燃料電池是汽車能源的終極解決方案?
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-02 11:30
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我們?nèi)粘＝佑|到的主要儲(chǔ)能單元都是以化學(xué)能的方式保存的，通過(guò)氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、電能、機(jī)械能等等。無(wú)論是煤炭、汽油、天然氣的燃燒，或是電池中電子從負(fù)極出發(fā)經(jīng)過(guò)負(fù)載到達(dá)正極，本質(zhì)上都是氧化還原反應(yīng)。
既然能量轉(zhuǎn)化的是以電子移動(dòng)做功的形式產(chǎn)生的，那么理論上同等重量或體積的物質(zhì)擁有的可移動(dòng)電子越多越適合做為儲(chǔ)能載體。而采用能量密度高的載體則汽車可以以最小的載重獲得更久的續(xù)航里程。
因此我們會(huì)為質(zhì)量輕、有可移動(dòng)電子、且非惰性的元素設(shè)計(jì)一套“可控的”、“氧化還原反應(yīng)”機(jī)制成為我們的能源解決方案。
查看元素周期表我們初步可以發(fā)現(xiàn)，在元素周期表前幾行的輕原子比較符合要求，去掉惰性元素、有毒有害、以及氧化劑（氧元素），則剩下氫（H）、碳（C）、鋰（Li）、鈉（Na）等。
在實(shí)際生活中我們采用的大多數(shù)能量載體也正如分析結(jié)果所示，如煤炭、汽油、天然氣等都是碳?xì)浠衔铩Ｆ偷哪芰棵芏燃s12.8 kwh/kg（46 MJ/Kg），煤炭約8.05 kwh/kg（29 MJ/Kg）。而雖然鋰元素能量密度可達(dá)12 kwh/kg，但鋰電池能量密度僅有0.2 kwh/kg（原因稍后分析），由此可見(jiàn)碳?xì)浠衔镆呀?jīng)是自然界中能源載體的較優(yōu)解了。（注：氫氣的能量密度約38.8 kwh/kg）
既然汽油、柴油已經(jīng)是能源方案中比較適合的選項(xiàng)了，為什么還需要尋找新能源替代呢？ 我覺(jué)得主要有三個(gè)原因，前兩個(gè)不用說(shuō)大家想必也了解，化石燃料的不可再生屬性和碳排放引起的環(huán)境問(wèn)題。
第三個(gè)我覺(jué)得是能源利用效率問(wèn)題。內(nèi)燃機(jī)燃燒做工時(shí)的效率往往只有30%，原因在燃燒過(guò)程中的電子移動(dòng)是無(wú)序的，多數(shù)能量以產(chǎn)熱而非做工的形式消耗。而電池在進(jìn)行氧化還原反應(yīng)過(guò)程中的電子移動(dòng)是有序的并形成電流，因此能量利率可達(dá)90%以上。但也正因?yàn)殡姵匦枰３蛛娮右苿?dòng)的有序性，需要構(gòu)建一套反應(yīng)機(jī)制和環(huán)境（如電池中需要有正負(fù)極材料、電解液、隔膜等其他輔助材料）則導(dǎo)致了能量密度極大程度的降低。
因此鋰電池作為汽車能量載體雖然解決了資源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題、能量效率問(wèn)題，但目前鋰電池能量密度低的問(wèn)題始終限制著電動(dòng)汽車完全替代傳統(tǒng)汽車。
燃料電池汽車所需的氫氣屬于二次資源不必有枯竭的擔(dān)憂，同時(shí)氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生水實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力的零排放，并且能源利用效率達(dá)到了65%以上，更為重要的是有著非常高的能量密度和快速補(bǔ)給能力（3分鐘即可完成燃料加注），以上四個(gè)方面都較為理想的解決了現(xiàn)有儲(chǔ)能原料存在的不足，因此有觀點(diǎn)認(rèn)為燃料電池技術(shù)將是汽車能源的終極解決方案。
1.燃料電池原理及系統(tǒng)架構(gòu)
