氫燃料電池汽車的前景優(yōu)勢及難點

氫燃料電池汽車的前景、主要優(yōu)勢及發(fā)展難點氫燃料電池汽車的前景氫燃料電池（電動）汽車的關鍵所在和奧秘之處，在于它的動力來源—氫燃料電池近乎完美和非常理想的工作原理與機制，它名義上叫“電池”，而實質上是一種基于化學原理，將作為“燃料”（并沒燃燒）的氫氣和空氣中的氧化劑反應生成化學能轉換為電能的發(fā)電裝置—氫氣發(fā)電機。燃料電池早期主要應用于航天和軍事目的，后來，鑒于其巨大的潛在優(yōu)勢和應對日趨嚴重的交通環(huán)境污染，人們有研究將它應用于汽車動力裝置，經(jīng)過這數(shù)十年科學家和科技人員扎扎實實的埋頭探索和反訴試驗研究，如今，世界上氫燃料電池汽車的技術進步飛快，成果顯著，大大超出了許多人的預想，已經(jīng)展現(xiàn)出光明的發(fā)展前景。在電動汽車依舊燒車的關鍵技術障礙久攻不下的困擾下，氫燃料電池汽車的確給人們來帶一種“眼前一亮”的感覺。在世界汽車工業(yè)界多年艱難嘗試了多種新能源汽車技術方案后，依據(jù)氫燃料電池汽車表現(xiàn)出來的無與倫比的卓越環(huán)保性和高能效，再參照對全球正在醞釀興起的第三次工業(yè)革命的預判，學界有人斷言，氫燃料電池汽車很可能是世界汽車的最終發(fā)展目標和新能源汽車終極解決方案。該項革命性的技術成果對人類未來經(jīng)濟社會將產(chǎn)生重大影響和廣闊的發(fā)展前景，已被世界一些具有敏銳眼光的科學家所認識。世界經(jīng)濟論壇新興技術跨界理事會由18位頂尖科學家團隊組成，評選出全球未來最具發(fā)展?jié)摿椖?，諸如無人機、新一代機器人、金屬3D4D打印等十大新興科技，其中，氫燃料電池汽車位居榜首。燃料電池潛在的遠大發(fā)展前景，不僅為汽車業(yè)界人士所認識，而且也受到航空界的青睞，意大利都靈理工學院成功研制出世界首架燃料電池飛機，并在柏林航空展上展出，在此之前，該架飛機已在漢堡試飛成功。在漢諾威工業(yè)博覽會上，德國航空航天中心也展示了其研發(fā)的燃料電池飛機，同樣，鑒于其巨大的優(yōu)越性，燃料電池潛艇也是目前世界各軍事大國研發(fā)的熱點之一。過去，我國很多人的代步工具都是燃油的汽車和摩托車，現(xiàn)在隨著純電動汽車和電動摩托車取代了大部分的位置?；谌剂想姵氐木薮髢?yōu)越性及清潔可再生能源技術的發(fā)展，未來，傳統(tǒng)的蓄電池自行車被氫燃料電池自行車取代。法國就有這么一家公司，推出了世界首款被命名為“阿爾法”的氫燃料電池自行車，首批造了100輛，售價人民幣1.7萬，當然，沒有超過路易威登的自行車，人家那個可要20多萬，不過大批量的生產(chǎn)，售價應該會大幅下降，可能3-5000還是要的。值得我們關注的是，近期國外有關機構已研發(fā)成功可作為手機和電腦電源的燃料電池。如果這種電池也能獲得大量應用，則不僅會促進燃料電池事業(yè)的快速發(fā)展，而且也能大大推動可再生清潔能源的普及和應用。氫燃料電池汽車的主要優(yōu)勢1、基本優(yōu)點裝備以質子交換膜為代表的氫燃料電池汽車主要優(yōu)點很大程度要歸功于燃料電池非常理想的工作原理。至少可以說，它在保持和擴大純電動汽車優(yōu)勢的同時，又擯棄了后者固有的缺陷和不足。極好的環(huán)保性。我們就拿豐田MIRAI而言，在行駛過程中，只排放純凈水而沒有其他任何有害物質，能不能喝我不知道，我不建議你喝；同時，這也符合大自然循環(huán)的規(guī)律。