盡管氫能源汽車有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但它仍有許多問題尚未得到妥善解決，導(dǎo)致其至今無法占據(jù)汽車的主流市場。比如氫氣的制備和儲存難，氫燃料電池的壽命低、成本高，加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后解決好這些問題，將會為汽車界乃至所有的工業(yè)領(lǐng)域打開一個(gè)全新的局面，并且將有效化解能源危機(jī)、改善人類的生存環(huán)境，為人類社會的長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。
1.發(fā)展氫能源汽車的優(yōu)勢
氫氣來源廣泛，可通過電解水、化石燃料轉(zhuǎn)化、生物分解有機(jī)物等方法制取，且氫氣與氧氣反應(yīng)只生成水，生成的水又可以循環(huán)利用，因此，氫能源的可持續(xù)發(fā)展性非常優(yōu)越，且氫燃料更經(jīng)濟(jì)更節(jié)能：氫燃料電池汽車每公里的燃料運(yùn)行成本大約為汽油車的60%，未來還能降至更低。各國都很支持氫燃料電池汽車的發(fā)展，相關(guān)的補(bǔ)貼條件非常優(yōu)渥。
氫能源汽車主要分為兩種：一種是氫內(nèi)燃機(jī)汽車，即氫氣直接在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸里燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)汽車行駛，和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)原理相似;另一種是氫燃料電池汽車，氫氣供入燃料電池與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，電能再供給電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)汽車行駛，屬于典型的電動(dòng)汽車。
目前氫能源汽車的主流發(fā)展方向是氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車具備以下特點(diǎn)：
1) 燃料電池沒有像內(nèi)燃機(jī)一樣的運(yùn)動(dòng)部件或摩擦副，能量轉(zhuǎn)換在靜態(tài)下完成，工作時(shí)無噪音、無振動(dòng)，且運(yùn)行溫度低(80°C左右)，功率響應(yīng)快。
2) 燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)到60%以上。
3) 相比純電動(dòng)車搭載的動(dòng)力鋰電池，氫燃料電池質(zhì)量輕，補(bǔ)充能量的時(shí)間短(加氫只需3?5分鐘)，續(xù)航里程長(>600km)。燃料電池可以裝配在不同用途和不同型號的車輛上，功率只需通過配置單體電池的片數(shù)來選定，而續(xù)航里程則由氫燃料罐的大小(儲氫容量)來決定。
2.氫能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)分析
2.1氫氣的制備、存儲技術(shù)
電是一種二次能源，需通過消耗一次能源來獲得。最合理的是采用風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電。此外，風(fēng)電和太陽能光伏電，業(yè)內(nèi)稱呼為垃圾電，其功率不平穩(wěn)，發(fā)電時(shí)間不穩(wěn)定，會對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊，所以這兩種電很難并入電網(wǎng)。如果給這些電廠配備電解水制氫設(shè)施，這些垃圾電就能被就地消納。因此氫氣的制備選擇電解水制氫法。
作者進(jìn)行了《關(guān)于氫能源汽車的技術(shù)認(rèn)知及發(fā)展前景調(diào)查》(以下全部簡稱為《調(diào)查》)的調(diào)查報(bào)告，報(bào)告中對于"你認(rèn)為最經(jīng)濟(jì)環(huán)保且最適合大規(guī)模生產(chǎn)的制氫方法是什么?”(如圖1),有62.73%的人認(rèn)為是"太陽能電解水制氫或太陽能光解水制氫”，占比最高;其次是"風(fēng)力發(fā)電，電解水制氫”，占比50.91%,該兩項(xiàng)數(shù)據(jù)也可以充分說明人們對風(fēng)電制氫和太陽能發(fā)電制氫的期望和科學(xué)的制氫方式是相吻合的。
