侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

氢燃料电池车发展现状及展望

2017-06-22 00:15
林契于宸
关注

●激发氢能的巨大潜力

氢能作为燃料电池的“燃料”,非常重要,一定要先行一步。

氢作为一种无色、无味的气体,广泛的分布于地球的地表、地幔、地核和大气层中,是宇宙中最为重要,质量最轻,最为清洁、最为丰富元素之一。

氢主要以化合物形式生存,最突出表现是水,氢占水总质量1/9,如果用电解水制氢,能量密度很高,其效率可达80%;氢还生存于一些矿物质中,如绿柱石,锂电气石,顽火辉石的结构中,多以极少量气态生存;氢还分布于地球不同气层中,含量随高度不同,也有少量的氢气存在;更有趣的是氢气还是生命组成的一种元素,在人体中有81种元素,氢占10%,仅次于氧和碳,居第三位,所以氢也可称得上一种有机物的物种。

氢还有一个重要作用,即氢的同位素将对正在开发和试验的核聚变电站提供基础原料,我们曾用“氕”表示氢,它的同位素“氘”“氚”,也叫重氢,资源极为丰富,而且无辐射危险。大家都知道,人们先发明原子弹,后来又发明氢弹,实际上是核裂变和核聚变的理念和应用的革命性变化。欧盟认为到2035年核聚变电站可以投入商业化应用,我国专家认为到2040年有可能投入应用,目前我们和美、英、法、日、德等国家已多年组成联盟,共同开发核聚变电站。可以预言如果核聚变电站投入应用,那时用电几乎不用花钱,太便宜了,而且很安全,没有放射性,非常干净、无害,被称为“仿造太阳的工厂”。

氢在人为状态下形成三种形态:气体氢:这已成为氢的常态,是衡量氢物理和化学质量的标准形态;液态氢:目前多用高冷却方法形成的,要在零下253℃时,可促使氢液化,如现在太空火箭上的推动燃料就是用液态氢;固态氢:在超高压下,促使液氢向具有导电金属特性的固态氢出现,所以也叫金属氢,它具有很好的超导性和超级能量,在航天、航空和军工上有特殊用途,民用工业也有很好用途。

氢的备制历史也是很长,而且方法非常多样化,因时因地而宜,同时要求要不断改进创新之中。有电解水制氢、水煤气法制氢,、石油热裂合成和天然气热合成制氢、焦炉和煤气冷冻制氢,电解食盐水的副产氢、酿造工业发酵制氢、甲醇裂解吸附制氢、铁与水蒸气反应制氢等。当代比较新的制氢方法,如生物质制氢,微生物酶制氧、海水淡化制氢,可再生能源,如风能、太阳能、水能、地热能、海洋能发电制氢,如我国已建成海水淡化工程103个,总规模90万吨/日,并推广淡化水制氢示范工作。

氢的储存,包括民用和工业用气源以及交通工具,如FCEV气源的存储方式,有加压气态储存,目前国际上FCEV储氢罐压力达70Mpa已比较常用;液态储氢,对储氢罐技术要求高,罐内温度和外面温度相关很大,内部容器构造复杂,防止产生热漏,在FCEV上也有选用;金属氢储存是应用氢和多种不同金属化合之后生成金属氢化物,如铝、钒、镁、稀土系等,这种方法具有较大储氢容量,单位体积储氢密度好,储氢循环寿命长,成本低;还有非氢化物储存,如氮、硼、硅、甲醇等氢寄存其中,当化合物化解时放出氢,比较新型的纳米碳储氢,在碳微孔中存储大量氢,是一种有前景的储氢手段,还有碳纳米管电化储氢,已证实具有较高储氢量,具有良好应用前景,在FCEV都在选择之中。

氢气输送和加注。氢的运输对气态和液态已经实现大规模应用。由于用户和要求不同,氢气可以用管网,也可与天然气输送管共用,还有通过储氢容器装在车、船上,管网适应于量大的需求,船运、车运则适应分散的场合。

当前,对FCEV推广来说主要是建设加氢站问题。世界上第一座FCEV加氢站是1999年5月在德国慕尼黑机场建成。目前国际上已有加氢站主要以水电解制氢为主,少部份采用天然气水蒸气重整制氢,也有的是运氢到加氢站的。到2016年1月全球已设立290座,其中日本28座、欧洲97座、美国75座、韩国80座、中国4座、澳大利亚1座。中国加氢站分布在北京、上海、广州、郑州,今后将会在FCEV示范区建设加氢站,2017年中科院大连化物所与同济大学发明以风能与太阳能结合制氢的加氢站,每日可供200台FCEV续程800公里的需求。美国海德利森已到国内设立移动式加氢站业务,寻求合作建氢站。预计到2020年全球将出现5200座加氢站,比目前的增长18倍,以适应发展FCEV的需求。

据Persistence市场研究公司预测,到2020年全球氢气需求量将从2013年的2553亿立方米,增加到3248亿立方米,增长27%,其中特别是中国,将是全球氢能需求和生产第一大国。

