氫燃料電池才是真正的 “黑科技”
時間:2018-10-11 10:56來源:智通財經網 作者:綜合報道
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不止比亞迪，據了解，國內企業濰柴動力(02338)、長城汽車(02333)等，都先后布局氫燃料電池，日本豐田更是早在1992年就開始了氫燃料電池汽車的研究。今年5月份，李克強總理參觀豐田汽車北海道廠區時，就表達出對研發氫燃料電池汽車的強烈意愿。
那么這個氫燃料電池究竟是怎樣的“黑科技”，讓各大汽車廠商接踵而至？而又是什么原因，讓氫燃料電池汽車上路的腳步備受考驗？
氫燃料電池：新能源終極解決方案？
當前市場上的動力電池，鉛酸電池是大頭，再者是鋰電池，燃料電池只有極小一部分。
燃料電池是不是新能源的終極解決方案，下面用一些簡單的數據回答一下。
鉛酸電池和鋰電池都屬儲能電池(二次電池)，即需要先充電再放電，其本質為可逆的金屬元素的氧化還原反應。拿鉛酸電池來說(下圖)，左到右為放電過程，右到左為充電過程，由電子守恒可知該反應為2電子反應。鋰電池原理類似，只不過是單電子轉移反應。
從元素周期表可知，鉛相對分子質量為207.2，鋰為6.9，也就是說每轉移一個電子，需要的鉛和鋰分別為103.6和6.9。
我們再看看一下氫燃料電池，其基本反應過程如下圖，在陽極和陰極分別加入氫氣和氧氣(空氣)，在催化劑的作用下發生反應并放電。有反應式可知每個氫原子可轉移一個電子，反過來說轉移一個電子需要的氫為1。
經智通財經對比，發現氫燃料電池轉移一個電子比鉛酸電池和鋰電池需要的質量更小，簡單地說，就是能量密度更大。從下表也可以看出，氫能的能量密度占據絕對優勢。
事實上還遠不止如此。由于在實際反應中，電池的能量轉換會有損耗，二次電池的充放電過程相對燃料電池的直接放電損耗更嚴重。由于不受卡諾循環限制，燃料電池理論能量轉化效率可達90%以上，實際效率可達到60%。
在實際應用過程中，氫燃料電池也有儲能電池不可比擬的優勢，即“充氣五分鐘，續航一千里”，充氫5分鐘可行駛500公里，而儲能電池此時還趴在充電樁吸取能量。
理論上，氫燃料電池集合了汽油車的高能量比、即充即走，以及超越儲能電池的高能量轉換效率、無污染的優點，可謂新能源車的終極解決方案。
既然優點這么多這么明顯，然而為什么氫燃料電池汽車還未大規模上路？這就不得不說說氫燃料電池車上路的幾個“絆腳石”了。
氫燃料電池車的挑戰是什么？
首先，一輛車想上路，絕對不僅僅只是一輛車自己的事情，它涉及到氫氣的制取——儲運——加氫站——汽車充氫，同樣燃料電池系統的組裝需要電極板、電解質、交換膜、催化劑、擴散層等部件。
那么問題就來了，氫氣要怎么制取？目前主流的制氫方式有煤制氫、氯堿副產物制氫、電解水制氫等，這個弊端還是很明顯的。
智通財經分析認為，先不說煤制氫將煤中的化學能多了幾道程序，如果氫氣不純含有二氧化碳或者一氧化碳，很容易將電池的催化劑毒化。氯堿副產物制氫依賴于工業品生產布局，不適于大規模推廣。電解水制氫也是走了其它能源——電能——化學能——電能的長路子，不過如果初始能源是清潔能源如風能、太陽能還好，如果是其它形式能量則就得不償失了。
另外，氫氣為氣體，其體積密度極小，這為儲存運輸帶來了很大的困難。一是儲存能量比低，一是安全性差。再加上目前加氫站布局又少，這就很難受了。
從電池本身來說，高成本、“敏感體質”都讓這位顯得有些高冷。目前氫燃料電池的催化劑主要使用鉑，雖然也有關于其它催化劑的研究，但奈何鉑還是性能最好的，不得不用。而且催化劑、交換膜都顯得有些“嬌氣”，一鬧脾氣就容易生病甚至罷工。
既然問題重重，為什么還要研發氫燃料電池呢？
堅持研發，只因機遇在這里
最大的困難不是它本身，而是不知道困難在何處。如果能看到難點在哪里，辦法總比困難多。
針對制氫問題，由于太陽能、風能發電等具有不穩定性，所以目前的措施是將電能儲存起來，而實際上將這些電能直接進行電解水制氫也是一種良策，這樣便形成了太陽能/風能——電能——氫能——電能的轉化路徑，全程無污染，還能充分利用太陽能和風能。
至于氫氣的儲存運輸，目前的碳纖維+凱夫拉復合材質的儲氣罐儲氣壓力可達70MPa，針對整車儲氫，豐田Mirai之父田中義和設計的特殊泄壓閥以及考慮碰撞保護的車身設計，大大提升了車身儲氫的安全性。
而“加氫難”的問題也將隨著加氫站的布局得到解決。智通財經了解到，由于日本在氫燃料電池汽車方面走在前列，加氫站的布局也較密集。而國內的加氫站也在漸漸增加，東莞2016年就啟動了百億氫產業發展基金，今年8月份佛山市8座加氫站項目聯合動工。
由于技術的進步，目前燃料電池的鉑負載量已經大大降低。據了解，目前國內每千瓦的鉑用量大概0.3g，而國際先進水平可達0.06g以下。豐田Mirai使用經過多次優化的鉑-鈷-碳復合材料，單車鉑用量降低到了20g，且具備相當程度的可回收性。而質子交換膜的性能也隨著優化逐漸提升，氣體擴散層可對電池進行有效水管理解決水淹問題。
所以，存在的各種問題已經在解決或改進中，眼前可能呈現的機遇越來越多。
在新能源電動汽車補貼退坡背景下，國家對燃料電池的補貼不降反升。長城汽車在去年底就宣布進軍氫燃料電池車，計劃2022年推首款車型。濰柴動力董事長譚旭光7月底公開表示，將以濟南為主，推動2000輛城市公交車的氫燃料發動機的落地。
比亞迪表示，不僅已經開始了氫燃料電池的研發，對于其它前沿電池技術也有研究，并會根據未來技術和市場因素做及時的調整和布局。
智通財經認為，要正視眼前的局勢，雖然這是“鉛酸當頭，鋰電正興”的時代，但兩者存在的問題卻不容忽視。氫燃料電池作為新能源的一員，在理論技術上是一大突破。即便還不成熟，但堅定信心提前布局，也許你就是第一個吃到螃蟹的人。
(責任編輯：子蕊)
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