汽車運行工作的副產(chǎn)品—水，雖然以目前的狀況看，汽車使用者還不能直接回收利用，但排入大自然總會還是要被循環(huán)利用的，或者再次電解制氫，或者養(yǎng)些花花草草。從能源的生命周期來看，如果汽車使用的氫燃料是來自工業(yè)廢氣等副產(chǎn)品以及通過可再生清潔能源而取制，那么車輛總的排放污染也是很低，很少的。在雙碳政策和全球環(huán)境衛(wèi)生要求、氣候變化異常等嚴峻的局面下，促使我們現(xiàn)在把發(fā)展新能源汽車的目光聚焦到氫燃料電池汽車上，說到底是更看重其卓越出眾的環(huán)保性。但也因為目前加氫站、氫能源車還不多，成本依舊居高不下。能源效率特別高。從車輛的動力裝置—氫燃料電池的工作原理來看，他產(chǎn)生動力不經(jīng)過熱機的過程，不受熱力循環(huán)限制，基本上沒有熱釋放和熱能的損失。因此，能源的轉換效率可以達到六七成，甚至更高，大致是內燃機的2-3倍，從這個角度來看，大力發(fā)展氫燃料電池汽車也是我國破解能源困局的有效決策和重要舉措了。氫能源資源豐富。作為最小的分子元素，從初中就認知了它，向燃料電池提供的燃料——氫，來源和分布都十分廣泛，從理論上說，在宇宙的質量中都有75%的氫元素。地球上的氫也無處不在，無處不有，制取氫的資源豐富，途徑多樣，有點取之不盡用之不竭的感覺。從實現(xiàn)可采用的技術手段上講，既可以用包括風能、太陽能等清潔可再生能源電解水制氫，也可利用光直接解水制氫，陽光生物（仿造植物光合作用）制氫，或者拿我這種廢物再利用制氫。氫燃料電池汽車乘坐舒適度高。燃料電池汽車與傳統(tǒng)車相比，動力系統(tǒng)不存在機械振動和熱輻射問題，不僅可以保證汽車有關零部件有更長的使用壽命和更高的可靠性，而且汽車運行平穩(wěn)，噪音小，開一天車，腦子也不會嗡嗡的。與純電動汽車相比的獨特優(yōu)點基于燃料電池工作原理的科學、合理性，氫燃料電池汽車就從根本上避免了純電動汽車的若干重大缺陷，例如續(xù)航里程局限和易發(fā)燒的安全隱患等。續(xù)航里程局限小，補充能量快。純電動汽車跑得遠，全靠電池密度和蓄電池儲能給，燃料電池汽車的所謂的“電池”，只發(fā)電，不蓄電，裝在儲氫罐里的氫才是車輛儲存的能量，只要將氫源源不斷地提供給燃料電池，驅動系統(tǒng)就能獲得足夠的電能而驅動汽車行駛。也就是說啊，氫能源電池汽車的續(xù)航里程并不取決于“電池”，而取決于儲氫罐裝多少。有點像我們很多城市跑出租車的CNG汽車。氫能量的密度大約是汽柴油的2-3倍，現(xiàn)在電動車鋰離子的10倍，5公斤的氫儲量可以支持氫燃料電池車跑400公里，而達到相同的里程數(shù)的純電動汽車，電池都半噸重了，相比之下，氫燃料電池車堆則要輕很多，電動車自己帶個半噸重的玩意擱那跑，其實并不合理，也不科學，導致很多汽車續(xù)航達不到實際效果。再說，補充個5公斤的氫氣，那得多快，幾分鐘就直接跑400公里，新能源車，慢充得七八個小時，快充也得30分鐘，跑多遠，你去問問出租車司機就知曉了。通過這種對比，還讓我們看到另外一個問題，就是在推廣普及純電動和燃料電池汽車同時，都需要建設基礎設施的情況下，氫燃料加注站的設置密度要比純電動汽車充電站的設置密度低很多，這將會帶來很大的節(jié)約，產(chǎn)生積極的社會效應。電池安全性高，對環(huán)境友好。