氫氣是地球上密度最低的氣體，而且它的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，這些特點(diǎn)決定了氫氣較難以常規(guī)的形式儲存。目前氫氣的儲存方式主要有三種：高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、固態(tài)吸氫材料儲存。
高壓氣態(tài)儲氫是將氫氣以很高的壓力充進(jìn)儲氫瓶，壓力通常為35Mpa或者70Mpa。高壓儲氫的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、儲氫成本低、充放氫速度快且易于控制，缺點(diǎn)是單位體積能量密度低。
低溫液態(tài)儲氫是將氫氣冷卻至-253C以下，讓氫從氣態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，再充入特制的絕熱容器中。液態(tài)氫的密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣態(tài)氫的788倍,因此液氫的單位體積能量密度要比壓縮氣氫高出好幾倍，這意味著可以給汽車提供更長的續(xù)航里程。低溫儲氫對容器的隔熱性能要求很高，并且液化氫氣要消耗較多能量，約占總氫能的1/3,這就大大降低了車載氫能源的整體利用效能。
固態(tài)吸氫材料儲氫是利用某些金屬絡(luò)合物來吸附氫氣的。研究發(fā)現(xiàn)，把鎂、鈦、鋯、鈮、鑭等金屬及它們的合金制成絡(luò)合物，再將它們置于高壓(<5MPa)的氫氣環(huán)境中，這些金屬就會像海綿吸水一樣把氫氣儲存起來，只需通過加熱或減壓的方式就能讓它們把氫氣釋放出來。金屬氫化物單位體積的儲氫密度是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍,儲氫能力優(yōu)于氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫。在《調(diào)查》中(見圖2),約有42%的人認(rèn)為"金屬氫化物儲存"是最有發(fā)展前景的車載儲氫方式(占比最大)，可見該儲氫方式的確是最符合汽車的使用要求的。
除了以上三種儲氫方式，其實(shí)還有一種最新的有機(jī)液態(tài)儲氫。中國地質(zhì)大學(xué)的程寒松教授和他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，將特定的不飽和芳香烴作為載體，通過催化的方式把氫化合進(jìn)載體里，實(shí)現(xiàn)了在常溫常壓下就能將氫氣存儲起來。2016年9月，首臺使用該技術(shù)的氫能客車"泰歌號"在武漢揚(yáng)子江汽車集團(tuán)有限公司成功下線，標(biāo)志著我國卓有成效地推進(jìn)了氫能源在汽車領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
2.2氫燃料電池技術(shù)
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)易于實(shí)現(xiàn)小型化，并且能量轉(zhuǎn)換效率高、低溫啟動(dòng)性能好、可輸出電流大、工作噪音小，因此最適合汽車搭載。
PEMFC 的核心部件是膜電極組件(MEA)，其包括質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層(GDL)等片層結(jié)構(gòu)。GDL 通常為經(jīng)過聚四氟乙烯憎水處理的石墨炭紙，其上需附著一層活性炭以使表面平整，再附著上鉑催化劑。這幾層材料經(jīng)過熱壓成型后便形成 MEA，MEA 的兩側(cè)需裝上密封圈，然后將其置于雙極板之間，由此構(gòu)成單體電池，若干塊單體電池便組合成燃料電池電堆。雙極板通常用石墨制作，需用數(shù)控銑床或者精雕機(jī)在其上加工陰、陽極氣體流場，復(fù)雜的機(jī)加工使得雙極板成本較高。
