生的電能足夠?qū)ζ囘M行驅(qū)動。

 

氫燃料電池優(yōu)缺點并存

 

首先氫燃料電池具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且綠色環(huán)保。燃料電池不是通過儲能(蓄電池)或者燃燒(柴油、汽油)方式，而是采用化學(xué)反應(yīng)，該過程對環(huán)境無污染，只會產(chǎn)生熱和水。如果氫是通過風(fēng)能、光伏電池板等可再生能源產(chǎn)生的，整個過程都不會有有害物質(zhì)產(chǎn)生和排放。氫燃料電池的第二個優(yōu)點就是噪聲低、無振動且使用壽命長。按照氫燃料電池的工作原理，只要外部源源不斷地供給燃料和催化劑，電能就可以被不間斷地被釋放出，氫燃料電池的使用壽命比普通的充電電池或原電池要高得多。由于燃料電池的運行過程非常安靜，沒有回轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動的部件，噪聲只有55分貝左右，這和人們正常交談的水平相當(dāng)。另外，在整個工作過程中機械器件的磨損較少，沒有機械振動和噪聲，氫燃料電池的使用壽命也得以延長。

 

 

 

氫燃料電池的制氫原料來源廣泛、充電時間也相對較短。其使用的制氫原料多，其中自然界中的水存儲著大量的氫，可以通過水分解制氫;再生能源也是制氫的重要原料，還可以取柴油、汽油、甲醇、天然氣等進行氫的制備。氫是燃料電池所需要的主要燃料，一般只需要幾分鐘來充氣或者更換氫氣瓶，相較于純電動汽車的蓄電池充電，氫燃料電池的能源補充更快。

 

盡管具有一些系列的優(yōu)點，但不可否認的是氫燃料電池發(fā)展仍然存在不少局限性。一方面，其燃料具有單一性，技術(shù)復(fù)雜程度高，且電池成本高?？捎米魅剂想姵氐娜剂蟽H有氫，而氫氣的產(chǎn)生、運輸、保管、存儲或重整對安全性要求高，不僅復(fù)雜且成本昂貴，造成電池制造的成本過于高昂。同時，氫燃料電池還要求十分嚴格的密封性，極小的氫氣分子很容易泄露，萬一泄露，造成的后果不可估量，因此氫燃料電池對密封性要求嚴格。電池發(fā)動機的制造工藝也在這一嚴格要求下變得更加復(fù)雜，這給使用過程和維護過程都造成了很多麻煩。

 

 

 

此外，電動汽車在使用氫燃料電池是需要配備輔助電池系統(tǒng)。盡管能夠持續(xù)發(fā)電，但燃料電池不能充電，也不能對燃料電池電動汽車再生制動的反饋能量進行回收。因此，為了儲存富裕的能量，輔助電池或者超級電容器通常需要安裝在電動汽車上，在汽車減速時對再生制動產(chǎn)生的電能進行接收。

 

　國際上當(dāng)前燃料電池市場的霸主是日本與美國

 

從1990年以來，在日本政府部門的支持下，日本對燃料電池汽車需要的設(shè)備、新技術(shù)展開了研究?，F(xiàn)階段日本在燃料電池方面的技術(shù)最為全面，占據(jù)了絕對的領(lǐng)先地位。2014年，“氫社會”戰(zhàn)略路線圖發(fā)布，日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟省提出，到2020年，日本將著力于擴大本國燃料電池汽車和固定式燃料電池的使用量，在氫燃料電池世界市場中占據(jù)領(lǐng)先地位。到2030年，氫燃料的應(yīng)用范圍和需求進一步擴大，全新的二次能源結(jié)構(gòu)得以構(gòu)建。到2040年，建立CO2零排放的氫供應(yīng)系統(tǒng)，屆時CO2捕獲和封存技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于氫燃料的生產(chǎn)中。此外，日本政府還在2017年12月26日發(fā)布了“氫能源基本戰(zhàn)略”，進一步明確了2030年的具體行動計劃和2050年氫能社會建設(shè)的目標(biāo)。

 

 

 

另外，氫能和燃料電池被美國政府確定為維系國家安全和經(jīng)濟繁榮的必須發(fā)展的、至關(guān)重要的技術(shù)之一。當(dāng)前美國能源部特定的目標(biāo)主要有從現(xiàn)有資源和未來資源中獲取氫能、燃料電池研究和自由汽車計劃三個。美國國防部的研究主要集中在燃料電池和氫能在軍事方面的應(yīng)用，研究重點是固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。

 

與此同時，現(xiàn)階段，歐洲擁有全球七成的燃料電池和氫能示范項目，而德國對氫燃料電池的商業(yè)化方面占據(jù)了領(lǐng)先地位，有超過350家德國科研機構(gòu)與公司活躍在這一領(lǐng)域。德國在燃料電池專利申請數(shù)量排名第三，重點關(guān)注燃料制備與儲存、燃料電堆等技術(shù)細節(jié)。從技術(shù)分類和技術(shù)應(yīng)用方面來看，德國更為關(guān)注燃料電堆、燃料制備與存儲和燃料電池在車輛上的應(yīng)用。

 

而韓國政府在“21世紀前沿科技計劃”中將氫能研發(fā)列為了主攻技術(shù)領(lǐng)域之一。在韓國政府的支持下，“氫能研發(fā)中心”成立起來，針對韓國10年內(nèi)氫能的發(fā)展，該中心將目標(biāo)分解為涉及氫生產(chǎn)、利用和貯藏三方面內(nèi)容的三個階段，目前研發(fā)中心的工作內(nèi)容已經(jīng)進入推廣執(zhí)行階段。在“能源技術(shù)研發(fā)10年計劃”的指導(dǎo)下，韓國取得了專利申請書排名第四的成績。從專利技術(shù)細節(jié)、技術(shù)分類、應(yīng)用三個角度來看，韓國更加關(guān)注的分別是膜電極組件、甲醇與熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)和燃料電池便攜式使用。

 

我國氫燃料電池與國際先進水平相比落后了5-10年

 

目前，燃料電池專利數(shù)量上我國全球排名第五。從技術(shù)細節(jié)、技術(shù)分類兩方面來看，我國更為關(guān)注的是電極、催化劑和質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。我國企業(yè)在燃料電池專利上的申請數(shù)量相對較少，主要集中于高校和研究院所。