氫燃料電池由極板夾著很薄的電解膜構成。在電解膜一陽極上，氫被諸如鉑一類的催化劑分解為電子和質子，質子可以穿過電解膜，與空氣中的氧生成水蒸氣排出，而電子則統(tǒng)統(tǒng)被電解膜攔截，集中起來生成電流。這一過程是在物質的原子水平上發(fā)生的，從理論上講，沒有熱輻射，就是在實際應用過程中，電池的最高溫度也不會超過100度，再采取一些冷卻措施，溫度則會更低，再由于燃料電池失能甚微，即使膜裂了，也不會發(fā)生爆炸。關于氫燃料電池在全壽命周期內對環(huán)境的影響，就整體而言，其構成材料基本上沒有毒性，在制備、使用和回收處理環(huán)節(jié)，不存在對環(huán)境有啥污染的問題。在世界范圍內，氫燃料電池還處于示范運用階段，比如佛山的一部分公共汽車和私家車一共投入大概1700多輛氫能源汽車，跑的公里數(shù)還不夠多（1390萬公里），積累的實踐經(jīng)驗尚少，若大量使用，燃料電池究竟對環(huán)境是否會產(chǎn)生明顯負面影響，還得留給時間。氫燃料電池發(fā)展的難點盡管氫燃料電池具有上述諸多優(yōu)點，但它畢竟是一個完全創(chuàng)新型、革命性的技術產(chǎn)品，不可避免地會有協(xié)議不完善和需要改進的地方。燃料電池發(fā)動機技術性能需大幅提高早期階段，燃料電池發(fā)動機的技術性能欠佳，需要極大的改進才能滿足實際要求，主要由以下幾個方面：一是燃料電池的功率密度較低，整個燃料電池發(fā)動機輸出的功率受到局限；由于其動態(tài)響應慢，在汽車均速形勢下，問題倒沒什么，而路況改變的時候，比如爬坡、加速需要更大功率的時候，就顯得“汗，難達”了。二是燃料電池發(fā)動機的耐久性差強人意。在前期階段，國際上燃料電池發(fā)動機的使用壽命普遍不超過3000個小時，2020年的目標是5000個小時，與實際應用有不小的差距，燃料電池汽車行駛4萬-5萬公里后，功率下降了40%，與傳統(tǒng)燃油車跑個50萬公里上下相比，那差的不是一點點。三是燃料電池發(fā)動機環(huán)境適應能力差，尤其是低溫情況下，啟動比較困難，續(xù)航里程降低，純電動車也有這個毛病，是因為電池活性問題，不能很好滿足天氣寒冷時的汽車正常使用要求，南北差異巨大。系統(tǒng)可靠性要求高為使燃料電池發(fā)動機具有足夠大的功率輸出，需要把成百上千個單體燃料電池集成于一體，構成燃料電池堆，不僅要求每個部件預有一致的質量，而且串聯(lián)作業(yè)時，也不允許有任何差錯。例如單體電池間由于水、熱、壓力、燃料供應以及膜的情況不同而出現(xiàn)性能上的差異，那么電池堆內部就會出現(xiàn)不平衡，從而影響發(fā)動機工作。除此之外，燃料電池發(fā)動機結構比較復雜，由許多不同的部件或單元組成，他們之間也要有完美的匹配，總之，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)技術含量高，創(chuàng)新潛力大，系統(tǒng)可靠性要求也很苛刻?？刂撇呗詮碗s，速銳得曾對豐田MIRAI整車控制策略DBC做了深度的研究，在CAN網(wǎng)絡和汽車控制單元采集到140多項整車ECU控制策略的DBC數(shù)據(jù)，各個數(shù)據(jù)與整車控制系統(tǒng)之間的系統(tǒng)報文，控制策略、算法及核心功能做了詳細的研究與分析，極為復雜。