你了解氫燃料電池嗎，氫燃料電池車離我們還有多遠(yuǎn)嗷嗷？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-03 12:30
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5月11日上午,國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在日本首相安倍晉三陪同下,參觀考察了位于北海道苫小牧市的豐田汽車公司相關(guān)零部件工廠。李克強(qiáng)總理參觀的其中一個(gè)項(xiàng)目就是,豐田的氫燃料電池車Mirai?？偫砜吹降臍淙剂想姵剀嚨降子惺裁锤呙髦?它離我們?nèi)粘?yīng)用還有多遠(yuǎn)?
本報(bào)記者 任志方
從提出原理到應(yīng)用走了60多年
干電池、蓄電池是一種儲(chǔ)能裝置,是把電能貯存起來,需要時(shí)再釋放出來；而氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種發(fā)電裝置,像發(fā)電廠一樣,是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。其基本工作原理是將氫氣送到燃料電池的陽極板,經(jīng)過鉑金催化劑的作用,氫原子中的一個(gè)電子被分離出來,失去電子的氫離子穿過質(zhì)子交換膜,到達(dá)燃料電池陰極板,與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧,可以從空氣中獲得,因此只要不斷地給陽極板供應(yīng)氫,給陰極板供應(yīng)空氣,并及時(shí)把水蒸氣帶走,就可以不斷地提供電能。
氫燃料電池的原理早在1893年就已提出。1893年,英國(guó)科學(xué)家Grove首先發(fā)明了燃料電池,但是在接下來的60多年里,燃料電池一直被認(rèn)為是一種“高不可攀的新技術(shù)”。
1955年,通用電氣公司首先設(shè)計(jì)并采用離子交換膜來制造燃料電池；經(jīng)過各國(guó)科學(xué)家的不斷努力,終于在1965年8月由美國(guó)首先研制出第一個(gè)離子交換膜電池,由于氫燃料電池?zé)o論是耐用性表現(xiàn),還是面對(duì)極端氣候的穩(wěn)定性都不錯(cuò),隨后,在波音、通用汽車和NASA的共同努力下,氫燃料電池最終被移植到一輛月球車當(dāng)中,跟隨阿波羅15號(hào)計(jì)劃成功登陸月球表面。
1966年1月,氫燃料電池首次應(yīng)用在了汽車上。通用汽車的250名工程師研發(fā)出了世界上第一輛氫燃料電池車“Electrovan”。這臺(tái)“Electrovan”僅有5KW的輸出功率,但卻能提供113km/h的最高時(shí)速。當(dāng)時(shí)它充滿氫燃料后的單次續(xù)航能力可達(dá)193km。現(xiàn)在來看它的水平也就勉強(qiáng)戰(zhàn)平一輛老年代步車。但在50多年前,這樣的新能源技術(shù)代表著世界最先進(jìn)水平。
進(jìn)入上世紀(jì)70年代以后,隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù),很快,氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。波音公司于2008年4月3日成功試飛一架以氫燃料電池為動(dòng)力源的小型飛機(jī)。
在氫燃料電池車研發(fā)成功的半個(gè)世紀(jì)之后,2014年,豐田推出了首輛氫燃料電池轎車Mirai,標(biāo)志著氫燃料電池汽車技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大進(jìn)步,氫燃料電池汽車的技術(shù)已經(jīng)從基礎(chǔ)研究、樣車示范進(jìn)入工程化、商品化發(fā)展階段。2015年,豐田Mirai正式進(jìn)入量產(chǎn)階段,走向普通消費(fèi)者。
門檻逐步降低,5毛錢氫氣跑一公里
作為氫燃料電池車的動(dòng)力來源,氫氣的制備和獲得比汽油又如何呢?