氢能有这么多优势,但人们对氢能安全仍有担心,认为氢能属于一种易燃爆气体,特别是扩散度相当的快,当和空气接触时,形成混合气体,燃爆极限更宽。为此我专门请教了有关专家,得到答案,是认为氢气燃烧时容易快速喷发,但属直线式形态而逃逸,不像汽柴油那样燃烧后,不易疏散滞留性大,停留散发在原地带,所以氢燃烧危险不比汽柴油燃烧高,同时近来人们对氢的制备整个过程的泄漏、静电、电气防爆、脆化等不安全因素,大力进行改进,在实用中已取得比较好的安全验证。如本田2017年的Clarity已开始在日本本土和美国出售,燃料电池的3个储存罐嵌在底盘架上,这样虽然对车辆底部振动,环境恶劣,容易受碰撞,他们认为在技术上已得到反复测试可以放心使用,而客车多把氢罐放在车顶,出事故时对车内影响不大。但车企认为尽管有了这些安全举措,对氢能安全问题仍不能自满,仍作为全产业链的安全举措,持续不断改进,不断提升安全可靠的水平。

●围剿燃料电池系统的瓶颈

燃料电池作为FCEV的动力是其核心组成部分,某种程度说燃料电池的创新水平,将决定着FCEV的产业化历程。

有人以为燃料电池以“燃”字当头,是否由于燃烧资源而获取能量的,其实不是,燃料电池是依赖其装置中的氢气和吸取空气中的氧气,通过化学反应直接转化为电能的发电装置。

当代,燃料电池按照其电解质,工作温度和不同用途,划分为五种类别产品。即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、和质子交换膜燃料电池(PEMFC),在FCEV上几乎全部应用质子交换膜燃料电池。这是因为:它的热质量效率高,在理论上达83%,实际上已接近70%,它的电堆层面均是固体结构,在车载各种条件下,和整车相应结构变形时,不受振动因素影响;它相对于其他燃料电池的工作温度是最低的,处于40-80℃之间,对车辆的环境适应性好;多少年来的创新努力,其关键的材料和零部件质量与水平已取得突破性进展,应用条件趋于成熟,成本大大下降,很有利于产业化发展。

对PEMFC来说当前最为突出的核心技术。如碳载体的催化剂是构成燃料电池应用的离子导电性,电池密度强度,电化学的效率和稳定性,以及电堆寿命有着很大关系,而催化剂上多用贵金属,如铂、钌,开始时,这已是四、五十年前时候,铂用量是5mg/cm2,到上世纪90年代降到0.5mg/cm2,当前更进一步的降到0.2mg/cm2,日本业界称他们的PEMFC铂用量可降至0.1mg/cm2,这已和内燃机排放三元催化器铂用量相等同,近来美国业界称拟研发不用贵金属,用一种石墨烯或二硫化钼材料替代,成本可大量下降,对产业化应用很必要;如质子交换膜,在电化学的应用上和催化剂性质有很多相同之处,同样构成关键因素,它和其他燃料电池的电源隔膜很大不同,它不只是一种隔膜材料,更是电解质和电极活性物质的基底,通常的电池隔膜是属于多孔的,而质子交换膜是一种可选择性透过膜,几乎为国际上膜企业所垄断。近日开展的汽车论坛上,专家认为我国对质子交换膜燃料电池有了很大进步,但关键材料和零部件的国产化率还低,现在在50%左右,力争2020年达到70%,我们在一些关键的材料和零部件上还处于“新手”状况,急需提升。

当前我们的FCEV已经历了不短时段坚苦努力,在科技上有了很大进步,但在产业总体上仍处于萌芽状况,专家认为不要再犯慢步走毛病,跟随着、分散化、同质化老毛病,则有可能会陷入“中等收入陷阱”中,这样可能对FCEV发展很不利。为此我们要认真学习习总书记关于科技转化为生产力的重要论述。习总书记说“我们必须认识到,从发展主导国家命运的决定 性因素是社会生产力,和劳动生产率,只有不断的进行科技创新,不断的解放社会生产力,不断的提高劳动生产率,才能实现经济社会持续健康的发展,避免陷入“中等收入陷阱”。这很深切的告诉我们,创新科技目的是要加快转化为社会生产力。为了加速发展我们的FCEV事业,必须紧紧抓住科技创新的“牛鼻子”,从氢能和燃料电池的核心带,从FCEV整体的产业链特色和国情出发,大力加强科技创新驱动力,大力加强对材料和核心零部件的基础研究和应用,使之尽快尽好的把科技转化为社会生产力和社会劳动生产率上,这也可以说是实行FCEV发展供给侧结构性改革的一个关键点。

这样,我们设想是参照电动车“三纵、三横技术路线”,进一步实施“三纵、三横、三平台的FCEV产业化路线”上。更多的从商业模型,也可能说是系统工程模型上,思考FCEV的战略、策略,从整体上有效控制和实施FCEV产业化发展的路线图。

这里“三纵”是指:纯氢能燃料电池汽车,甲醇燃料电池汽车和氢电混合燃料电池汽车,这是当前构成FCEV的基本结构车型;“三横”是指:质子交换膜燃料电池系统,电控及安全控制系统和关键材料和零部件系统,这是构成FCEV核心技术运作方向和基础研发和应用的要害;“三平台”是指:国家政策引导和支持平台、新型FCEV整体设计和智能化融合发展平台和社会基础设施和服务平台。在FCEV初期平台,作用至关重要,是FCEV走向规范化发展内涵的重大要素,这样“三纵、三横、三平台”构成了新型FCEV产业化系统工程架构,具有综合、生态、包容、开放、融合、可控、集成、动态、重组、突变的能力,对建立FCEV的实体经济实力,建设自主品牌力,提高国际竞争力具有现实的可操作指导意义。

<上一页  1  2  3  下一页>  
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号