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氢燃料电池才是真正的 “黑科技”

来源:百度新闻 时间:2018-10-11 00:19:55 编辑:河北省 浏览:35 手机版

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近日,比亚迪(01211)向投资者透露正在研究氢燃料电池。实际上,今年5月份比亚迪就已经与美国混合动力公司达成协议将合作研发氢燃料电池客车。

不止比亚迪,据了解,国内企业潍柴动力(02338)、长城汽车(02333)等,都先后布局氢燃料电池,日本丰田更是早在1992年就开始了氢燃料电池汽车的研究。今年5月份,李克强总理参观丰田汽车北海道厂区时,就表达出对研发氢燃料电池汽车的强烈意愿。

那么这个氢燃料电池究竟是怎样的“黑科技”,让各大汽车厂商接踵而至?而又是什么原因,让氢燃料电池汽车上路的脚步备受考验?

氢燃料电池:新能源终极解决方案?

当前市场上的动力电池,铅酸电池是大头,再者是锂电池,燃料电池只有极小一部分。

燃料电池是不是新能源的终极解决方案,下面用一些简单的数据回答一下。

铅酸电池和锂电池都属储能电池(二次电池),即需要先充电再放电,其本质为可逆的金属元素的氧化还原反应。拿铅酸电池来说(下图),左到右为放电过程,右到左为充电过程,由电子守恒可知该反应为2电子反应。锂电池原理类似,只不过是单电子转移反应。

从元素周期表可知,铅相对分子质量为207.2,锂为6.9,也就是说每转移一个电子,需要的铅和锂分别为103.6和6.9。

我们再看看一下氢燃料电池,其基本反应过程如下图,在阳极和阴极分别加入氢气和氧气(空气),在催化剂的作用下发生反应并放电。有反应式可知每个氢原子可转移一个电子,反过来说转移一个电子需要的氢为1。

经智通财经对比,发现氢燃料电池转移一个电子比铅酸电池和锂电池需要的质量更小,简单地说,就是能量密度更大。从下表也可以看出,氢能的能量密度占据绝对优势。

事实上还远不止如此。由于在实际反应中,电池的能量转换会有损耗,二次电池的充放电过程相对燃料电池的直接放电损耗更严重。由于不受卡诺循环限制,燃料电池理论能量转化效率可达90%以上,实际效率可达到60%。

在实际应用过程中,氢燃料电池也有储能电池不可比拟的优势,即“充气五分钟,续航一千里”,充氢5分钟可行驶500公里,而储能电池此时还趴在充电桩吸取能量。

理论上,氢燃料电池集合了汽油车的高能量比、即充即走,以及超越储能电池的高能量转换效率、无污染的优点,可谓新能源车的终极解决方案。

既然优点这么多这么明显,然而为什么氢燃料电池汽车还未大规模上路?这就不得不说说氢燃料电池车上路的几个“绊脚石”了。

氢燃料电池车的挑战是什么?

首先,一辆车想上路,绝对不仅仅只是一辆车自己的事情,它涉及到氢气的制取——储运——加氢站——汽车充氢,同样燃料电池系统的组装需要电极板、电解质、交换膜、催化剂、扩散层等部件。

那么问题就来了,氢气要怎么制取?目前主流的制氢方式有煤制氢、氯碱副产物制氢、电解水制氢等,这个弊端还是很明显的。

智通财经分析认为,先不说煤制氢将煤中的化学能多了几道程序,如果氢气不纯含有二氧化碳或者一氧化碳,很容易将电池的催化剂毒化。氯碱副产物制氢依赖于工业品生产布局,不适于大规模推广。电解水制氢也是走了其它能源——电能——化学能——电能的长路子,不过如果初始能源是清洁能源如风能、太阳能还好,如果是其它形式能量则就得不偿失了。

另外,氢气为气体,其体积密度极小,这为储存运输带来了很大的困难。一是储存能量比低,一是安全性差。再加上目前加氢站布局又少,这就很难受了。

从电池本身来说,高成本、“敏感体质”都让这位显得有些高冷。目前氢燃料电池的催化剂主要使用铂,虽然也有关于其它催化剂的研究,但奈何铂还是性能最好的,不得不用。而且催化剂、交换膜都显得有些“娇气”,一闹脾气就容易生病甚至罢工。

既然问题重重,为什么还要研发氢燃料电池呢?

坚持研发,只因机遇在这里

最大的困难不是它本身,而是不知道困难在何处。如果能看到难点在哪里,办法总比困难多。

针对制氢问题,由于太阳能、风能发电等具有不稳定性,所以目前的措施是将电能储存起来,而实际上将这些电能直接进行电解水制氢也是一种良策,这样便形成了太阳能/风能——电能——氢能——电能的转化路径,全程无污染,还能充分利用太阳能和风能。

至于氢气的储存运输,目前的碳纤维+凯夫拉复合材质的储气罐储气压力可达70MPa,针对整车储氢,丰田Mirai之父田中义和设计的特殊泄压阀以及考虑碰撞保护的车身设计,大大提升了车身储氢的安全性。

而“加氢难”的问题也将随着加氢站的布局得到解决。智通财经了解到,由于日本在氢燃料电池汽车方面走在前列,加氢站的布局也较密集。而国内的加氢站也在渐渐增加,东莞2016年就启动了百亿氢产业发展基金,今年8月份佛山市8座加氢站项目联合动工。

由于技术的进步,目前燃料电池的铂负载量已经大大降低。据了解,目前国内每千瓦的铂用量大概0.3g,而国际先进水平可达0.06g以下。丰田Mirai使用经过多次优化的铂-钴-碳复合材料,单车铂用量降低到了20g,且具备相当程度的可回收性。而质子交换膜的性能也随着优化逐渐提升,气体扩散层可对电池进行有效水管理解决水淹问题。

所以,存在的各种问题已经在解决或改进中,眼前可能呈现的机遇越来越多。

在新能源电动汽车补贴退坡背景下,国家对燃料电池的补贴不降反升。长城汽车在去年底就宣布进军氢燃料电池车,计划2022年推首款车型。潍柴动力董事长谭旭光7月底公开表示,将以济南为主,推动2000辆城市公交车的氢燃料发动机的落地。

比亚迪表示,不仅已经开始了氢燃料电池的研发,对于其它前沿电池技术也有研究,并会根据未来技术和市场因素做及时的调整和布局。

智通财经认为,要正视眼前的局势,虽然这是“铅酸当头,锂电正兴”的时代,但两者存在的问题却不容忽视。氢燃料电池作为新能源的一员,在理论技术上是一大突破。即便还不成熟,但坚定信心提前布局,也许你就是第一个吃到螃蟹的人。

(文章来源:智通财经网)

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