氢燃料电池才是真正的 “黑科技”
时间:2018-10-11 10:56来源:智通财经网 作者:综合报道
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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。
(责任编辑：子蕊)
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