PEMFC的工作原理為：H2和〇2通過雙極板上的氣道分別到達(dá)電池的陽極和陰極，通過MEA上的擴(kuò)散層到達(dá)催化層。在膜的陽極側(cè)，H2在陽極催化劑表面上解離為水合質(zhì)子和電子，水合質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜上的磺酸基傳遞到達(dá)陰極，而電子則通過外電路流經(jīng)負(fù)載到達(dá)陰極;在陰極的催化劑表面，氧分子結(jié)合從陽極傳遞過來的水合質(zhì)子和電子，生成水分子。在此過程中，質(zhì)子要攜帶水分子從陽極傳遞到陰極，陰極也會因電化學(xué)反應(yīng)而生成水，這些水都從陰極排出。PEMFC的工作原理如圖3所示。
保持燃料電池水熱平衡是電源管理技術(shù)中的難點(diǎn)。質(zhì)子的傳導(dǎo)需依靠水，因此必須讓質(zhì)子交換膜保持濕潤，缺水過多會使膜的電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電池的輸出功率不穩(wěn)。水過多積聚會使氧氣輸送受阻，導(dǎo)致燃料電池的不均勻發(fā)電。另外，PEMFC的冷啟動(dòng)問題不容忽視，否則會大幅折損電池壽命。因此，必須采用一定手段來防止PEMFC內(nèi)部結(jié)冰，常用的方法有：(1)用氮?dú)獯祾邭堄嗨?(2)讓電池保溫至水的冰點(diǎn)以上;(3)利用氣體或冷卻液流經(jīng)管道對電池內(nèi)部進(jìn)行加熱等。
2.3 氫能源汽車的整車控制技術(shù)
氫燃料電池汽車需安裝整車控制器(VehicleControl Unit，VCU)，以協(xié)調(diào)車輛各個(gè)分系統(tǒng)的正常工作。VCU 是氫燃料電池汽車的核心控制部件，相當(dāng)于整車的智能管家，其控制原理為：采集車輛各個(gè)控制器信號，對信號作出分析和判斷，接著通過 CAN 總線把這些指令發(fā)送給相應(yīng)的電器模塊，最后各個(gè)控制器根據(jù)接到的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。
2.4加氫站的配套設(shè)施技術(shù)
要想實(shí)現(xiàn)氫能源汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展或者大規(guī)模應(yīng)用，完善加氫站等配套設(shè)施建設(shè)是必要舉措。加氫站的氫氣來源有兩種：站外購入和站內(nèi)自制。前一種結(jié)構(gòu)配置相對簡單，建造成本較低，建造周期也較短，適建地區(qū)廣泛。后一種目前普遍采用天然氣或甲醇重整制氫，占地面積大，技術(shù)較復(fù)雜，短期內(nèi)能滿足較大的加氫需求，但長期來看不利于環(huán)保;也可采用電解水站內(nèi)制氫，此類加氫站更適合與風(fēng)電站或者太陽能電站形成配套來生產(chǎn)氫氣。
站外購入獲取氫氣的方式需要借助交通工具將氫氣從制氫廠運(yùn)輸?shù)郊託湔尽Ｈ舨捎脷鈶B(tài)氫拖車運(yùn)輸，為了運(yùn)輸過程中的安全，管狀容器的儲氫壓力不得高于20Mpa，所以還需經(jīng)過站內(nèi)的氫氣壓縮機(jī)增壓至35Mpa以上才能達(dá)到加注標(biāo)準(zhǔn)。
若采用液氫罐車運(yùn)輸，輸送至加氫站儲罐內(nèi)的液態(tài)氫還需經(jīng)蒸發(fā)器汽化，再經(jīng)壓縮機(jī)增壓后才能為氫能源汽車加注。
3.發(fā)展氫能源汽車的對策
3.1加強(qiáng)自主創(chuàng)新，重點(diǎn)攻克氫燃料電池技術(shù)
氫燃料電池技術(shù)是氫能源汽車技術(shù)的核心,解決燃料電池的制造成本高、耐久性差的問題刻不容緩。以我國為例，可以從以下著手：
技術(shù)上，加大資金和科研的投入，技術(shù)進(jìn)步是降低氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化成本的首要手段。攻克的目標(biāo)主要指向膜電極組件和雙極板：
1)現(xiàn)有的高分子質(zhì)子交換膜生產(chǎn)工藝復(fù)雜，急需做出改進(jìn)和優(yōu)化，比如將_些機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的聚合物進(jìn)行改性，賦予其傳導(dǎo)質(zhì)子的能力，便能代替現(xiàn)今價(jià)格高昂的全氟磺酸膜。
2)降低催化劑中Pt的含量，提高它的利用率。
3)將金屬和石墨復(fù)合制成的復(fù)合雙極板有優(yōu)良的性能，且加工工藝相對簡單，材料成本也較低，可以重點(diǎn)發(fā)展用以替代脆性大的石墨雙極板。
政策上，應(yīng)該以更積極的支持態(tài)度和出臺更具體的發(fā)展方案：