目前氫氣制作有很多方法,但比較常用的方法依舊是煤制氫、天然氣制氫、電解水、頁巖氣制氫。其中美國(guó)廉價(jià)頁巖氣制氫成本控制比較好,歐洲挪威、瑞典等國(guó)家利用風(fēng)能、太陽能制氫,日本藍(lán)色能源公司采用生物制氫。
風(fēng)能制氫以及太陽能制氫雖然不能普及,但是由于氫氣比電池?fù)碛懈L(zhǎng)的保存期限,所以挪威、瑞典等歐洲國(guó)家季節(jié)性的制氫儲(chǔ)存,比如挑選風(fēng)較大、陽光充沛的季節(jié)制氫保存,以待不時(shí)之需。
煉油廠、鋼鐵廠也會(huì)產(chǎn)生大量氫氣,在產(chǎn)能充足的情況下也會(huì)外售。比如,澳大利亞國(guó)內(nèi)盛產(chǎn)褐煤,這是一種帶有水分的煤炭,不易出口,容易自燃?；鹆Πl(fā)電多以煙煤為主,在此情況下,日本川崎重工在當(dāng)?shù)亻_設(shè)工廠用褐煤制氫,然后用液態(tài)氫的方法運(yùn)輸?shù)饺毡緡?guó)內(nèi)。澳大利亞對(duì)二氧化碳排放要求比較嚴(yán)格,川崎重工則利用二氧化碳捕獲和封存技術(shù),把這些二氧化碳貯存在海洋深處開發(fā)天然氣遺留下的洞穴內(nèi)。川崎重工也與俄羅斯展開合作,利用俄羅斯的剩余電能進(jìn)行能量存儲(chǔ)進(jìn)口到日本國(guó)內(nèi)。
目前看來,歐洲氫能源發(fā)展規(guī)模最大,其次是美國(guó)和加拿大,再其次是日本,但日本的比例最大。從經(jīng)濟(jì)性來看,液化氫在日本的零售價(jià)格約為70元/公斤,車身內(nèi)部的存儲(chǔ)罐可以存放大約5公斤的氫燃料,也就是加滿一次需要大約人民幣350元。按照續(xù)航里程700公里來計(jì)算,Mirai的使用成本大約為每公里0.5元。從車輛本身的性能數(shù)據(jù)來看,如今的氫燃料電池汽車已經(jīng)有了翻天覆地的變化。
加氫站成本高昂,大規(guī)模應(yīng)用還需時(shí)日
豐田從上世紀(jì)90年代開始,截止2017年5月,包括量產(chǎn)車和四代概念車在內(nèi),已經(jīng)在氫燃料電池技術(shù)上申請(qǐng)了15867個(gè)專利,涵蓋了燃料電池堆專利、高壓儲(chǔ)氫罐專利、燃料電池系統(tǒng)控制專利以及加氫站技術(shù)等,建立了氫燃料電池方面獨(dú)一無二的技術(shù)壁壘,成為氫燃料電池汽車領(lǐng)域的巨人。
按理說氫燃料汽車排放出來的只有水蒸氣,可以說是零排放,且一次加氫續(xù)航里程長(zhǎng),加氫時(shí)間短,燃料價(jià)格相對(duì)便宜,使用起來相當(dāng)于汽油車。擁有這么多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)該受消費(fèi)者熱捧才對(duì)。但從市場(chǎng)的接受程度來看,氫燃料電池車似乎跟50年前沒什么區(qū)別。目前選擇氫燃料電池技術(shù)路線的車企屈指可數(shù),除了豐田之外,只有寶馬、現(xiàn)代、本田等少數(shù)幾家。
這又是為什么呢?
其中的原因就在于氫燃料電池汽車售價(jià)昂貴、氫氣的制儲(chǔ)運(yùn)以及加注成本高、加氫站設(shè)施的不完善,消費(fèi)者對(duì)于其安全性的擔(dān)憂,多方面嚴(yán)重制約著氫燃料汽車的商業(yè)化以及大范圍推廣普及?！?/div>
就拿基礎(chǔ)設(shè)施修建成本來說,一座特斯拉超級(jí)充電站的修建成本大約為200多萬元人民幣,而一座加氫站的成本卻高達(dá)2000多萬元人民幣,成本高昂。這些費(fèi)用最終還會(huì)返回到車主身上。
再以豐田Mirai為例,通過嚴(yán)格的成本管理控制,豐田將一臺(tái)成本堪稱天價(jià)的概念車,做到了量產(chǎn)價(jià)只需要不到人民幣40萬元(補(bǔ)貼前),在日本最終補(bǔ)貼完之后,實(shí)際售價(jià)為人民幣26萬元。這對(duì)于其他廠家來說在技術(shù)上完全領(lǐng)先了不止一代。但同類車型相對(duì)于燃油車10萬元左右的價(jià)格仍不便宜。
此外,氫燃料車目前還有一個(gè)亟待解決的難題,就是電池反應(yīng)堆中的催化劑必須是貴金屬——鉑,沒有其他材料可替代。鉑金產(chǎn)量很低,全世界一年共生產(chǎn)200噸,百分之六七十用于做首飾和裝飾品,只有一部分鉑金是做催化劑的,價(jià)格大概是黃金的4倍。
鉑金作為催化劑對(duì)氫的純度要求極高(99.99%),一旦與空氣中的一氧化碳、二氧化硫等接觸,就會(huì)“中毒”,催化效果就會(huì)大大降低,在空氣質(zhì)量差的地方,只有帶上壓縮純氧才能上路。雖然豐田對(duì)其進(jìn)行了電鍍處理,降低了90%的鉑使用量,但一輛車仍至少需要15克鉑才能運(yùn)行,成本也是居高不下。
困難雖然不少,如果氫燃料電池汽車計(jì)劃成功,那么這將是一場(chǎng)足以改變歷史的變革,就像一百年前從馬車和煤炭過渡到汽車和汽油一樣。
