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氢燃料电池汽车 和展望

邱晨曦

摘 要:氢燃料电池汽车作为一种新能源汽车,其零污染,零排放的特性,引起了世界各国的广泛关注.目前,世界各国已经陆续颁发了一系列与氢燃料电池汽车产业相关的扶持政策,鼓励企业、高校以及相关研究机构加大研究力度,加快布局抢占先机.虽然氢燃料电池汽车的优势众多,但在实现产业化和商业化过程中仍然会面临着许多阻碍.文章主要针对目前氢燃料电池汽车的发展现状进行分析,并对氢燃料电池汽车未来的发展提出合理化建议.希望通过以上的论述,能对氢燃料电池汽车的发展起到促进作用.

关键词:氢燃料电池;汽车;发展研究

中图分类号:U473  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2019)23-25-04

Development and Prospect of Hydrogen Fuel Cell Vehicles

Qiu Chenxi

( Fuzhou Vocational and Technical College, Fuzhou Fujian 350108 )

Abstract: As a new energy vehicle, hydrogen fuel cell vehicles he attracted the attention of all countries in the world due to their zero pollution and zero emission characteristics. At present, countries around the world he successively issued a series of support policies related to the hydrogen fuel cell vehicle industry, encouraging enterprises, universities and related research institutions to increase research efforts and speed up the layout to seize opportunities. Although hydrogen fuel cell vehicles he many advantages, they still face many obstacles in the process of industrialization and commercialization. This paper mainly analyzes the current development status of hydrogen fuel cell vehicles and puts forward reasonable suggestions for the future development of hydrogen fuel cell vehicles. It is hoped that through the above discussion, it can promote the development of hydrogen fuel cell vehicles.

Keywords: Hydrogen fuel cell; Automotive; Development research

CLC NO.: U473  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2019)23-25-04

前言

随着人们生活水平的不断提高,汽车的保有量在逐年上涨,石油能源枯竭与环境污染问题也日趋凸显,汽车排放的废气造成的环境污染、温室效应以及海平面上升等问题已经成为人们关注的焦点.虽然汽车的使用会对社会带来一系列的负面影响,但作为目前人们出行使用最频繁的工具之一,人们没办法因此而选择弃之不用[1].最好的方式就是开发一种零污染,零排放的新能源汽车.氢燃料电池汽车作为新能源汽车的一种[2],它以氢做为动力源,通过与氧气发生化学反应产生电能,可以直接驱动电动机,为汽车提供动能,且产生电能的过程反应产物是水,可真正意义上的实现零污染、零排放.为了推动氢燃料电池汽车工业的发展,世界各国已经陆续颁发了一系列与氢燃料电池汽车产业相关的扶持政策,鼓励企业、高校以及相关研究机构加大研究力度,加快布局抢占先机.然而由于技术尚未成熟,氢燃料电池汽车的产业化和商业化仍然面临着许多阻碍[3].

1 国内外氢燃料电池汽车的发展现状

氢燃料电池汽车由于具有零排放,零污染、效率高以及能源可再生等优势,被认为是汽车工业可持续发展的重要发现.目前,国际的氢燃料电池汽车已经步入了技术与市场的示范阶段.我国由于氢燃料电池汽车起步较晚,正面临着技术创新难以突破、产业化基础薄弱以及科研人员缺乏等问题.这一系列的问题,大大阻碍了我国氢燃料电池汽车的发展.

1、1 国外氢燃料电池汽车的发展现状

由于國外在氢燃料电池汽车领域起步较早,目前已经基本实现将传统汽车平台改造成为氢燃料电池汽车平台的生产模式,日本和欧美在氢燃料电池汽车研发水平方面处于世界领先位置,在氢燃料电池汽车的安全性、可靠性等方面取得了重大突破,并陆续推出了先进的氢燃料电池汽车.如丰田汽车公司研发的Mirai、日产的Xtrial、奔驰的F-Cell、通用的Equinax以及现代的LX35等,都是氢燃料电池汽车的典型代表[4].目前这些主流氢燃料电池汽车的性能指标如表1所示.

表1  主流氢燃料电池汽车的性能指标

相较而言,丰田汽车公司研发的Mirai综合性能较好,特别是在氢燃料电池催化剂铂的用量方面,远低于其他车型,铂最为一种贵重金属催化剂,降低铂的用量可大大降低燃料电池汽车的成本,提高氢燃料电池汽车的市场竞争力.

