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氢能专题
燃料电池汽车——距离我们还远吗?
时间:2019-10-16   访问量:173  【打印此页】  【关闭

              燃料电池汽车的概念已经在社会中推广很多年,相比于传统汽车,燃料电池汽车具有零排放和零污染的特点。另外,燃料电池汽车同时可以减少人类社会对非可再生能源——石油的依赖。随着燃料电池技术的发展,其工作效率可以超过传统内燃机燃烧效率的两倍,而且燃料电池固定零件及运动部件数量是传统内燃机零件数量的40%10%[1],这就决定其运行稳定性和维护简便性远优于传统内燃机。燃料电池汽车虽然现阶段尚未广泛普及,生产成本仍然略高、各项技术有待改进,但是无法否认,其优势给予人们美好的愿景,所以燃料电池汽车必将是社会蓝图的重要一部分。

除了燃料电池之外,燃料电池汽车中最重要的部分为储氢系统。氢气一般状态为气态,无法像汽油一样在常温常压下大量存储。对此已经存在多种有效的解决方法:现阶段在全球广泛应用于燃料电池车的是高压储氢技术,在车载储氢系统中施加高压(35-70Mpa)来储存5-8kg氢气。储氢系统已由2个碳纤维复合材料气罐取代以往的4个复合钢材气罐,罐内氢气可供应汽车平均行驶500公里。尽管这样的储氢系统还没有做到如同汽车汽油储罐一样体积小、重量轻,但是在现阶段成本效益是最高的;另一种解决方法是低温储氢技术,将车载氢气降温至 -253°C -423°F)。因为氢气在液态时密集度最高,储量会高于高压储氢。但是,低温储氢技术仍存在一些难点需要攻克,例如氢气蒸发、氢气液化耗能高和低温储罐成本高等;近年来,固体吸收储氢成为一种新的高效储氢方式受到广泛关注。使用该技术的储氢系统具有体积小、重量轻的特点,被认为是长期储氢的最好的解决方法。梅赛德斯奔驰Mercedes-Benz推出一种新型燃料电池汽车,型号F125,使用的储氢技术为“金属-有机物框架储氢技术(MOF。该技术利用多孔金属结构高效吸收或释放所需的氢气。随着该技术的发展,有希望10年后取代高压储氢技术,使燃料电池汽车行驶的更远、更安全。

对于燃料电池汽车的普及,基础设施的建设至关重要。广泛应用于精炼厂至加油站的石油运送系统显然不适合应用于氢能源。为了生产、运输和为大量用户加氢,必须建立新的加氢、储氢和运输网络。美国属于燃料电池汽车发展在世界前列的国家,根据2013年美国国家可再生能源实验室统计数据[2],全国正在运行的公共加氢站13个,其余实验性、企业或其他私人加氢站数十个,计划建设中的加氢站超过20个,私人燃料电池汽车数量近1500辆,预计2015-2017年,燃料电池汽车与公共加氢站数量将急速增长。而对我国,现阶段使用中的加氢站仅有2个(上海安亭加氢站与北京加氢站),燃料电池汽车主要为公共交通车辆。但是,为减少汽油能源依赖性以及改善环境问题,国家近几年发布各项政策(包括“863”、“973”等科技项目以及国家财政部文件[3])大力推动新能源发展,其中包括高额奖励加氢站的建设。

如果没有足够的加氢站,没有人会愿意购买燃料电池汽车。所以,燃料电池汽车普及过程中非技术性环节的挑战是顾客如何能够方便快捷的进行加氢。对于这种现状,除大力建设加氢站基础设施外,民用微电网热电联产加氢站是有希望的解决途径之一,如图一所示。民用微电网热电联产加氢站为私人家庭使用,通过太阳能或风能产生电力,使用电解水制氢技术或天然气重整制氢技术制氢,其联合设计可为民居提供冷/暖气和电力,为燃料电池汽车供应氢气燃料。使用电水解制氢的微电网热电联产加氢站不仅可以为汽车提供能源、为民居供电供暖,同时二氧化碳的排放为零。就算是用天然气重整制氢方法,与以前传统生活方式相比,二氧化碳排放量也会降低30%

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图一:民用微电网热电联产加氢站示意图

当今社会,越来越多的企业认同燃料电池汽车在不久的将来会普及到社会的每一个角落,并且近几年业界意识到加氢站建设的重要性,开始投入大量资金、科研力量对其进行设计和建造,其中包括巴拉德动力公司(Ballard)、本田汽车公司(Honda)、安思卓科技公司(Verde)等。其中安思卓公司的技术及产品十分引人关注,如图二所示[4, 5],其产品利用风能、太阳能不连续性的特点,对富裕可再生能源进行智能化电水解制氢,提高可再生能源利用率,解决可再生能源发电无法并网能源浪费的同时,生产氢气以解决燃料电池燃料供应问题,而且做到了二氧化碳零排放。同时,公司针对加氢站开发设计试验样机已在美国国家可再生能源实验室开机运行。随着技术的发展,公共与私人加氢站的广泛建立,燃料电池汽车必会在全球广泛普及。

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图二:加氢站加氢设备示意图

对于氢燃料汽车的普及,一般大众还会关注什么问题?显而易见,安全性、购买成本及保养成本会是人们关注的焦点。随着相关技术的发展,汽车燃料电池的成本从2002年的每千瓦248美元降至2010年的每千瓦42美元[6]。本田(Honda)、丰田(Toyota)、奔驰(Mercedes-Benz)等多个汽车制造商均在这几年推出燃料电池汽车进入市场,汽车售价已低至45,000美元,并提供用户8/100,000英里的保修。通过Adzic等人的研究发现,通过改变、优化燃料电池催化剂会大大延长燃料电池的寿命和可靠性。尽管人们对燃料电池汽车的安全性可能存在疑问,但是实际上,燃料电池汽车和传统汽油内燃机汽车的安全性是接近的,燃料电池汽车甚至更安全:丰田公司[7]对其车载储氢罐进行了枪击测试,小口径手枪无法穿透储罐,而50毫米**(M2或狙击步枪)仅穿透储罐发生氢气泄漏,无爆炸。对于新事物,我们只是需要时间让公众接受。

毋庸置疑,在下面三五年内,燃料电池汽车及加氢站将越来越多出现在我们的日常生活中。我们坚信20-30年后,燃料电池汽车会作为主要地面交通工具最终取代传统汽油内燃机汽车,对于飞机或轮船使用燃料电池技术的年代也不会久远。第三次工业革命正在悄然发生中!

安思卓(南京)新能源有限公司是美国Angstrom Advanced公司旗下全资子公司,成立于2013年,公司主营业务为风力、太阳能制氢储能,主要利用富余的可再生新能源制备氢气,公司在制氢和储氢方面拥有国际领先水平的专利技术,产品可以在风电制氢环境下实现高效生产。

作者介绍:Nick Ni是安思卓新能源有限公司市场总监,帮助公司推动了富余风力、太阳能制氢的全球市场。该公司在制氢和储氢方面拥有国际领先水平的专利技术,产品可以在风电制氢环境下实现高效生产。

参考文献:

1. http://www.gmfleet.com/overview/alternative-fuel-vehicles.html

2. http://www.afdc.energy.gov/fuels/stations_counts.html

3. 《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》(国办发〔201435号)

4. http://www.verdellc.com/JInnovation.asp

5. http://www.verdellc.com/JPress.asp

6. USDOE, Hydrogen Program: Program Records 5005, 8002, 8019, 9012, and 10004.

7. https://parts.olathetoyota.com/fuel-cell-myths.html

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