丰田Mirai

 

       众所周知，制约燃料电池技术发展和普及的两大瓶颈：一个是氢气的储存，另一个是燃料电池堆的制造成本。也正因为这两个瓶颈导致燃料电池技术很难在短时间内普及，并且价格居高不下。电堆的核心材料：质子交换膜配方，只掌握在少数公司手中。而另一瓶颈，氢气储存技术则决定了燃料电池车的续航里程、空间布局和总体效率。 

 

       我们知道丰田的Mirai之所以看起来比普通车型怪异，其实质是因为储氢罐会占用后排许多纵向空间，从而导致车尾略显臃肿。而丰田在储氢技术方面已经达到了世界先进水平。

    燃料电池

 

        在国内所能掌握的储氢技术基础上，携带同样重量的氢气，可能储氢罐的体积会更大。因此，氢的储存效率既会影响到续航里程，也会影响整车造型和车内空间使用率。可以说各大车企在研发氢燃料电池车的同时都在不断提高氢气的储存效率——为了获得更大的储氢压力，纷纷在开发更高性能的密封材料。而国内有一家企业正在反其道而行之，研发固体粉末制氢技术，并且正在装车实验。那么什么是固体粉末制氢呢？它是怎样可以取代高压储氢罐的？本期来为大家解读。

      边制造氢，边使用氢，让氢气的携带更加容易更加安全

 

       固体粉末制氢过程，其实是利用铝与水发生化学反应产生了氢气和氢氧化铝，从而制得了氢气。但是常识告诉我们，铝与水并不发生化学反应，不然那些铝制车身，铝合金门窗在雨中还不都被溶解掉了？

 

       的确，铝金属在常温下并不会与水反应。如需反应需要两个条件，第一个条件是铝与水的反应需要建立在一定的温度条件下；第二个条件是需要去掉铝金属表面的致密氧化膜。我们知道虽然铝性质比铁更加活泼，但暴露在空气和潮湿环境下并不会“生锈”，其原因就是铝金属单质与空气接触时会迅速被空气中的氧气氧化，形成一层致密的氧化膜，从而阻隔了与氧气的进一步接触，这就是铝不会生锈的原因，也是用铝锅加热水而不会发生化学反应的原因。所以要想让铝与水发生反应，必须去掉氧化膜，并且加热到一定温度就会置换出水中的氢气，这些都需要在实验室条件下进行。

 

       但是，要想把用铝生产氢气的化学反应小型化常态化，并且在汽车上使用，就必须解决反应温度和反应速度的问题。所以必须要让这个化学反应能够在常温下进行，并且制造氢气的速度要比常态下快得多，才能够满足燃料电池的使用。国内一家公司经过8年的研发后，终于研发成功了一种可以促进铝和水在常温下剧烈反应的催化剂。这种催化剂既可以让反应温度实现更大的跨度，甚至在零下环境中也能正常进行，也可以调节化学反应速度，因此可以实现燃料电池动力对氢气的需要。

      如何控制和优化氢气制造的性能，达到燃料电池所需？

 

       基于多年的研发和实验，目前催化剂的性能完全可以满足燃料电池车对氢气需要的制造速率，甚至制氢速度可以远远超过燃料电池所需。目前这家公司除了正在研发车用燃料电池制氢装置以外，还在应用该技术研发鱼类推进器。将传统螺旋桨式的鱼类推进方式，替换成气体推进。因为通过调节催化剂的配方可以进一步提高铝和水的反应速率，甚至可以在几百毫秒内制造出体积比超出1000倍的氢气，这几乎可以像炸弹一样产生冲击波。当然，用在燃料电池汽车上，只要让氢气生成速率跟得上燃料电池反应堆的发电需求即可，而这些都可以通过催化剂配方实现精准控制。

       这种通过金属铝粉末与水发生反应生成氢气的装置，几乎可以淘汰传统意义上的储氢罐。而其能量密度远远高于目前市面上性能最好的高压储氢技术。同时也免去了氢气的长距离运输，加氢站储存和车辆加注之苦。可以杜绝大量的因氢气的运输储存造成的安全隐患。对于用户来说，只需要定期补充金属铝粉末和水就可以完成车辆的能源补给，方便、快捷、安全、清洁。

 

      市场前景和对未来发展的预估

 

       目前燃料电池反应堆的成本大概在每千瓦3000元以上。也就是说一套73.5千瓦（100匹）的燃料电池反应堆，成本超过20万。算上匹配同样效率的制氢设备的话，成本大概接近50万。由于目前这项技术还在样车试制阶段，并没有实现大规模批量化生产，所以商用成本还是较高的。如果能够实现规模生产，逐步取代高压气罐储氢的话，其前景还是非常好的。

       我们知道，目前氢气在工业上的主要获取方式有电解水和化工副产品这两个渠道。但是电解水需要耗费大量电能，仍然存在污染环境、排放二氧化碳的弊端。而化工产业虽然会产生大量的氢，这些氢足以满足人们的日常使用，但要想提纯这些氢气还需要大量的设备和能源的投入，所以也不是一个十分环保的做法。

 

       那么这种用铝和水发生反应产生氢气的过程，则是一个相当环保的过程，并且不会耗费能源。另外，反应后的产物除了高纯度的氢气以外，还有纳米级的氧化铝。这种纳米级的氧化铝在工业上价格非常高昂，是用来制造人造蓝宝石、高科技耐磨陶瓷的原材料。

 

       所以如果可以实现反应后产物的回收，则基本可以找补回制氢设备的成本差价并抵消使用过程中添加耗材的成本。所以，如果再算上国家对氢燃料电池的大力补贴，那么这项技术实现大规模商业化的前景还是可以期待的。一旦规模化生产以后，整个系统的成本还能够进一步的降低，在能量携带效率上将会远远超过传统的高压储氢和三元锂电池技术。