近日,比亞迪(01211)向投資者透露正在研究氫燃料
電池。實際上,今年5月份比亞迪就已經與美國混合動力公司達成協(xié)議將合作研發(fā)氫燃料
電池客車。
不止比亞迪,據了解,國內企業(yè)濰柴動力(02338)、長城汽車(02333)等,都先后布局氫燃料電池,日本豐田更是早在1992年就開始了氫燃料電池汽車的研究。今年5月份,李克強總理參觀豐田汽車北海道廠區(qū)時,就表達出對研發(fā)氫燃料電池汽車的強烈意愿。
那么這個氫燃料電池究竟是怎樣的“黑科技”,讓各大汽車廠商接踵而至?而又是什么原因,讓氫燃料電池汽車上路的腳步備受考驗?
氫燃料電池:新能源終極解決方案?
當前市場上的動力電池,鉛酸電池是大頭,再者是鋰電池,燃料電池只有極小一部分。
燃料電池是不是新能源的終極解決方案,下面用一些簡單的數(shù)據回答一下。
鉛酸電池和鋰電池都屬儲能電池(二次電池),即需要先充電再放電,其本質為可逆的金屬元素的氧化還原反應。拿鉛酸電池來說(下圖),左到右為放電過程,右到左為充電過程,由電子守恒可知該反應為2電子反應。鋰電池原理類似,只不過是單電子轉移反應。
從元素周期表可知,鉛相對分子質量為207.2,鋰為6.9,也就是說每轉移一個電子,需要的鉛和鋰分別為103.6和6.9。
我們再看看一下氫燃料電池,其基本反應過程如下圖,在陽極和陰極分別加入氫氣和氧氣(空氣),在催化劑的作用下發(fā)生反應并放電。有反應式可知每個氫原子可轉移一個電子,反過來說轉移一個電子需要的氫為1。
經智通財經對比,發(fā)現(xiàn)氫燃料電池轉移一個電子比鉛酸電池和鋰電池需要的質量更小,簡單地說,就是能量密度更大。從下表也可以看出,氫能的能量密度占據絕對優(yōu)勢。
事實上還遠不止如此。由于在實際反應中,電池的能量轉換會有損耗,二次電池的充放電過程相對燃料電池的直接放電損耗更嚴重。由于不受卡諾循環(huán)限制,燃料電池理論能量轉化效率可達90%以上,實際效率可達到60%。
在實際應用過程中,氫燃料電池也有儲能電池不可比擬的優(yōu)勢,即“充氣五分鐘,續(xù)航一千里”,充氫5分鐘可行駛500公里,而儲能電池此時還趴在充電樁吸取能量。
理論上,氫燃料電池集合了汽油車的高能量比、即充即走,以及超越儲能電池的高能量轉換效率、無污染的優(yōu)點,可謂新能源車的終極解決方案。
既然優(yōu)點這么多這么明顯,然而為什么氫燃料電池汽車還未大規(guī)模上路?這就不得不說說氫燃料電池車上路的幾個“絆腳石”了。
氫燃料電池車的挑戰(zhàn)是什么?
首先,一輛車想上路,絕對不僅僅只是一輛車自己的事情,它涉及到氫氣的制取——儲運——加氫站——汽車充氫,同樣燃料電池系統(tǒng)的組裝需要電極板、電解質、交換膜、催化劑、擴散層等部件。
那么問題就來了,氫氣要怎么制取?目前主流的制氫方式有煤制氫、氯堿副產物制氫、電解水制氫等,這個弊端還是很明顯的。
智通財經分析認為,先不說煤制氫將煤中的化學能多了幾道程序,如果氫氣不純含有二氧化碳或者一氧化碳,很容易將電池的催化劑毒化。氯堿副產物制氫依賴于工業(yè)品生產布局,不適于大規(guī)模推廣。電解水制氫也是走了其它能源——電能——化學能——電能的長路子,不過如果初始能源是清潔能源如風能、太陽能還好,如果是其它形式能量則就得不償失了。
另外,氫氣為氣體,其體積密度極小,這為儲存運輸帶來了很大的困難。一是儲存能量比低,一是安全性差。再加上目前加氫站布局又少,這就很難受了。
從電池本身來說,高成本、“敏感體質”都讓這位顯得有些高冷。目前氫燃料電池的催化劑主要使用鉑,雖然也有關于其它催化劑的研究,但奈何鉑還是性能最好的,不得不用。而且催化劑、交換膜都顯得有些“嬌氣”,一鬧脾氣就容易生病甚至罷工。
既然問題重重,為什么還要研發(fā)氫燃料電池呢?
堅持研發(fā),只因機遇在這里
最大的困難不是它本身,而是不知道困難在何處。如果能看到難點在哪里,辦法總比困難多。
針對制氫問題,由于太陽能、風能發(fā)電等具有不穩(wěn)定性,所以目前的措施是將電能儲存起來,而實際上將這些電能直接進行電解水制氫也是一種良策,這樣便形成了太陽能/風能——電能——氫能——電能的轉化路徑,全程無污染,還能充分利用太陽能和風能。
至于氫氣的儲存運輸,目前的碳纖維+凱夫拉復合材質的儲氣罐儲氣壓力可達70MPa,針對整車儲氫,豐田Mirai之父田中義和設計的特殊泄壓閥以及考慮碰撞保護的車身設計,大大提升了車身儲氫的安全性。
而“加氫難”的問題也將隨著加氫站的布局得到解決。智通財經了解到,由于日本在氫燃料電池汽車方面走在前列,加氫站的布局也較密集。而國內的加氫站也在漸漸增加,東莞2016年就啟動了百億氫產業(yè)發(fā)展基金,今年8月份佛山市8座加氫站項目聯(lián)合動工。
由于技術的進步,目前燃料電池的鉑負載量已經大大降低。據了解,目前國內每千瓦的鉑用量大概0.3g,而國際先進水平可達0.06g以下。豐田Mirai使用經過多次優(yōu)化的鉑-鈷-碳復合材料,單車鉑用量降低到了20g,且具備相當程度的可回收性。而質子交換膜的性能也隨著優(yōu)化逐漸提升,氣體擴散層可對電池進行有效水管理解決水淹問題。
所以,存在的各種問題已經在解決或改進中,眼前可能呈現(xiàn)的機遇越來越多。
在新能源電動汽車補貼退坡背景下,國家對燃料電池的補貼不降反升。長城汽車在去年底就宣布進軍氫燃料電池車,計劃2022年推首款車型。濰柴動力董事長譚旭光7月底公開表示,將以濟南為主,推動2000輛城市公交車的氫燃料發(fā)動機的落地。
比亞迪表示,不僅已經開始了氫燃料電池的研發(fā),對于其它前沿電池技術也有研究,并會根據未來技術和市場因素做及時的調整和布局。
智通財經認為,要正視眼前的局勢,雖然這是“鉛酸當頭,鋰電正興”的時代,但兩者存在的問題卻不容忽視。氫燃料電池作為新能源的一員,在理論技術上是一大突破。即便還不成熟,但堅定信心提前布局,也許你就是第一個吃到螃蟹的人。
(責任編輯:子蕊)