燃料電池技術(shù)原理如下圖所示：氫氣與空氣中的氧氣在催化劑（Pt）的作用下進(jìn)行氧化還原反應(yīng)反應(yīng)從而產(chǎn)生電流。為確保電堆的有效工作燃料電池系統(tǒng)需要構(gòu)建一整套能量循環(huán)系統(tǒng)，主要包括：空氣循環(huán)、氫氣循環(huán)、冷卻循環(huán)、以及電路循環(huán)。
氫氣噴射器：根據(jù)輸出電流調(diào)節(jié)氫氣壓力；
氫氣循環(huán)泵：調(diào)節(jié)不同電流下的氫氣回流量；
空氣過(guò)濾器：過(guò)濾空氣中的粉塵，花粉，細(xì)菌等;
空壓機(jī)：壓縮空氣體積，增加氣體壓力；
增濕器：增加氫氣和過(guò)濾后空氣的濕度；
燃料電池電堆：整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，根據(jù)功率大小，由多片單池串聯(lián)而成一個(gè)電堆；
冷卻系統(tǒng)：通過(guò)水泵將電堆反應(yīng)產(chǎn)生的熱帶出，通過(guò)散熱風(fēng)扇散熱；
DC/DC：將燃料電池的輸出電壓調(diào)整到需要的電壓值；
同時(shí)為了測(cè)量系統(tǒng)的物理量需要安裝不同的傳感器：空氣的流量傳感器和壓力傳感器；氫氣的壓力傳感器；空壓機(jī)的電流、電壓傳感器；冷卻系統(tǒng)的壓力和溫度傳感器；電堆的電流和電壓傳感器。將燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用在交通工具上時(shí)，需要輔助的電力存儲(chǔ)設(shè)備用來(lái)防止燃料電池電壓突跳和制動(dòng)能量回收。
因此鋰離子動(dòng)力電池配合燃料電池的混動(dòng)方案可能是未來(lái)的趨勢(shì)之一，在不便于補(bǔ)充氫氣時(shí)可通過(guò)充電補(bǔ)充能量，在需要長(zhǎng)距離行駛時(shí)加注氫氣可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離出行的要求。
2.當(dāng)前限制燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)燃料電池技術(shù)的研究都在進(jìn)行中，燃料電池汽車目前依然以示范運(yùn)行為主，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的卻不多。限制其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸大致可分三個(gè)方面：
1）技術(shù)成熟度
2）成本可接受度
3）配套設(shè)施普及程度
燃料電池壽命通過(guò)近些年的發(fā)展已經(jīng)有了顯著的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)從此前從幾百小時(shí)延長(zhǎng)至了5000小時(shí)，國(guó)外有些企業(yè)做到了10000小時(shí)的使用壽命。但距離25000小時(shí)的耐久性目標(biāo)依然有很長(zhǎng)的路要走。同時(shí)在低溫性能、電池活性的一致性控制等方面還存在未解決的技術(shù)問(wèn)題。
同時(shí)燃料電池系統(tǒng)造價(jià)高，系統(tǒng)主要由電堆、供氣及冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，其中電堆的成本約占總成本的60%。
電堆主要材料有質(zhì)子交換膜、雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化劑。其中催化劑成本占比最高（約50%），作為催化劑的鉑暫時(shí)還沒(méi)有找到低成本的替代品。再加之目前產(chǎn)量達(dá)不到規(guī)模效應(yīng)的作用，電控、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的成本也高居不下。
同時(shí)目前城市中缺乏燃料電池汽車所需的加氫站、制氫廠等配套設(shè)施。在10年前電動(dòng)汽車推向市場(chǎng)是也遇到類似問(wèn)題，在先有電動(dòng)車還是先有充電樁的困境中進(jìn)展緩慢。