1) 引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，設(shè)立專項(xiàng)資金鼓勵(lì)研發(fā)燃料電池系統(tǒng)和膜電極等關(guān)鍵組件，讓這些技術(shù)盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
2) 鼓勵(lì)和支持車企踴躍申報(bào)關(guān)于燃料電池的國家級研發(fā)項(xiàng)目，對其中擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新成果盡快投入實(shí)際應(yīng)用。
3) 對于購買燃料電池汽車的扶持政策，可以進(jìn)一步將渠道擴(kuò)寬，比如采用操作性好的購車補(bǔ)貼的政策等。
產(chǎn)業(yè)模式上，應(yīng)該做好中長期的產(chǎn)業(yè)布局，目前可以讓燃料電池商用車做好示范運(yùn)行，再逐漸把燃料電池技術(shù)推廣和應(yīng)用至乘用車上。成本的降低不僅依靠技術(shù)的進(jìn)步，還有賴于規(guī)模化生產(chǎn)。目前，中國生產(chǎn)的燃料電池組成本需10000美元/kW,日本生產(chǎn)的燃料電池組成本也需2000美元/kW,美國能源局經(jīng)過測算認(rèn)為只有當(dāng)燃料電池的成本降至50美元/kW時(shí)，才能與內(nèi)燃機(jī)汽車形成競爭。通過《調(diào)查》還發(fā)現(xiàn)，以中國目前的消費(fèi)水平，有61.82%的人能接受的氫燃料電池汽車的價(jià)格都在10?20萬這個(gè)區(qū)間(如圖4),參照豐田Mirai現(xiàn)在30萬元左右的售價(jià)，顯然FCV的價(jià)格還不能引起人們的購買欲望(從圖5有57.27%的人持觀望態(tài)度也可以看出)，反映出來的問題便是氫燃料電池的成本還有極大的下降空間。
3.2 落實(shí)加氫站的建設(shè)，優(yōu)化能源補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)
在氫能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈上，加氫站是上游制氫運(yùn)氫與下游燃料電池汽車應(yīng)用的重要樞紐。完善加氫站的建設(shè)，有利于加快氫能源汽車的普及和技術(shù)研發(fā)進(jìn)程。
加氫站的建設(shè)，必須由點(diǎn)及線、由線到面地進(jìn)行布局。氫能源汽車通常優(yōu)先發(fā)展商用客車，主要原因?yàn)椋孩俟步煌ǖ哪茉蠢眯矢撸司哪茉聪牧康停痉缎Ч氖鼙娒姹瘸擞密噺V;②公共交通的運(yùn)行線路固定，且車輛集中，建設(shè)配套的加氫站難度較小。因此，加氫站早期的布置可以選取公交線路的起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行建造，然后在公交線路的沿途增設(shè)適當(dāng)?shù)臄?shù)量，這是由點(diǎn)及線的過程。氫能源商用車促進(jìn)加氫站網(wǎng)絡(luò)線的形成，氫能源乘用車加氫也會變得便捷起來。氫能源乘用車的能源補(bǔ)給服務(wù)得到完善，又會促進(jìn)加氫站由線擴(kuò)展到面，進(jìn)而逐漸形成完整的區(qū)域化加氫網(wǎng)絡(luò)。
加氫站的結(jié)構(gòu)與加油站卻相差不大，可以通過適當(dāng)?shù)氖侄螌⒓佑驼靖脑斐杉託湔荆热绗F(xiàn)在有不少加油站都是廢棄的，可以將它們很好地利用起來;或?qū)⒓託湔竞喜⒔ㄔ诩佑驼镜呐赃叄瑑煞N方法都可以節(jié)省一部分的用地成本。加氫站在設(shè)計(jì)建造時(shí)要預(yù)留充足的安全距離，必要時(shí)可增設(shè)防爆墻;在正式運(yùn)營前要布控消防安全預(yù)警，提前備好應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)的方案。
3.3 多管齊下，促進(jìn)氫能源汽車逐步形成產(chǎn)業(yè)化