氫燃料電池制造成本高在氫燃料電池的前期發(fā)展階段，根據(jù)不同的科技文獻資料的粗略估計，氫燃料電池汽車的成本是傳統(tǒng)汽車的數(shù)倍乃至10倍，尤其是質子交換膜燃料電池，要使用價格昂貴的鉑金屬催化劑，不僅導致電池成本升高，而且還要受到鉑金屬礦產(chǎn)資源的約束，因為世界上的鉑礦儲量本來就不多，都拿去做戒指了。氫燃料供應是大難題氫燃料電池汽車的燃料供應等基礎設施，與傳統(tǒng)汽車的完全不同，需要重頭建起。這是一個龐大的系統(tǒng)和網(wǎng)絡，可能要經(jīng)歷一個較長的時期才能逐步建設完成。并且，在氫燃料供應的各個環(huán)節(jié)上，都要進行技術創(chuàng)新和投資，其中，以下問題需要重點解決。首先是氫制取。比較理想的、符合可持續(xù)發(fā)展要求的制氫途徑：一是本著“廢物利用”和“循環(huán)經(jīng)濟”的原則，通過工業(yè)比如化工、鋼鐵副產(chǎn)品和煤層氣（瓦斯）等制氫；二是通過清潔可再生能源電解水制氫，三是通過陽光分解制氫。這三種方式經(jīng)濟而大批量地制氫，需要進行技術創(chuàng)新才能突破各種障礙。就目前荷蘭、英格蘭、挪威他們有的通過海水、風車和其他方式，投入巨大。其次需要通過技術進步而獲得安全可靠的管道輸送氫氣和車載儲氫技術解決方案。就車載高壓儲氫而言，為使儲罐能儲存更多氫，以保證汽車一定續(xù)航里程，就得提高儲罐的壓力。由此，就要確保儲罐的高壓安全性和密封性，若車載容器內是液態(tài)氫，則需要有足夠低的局部環(huán)境溫度等，同樣涉及一系列安全問題。再次，從場景分析，雖然加氫站的設置密度沒有純電動汽車充電樁那么高，但建設起來，比電動汽車充電站要復雜得多，牽涉面也更廣一些，太難了。結語但是最近4年來看，隨著口罩升級和逐步放開，人身口罩疫情過后是經(jīng)濟的口罩期，全球經(jīng)濟和汽車產(chǎn)業(yè)都受到很大的沖擊，我們又采取了多項減稅策略刺激傳統(tǒng)（汽柴油）汽車恢復高增長的態(tài)勢。國際上有不少的國家和跨國汽車公司，一直埋頭對氫燃料電池汽車核心技術進行攻關，盡最大努力以創(chuàng)新來驅動汽車產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展，從根本上化解前進道路上遭遇的困難與障礙，進步呈突飛猛進之勢，其成果無論從質還是量上來看，均遠遠超過以前十年。我們與國際的對比最明顯的，是我們有了口罩的心態(tài)，要么閉門不出，要么不敢出門，要么直接躺平，但是上汽大通一直沒有放棄。上汽大通氫燃料電池車型遠超商業(yè)化預期，主要指標與傳統(tǒng)汽車相近，這也是國內唯一跑到前列的汽車品牌，整車成本因為批量原因也大幅下降，售價已經(jīng)降到市場上可以接受的程度，他們在外海的擴張，一直表現(xiàn)優(yōu)秀，市場上算得上是有競爭力的了，國內還有一汽紅旗全新H5、上汽星河氫能源、長安深藍SL03等。海外有寶馬IX5氫能源版，這是由豐田和寶馬聯(lián)合開發(fā)的，豐田自己MIRAI就出到2代了，捷豹路虎衛(wèi)士也有一款氫能源車型，現(xiàn)代有一款NEXO氫能源車型，不過名頭大一點的車型還是MIRAI?？得魉梗瓪淠茉谂R港落地了，博世也開始搞這類的電池研發(fā)，巴拉德在上海搞了個總部；合作領域，豐田和一汽、東風、廣汽、北汽、億華通打通了合作。2022年3月，