燃料電池就像高高屹立在青藏高原上的珠穆朗瑪峰,無論從哪個(gè)角度看,風(fēng)景都很美,但離我們很遙遠(yuǎn)。
迄今為止,珠穆朗瑪峰僅有為數(shù)不多的職業(yè)登山家成功登頂,大多數(shù)人無法攀登,這與氫燃料電池汽車很相似。目前,各國僅推出少量車型用于研究、驗(yàn)證或者局部使用,廣大消費(fèi)者還不能方便地享用。
應(yīng)用前景很誘人
科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)了燃料電池的技術(shù)原理,當(dāng)時(shí),這一發(fā)現(xiàn)囿于諸多限制因素沒有引起大家的足夠重視。近年來,隨著空氣污染加劇、石油資源日益減少,燃料電池汽車引起了廣泛關(guān)注。
燃料電池根據(jù)電解質(zhì)不同,可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)等幾種。車用燃料電池大多采用質(zhì)子交換膜燃料電池。
燃料電池優(yōu)勢非常突出。同濟(jì)大學(xué)張智明博士說:“目前為止,還沒有哪一項(xiàng)能源生成技術(shù)像燃料電池那樣將諸多優(yōu)點(diǎn)集于一身。”
燃料電池具有較高的能效。燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,不會因?yàn)槿紵饔卯a(chǎn)生大量廢氣與廢熱,能量轉(zhuǎn)換率約為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的3倍以上。目前,直接使用氫氣的系統(tǒng)效率超過50%,如果將燃料電池排放的廢熱加以回收利用,能量利用率超過85%。而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的熱效率大約為20%~30%。
燃料電池具有環(huán)境親和性。部分燃料電池會排放二氧化碳,但遠(yuǎn)低于燃燒汽油的排放量(約為其1/6)。氫燃料電池尾氣排放只有水,真正做到了無污染,無溫室氣體排放。
燃料電池還有無火花、低噪聲、無廢棄物處理問題、高機(jī)動性等特點(diǎn)。目前,燃料電池的能量密度已從早期50~80Wh/kg提高到3000Wh/kg,比鋰離子電池高出許多倍。
燃料電池汽車的續(xù)駛里程不低于傳統(tǒng)燃油汽車。國外相關(guān)機(jī)構(gòu)研究表明,一加侖汽油與一公斤氫氣行駛里程相當(dāng)。
燃料電池的氫來源廣泛,成本也較低,據(jù)介紹,天然氣、甲醇制解、水電解等都可以制造氫氣,許多化工企業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量氫氣,完全可以回收利用。華南理工大學(xué)教授廖世軍說:“用天然氣制氫,大約每立方米花費(fèi)3元,電解水制氫,每立方米大約需要4度電。”
推廣難題多
燃料電池優(yōu)點(diǎn)突出,缺點(diǎn)也很明顯,推廣使用還有很多難題需要解決。
燃料電池的成本非常高。廖世軍告訴記者,質(zhì)子交換膜和鉑催化劑均為昂貴材料,導(dǎo)致每輛車成本大約為150萬~200萬元人民幣。同濟(jì)大學(xué)張智明博士向記者提供了幾個(gè)數(shù)字,質(zhì)子交換隔膜的價(jià)格大約為每平方米300美元,約占成本的35%,PEMFC中每平方厘米鉑催化劑含量約為0.5毫克,約占成本40%。
氫燃料電池的安全成本比較高。目前,加氫站普遍采用低壓取氫、高壓注入方法。壓力為35MPa或者70MPa,這對儲氫罐提出了很高的安全要求。一位國外燃料電池專家告訴記者,有些跨國汽車企業(yè)采用鋁合金和碳纖維制造儲氫罐,比一般氫氣瓶成本高很多。加氫站安全要求很高,加氫站的建設(shè)成本也非常高。氫氣運(yùn)輸也是人們不得不考慮的因素。
燃料電池汽車原理很簡單,但幾位專家都告訴記者,真正投入到實(shí)際運(yùn)用中,燃料電池汽車的系統(tǒng)非常復(fù)雜,這導(dǎo)致其制造和維修保養(yǎng)成本比較高。
燃料電池存在壽命問題。幾位專家均告訴記者,如果氫氣純度不高,鉑催化劑會中毒。為了保證使用壽命,氫燃料電池均使用高純度氫氣,據(jù)介紹,氫氣純度一般要求達(dá)到99.99%,有些要求達(dá)到99.9999%。一般工業(yè)制氫純度為99%,每提高一個(gè)數(shù)量級,成本增加很多。另外,燃料電池汽車頻繁起停也會大大縮短壽命。
各國努力研發(fā)新技術(shù)
最新數(shù)據(jù)顯示,未來10年內(nèi),全球燃料汽車市場份額將高達(dá)1800億元,各國加緊研發(fā)新技術(shù),新材料,搶占未來汽車市場的主導(dǎo)權(quán)。
各國在燃料電池上的研發(fā)主要集中于降低鉑催化劑用量;增強(qiáng)催化劑穩(wěn)定性;開發(fā)更便宜的質(zhì)子交換膜;提高膜電極性能;優(yōu)化燃料電池系統(tǒng);燃料電池水管理和熱管理;提高燃料電池系統(tǒng)的效率和壽命等。
張智明說:“國外有些燃料電池鉑含量降低為0.18g/cm2,成本大大降低。”
清華大學(xué)教授李建秋說:“2011年,燃料電池成本達(dá)到49美元/Kw,預(yù)計(jì)2017年將達(dá)到30美元/Kw。”
廖世軍說:“燃料電池壽命目標(biāo)是1萬小時(shí),現(xiàn)在有些國家已經(jīng)超過。”
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