發(fā)展和推廣氫能源汽車是個(gè)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，單一發(fā)展某一項(xiàng)技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)成功，需要統(tǒng)籌兼顧整條產(chǎn)業(yè)鏈。布局好整條產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游(如圖6),調(diào)動(dòng)國內(nèi)大型能源企業(yè)和裝備制造企業(yè)參與，共建基礎(chǔ)設(shè)施，多管齊下，才能為加速氫能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供保障。
汽車產(chǎn)業(yè)牽涉到科技、文化、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)社會領(lǐng)域，代表著國家的發(fā)展意志，因此政府的政策支持與引導(dǎo)就顯得尤為重要。《調(diào)查》中顯示，對于普及氫能源汽車應(yīng)從哪些方面著手?(如圖7)超過半數(shù)的民眾都支持以下幾個(gè)方面：①政府部門加大扶持力度，明確中長期的規(guī)劃;@企業(yè)、高校和研究部門加強(qiáng)研發(fā)，提高技術(shù)性能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本;③多引導(dǎo)車企進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)行，聯(lián)合多方做好宣傳;④大力推動(dòng)制氫、儲氫、加氫站等配套設(shè)施的建設(shè)。由此可見，普及氫能源汽車，人們認(rèn)為對政策、科技和基礎(chǔ)設(shè)施的投入最為重要。
我國有世界上最龐大的汽車消費(fèi)市場、對能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型需求迫切、對氫燃料電池汽車的扶持政策十分優(yōu)越，且產(chǎn)業(yè)鏈也在加緊布局，這些條件都為氫能源汽車在中國的發(fā)展提供了最佳契機(jī)。在《調(diào)查》中發(fā)現(xiàn)，有74.55%的人認(rèn)為通過發(fā)展氫能源汽車能讓中國的汽車企業(yè)實(shí)現(xiàn)"彎道超車”(如圖8),也就是將近有3/4的人對氫能源汽車的發(fā)展持樂觀態(tài)度。希望中國能盡快實(shí)現(xiàn)氫能汽車的產(chǎn)業(yè)化，相信中國也一定能通過自己的努力從汽車大國轉(zhuǎn)變成汽車強(qiáng)國。
4 結(jié)語
本文對氫能源汽車所需的關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)分析，并對目前氫能源汽車的發(fā)展瓶頸提出了突破方法。
1)風(fēng)電和太陽能光伏電由于不穩(wěn)定而不能并入電網(wǎng)，將這部分電用于分解水制氫氣不僅能減少浪費(fèi)，甚至可以實(shí)現(xiàn)氫能源汽車真正實(shí)現(xiàn)零排放。儲氫方式長期來看宜發(fā)展固態(tài)儲氫或者有機(jī)液態(tài)儲氫，我國的有機(jī)液態(tài)儲氫技術(shù)已經(jīng)初步得到應(yīng)用，需繼續(xù)保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢并投入產(chǎn)業(yè)化。
2)目前氫燃料電池存在成本偏高和耐久性偏差兩大短板，為此質(zhì)子交換膜、Pt 催化劑、雙極板研發(fā)新材料和優(yōu)化加工工藝，是使氫燃料電池降低成本和提高耐久性的有效路徑。降低燃料電池成本的方法除了使技術(shù)進(jìn)步還有賴于規(guī)模化生產(chǎn)。
3)國內(nèi)布局氫能源汽車產(chǎn)業(yè)可優(yōu)先發(fā)展氫燃料電池客車或公交車，或現(xiàn)有加油站加裝儲氫裝置，加氫站的完善可以支撐更多燃料電池乘用車的發(fā)展。
4)我國大部分民眾對氫能源汽車的關(guān)注偏少，但關(guān)注的人群中對氫能源汽車的發(fā)展持樂觀態(tài)度。影響大眾選擇氫能源汽車的主要原因有技術(shù)不成熟、安全顧慮和加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施不完善。和純電動(dòng)車相比，氫燃料電池汽車擁有更長續(xù)航里程這個(gè)優(yōu)點(diǎn)最被民眾看好，民眾普遍期望氫能源汽車售價(jià)降低到與電動(dòng)汽車持平，將具有一定的競爭能力。
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