1、2 国内氢燃料电池汽车的发展现状

在我国,随着政府对氢燃料电池汽车产业的大力扶持,以奇瑞、长安、一汽以及上汽为代表的汽车公司也相继对传统的汽车平台进行改造,但是由于尚未掌握燃料电池的关键技术,目前生产制造的氢燃料电池汽车综合性能相对较差,仍处于试运行阶段[5].

尽管丰田汽车公司的氢燃料电池汽车研发技术处于世界领先水平,截止到2017年底丰田Mirai占到全球氢燃料电池乘用车销量九成以上,但也仅仅销售5300辆,就目前的发展情况来看,氢燃料电池汽车在短期内难以产业化[6].

2 阻碍氢燃料电池汽车发展的因素

尽管国外的氢燃料电池汽车技术较为领先,但是距离实现产业化和商业化还有很长的路要走,阻碍燃料电池汽车发展的因素还有很多,主要有氢燃料电池成本过高、加氢站太少、氢气补给困难、氢气制取困难以及消费者认可度较低等因素.

2、1 氢燃料电池成本高

氢燃料电池不仅制造技术要求高,且采用的铂催化剂、电解质膜和双极板的成本较高.目前氢燃料电池组中都使用铂作为催化剂,这种金属高,在寻找到其替代品之前,这将会一直是阻碍氢燃料电池发展的重要因素.由于要求氢燃料电池中的电解质膜必须具有较强的氧化和还原稳定性,所以电解质膜的较高,目前氢燃料电池所用的电解质膜每平米约600美元.氢燃料电池中的双极板采用的是石墨材料,制造石墨双极板需要在2500℃以上进行,且要求石墨双极板要达到不透性要求,导致其加工过程成本过高.以丰田Mirai为例,当每年生产氢燃料电池的系统生产能力达到50万个时,催化剂、膜和双极板的成本将占到整个氢燃料电池成本的80%左右[7].

2、2 加氢站太少,氢气补给困难

氢燃料电池汽车的发展,免不了加氢站的建设,建设加氢站成本过高也是制约燃料电池汽车发展的主要因素之一.目前在国内建设一座加氢站的投资在200~250万美元之间[8];日本建设一座中型加氢站投资在500~550万美元;在美国约需要280~350万美元[9],从加氢站的投资建设来看,我国在建设成本上具有一定优势.近年来,全球加氢站的数量不断增长,2015-2018年全球加氢站数量如图1所示,2018年年底,全球的加氢站数量达到了369座,其中欧洲为152座,亚洲为136座,北美为78座.截至2018年年底,我国已建成或在运营的加氢站有26座[10].从整体上来看,全球的加氢站数量依然只是沧海一粟,过少的加氢站非常不利于氢燃料电池汽车的普及和推广.

图1  2015-2018年全球加氢站数量(单位:座)

2、3 氢气制取困难、储存条件高

氢气不是自然存在的能源,而是必须通过转换得到,氢气制取可通过煤气化、天然气重整以及水电解等方式,但这些过程都会消耗能源和电力[11].目前加氢站的氢气来源主要还是以电解水的方式制得,整个制氢过程需要消耗大量的电能.由于要使燃料电池稳定工作,氫气的纯度将至关重要,高纯度氢气的制取过程不仅复杂,且必须消耗大量的能量,这就使氢气的获取成本大大提升.除此之外,由于氢气密度小,要保证燃料电池汽车的续航里程,就必须采用高压容器对氢气进行压缩储存,氢气在压缩过程要消耗能量,且氢气罐在达到压力标准的同时还要使氢气罐尽可能的轻量化,这就使得氢气罐制造的成本大大提高.因此,从氢气制取提纯,到压缩储存整个环节的成本过高,会致使氢燃料电池汽车性价比大大下降.据中国氢能联盟数据统计,如图2所示,2018年我国的氢气产量约为2100万吨,位居世界第一,从2012-2018年来看,我国氢气产量虽然呈逐年递增趋势,但增速较缓.

图2  2012-2018年中国氢气产量

2、4 消费者对燃料电池汽车的安全性存在质疑

氢燃料电池汽车要想实现量产化、商业化甚至完全替代燃油车,消费者的认可度将是最直接的决定性因素.就目前的调研来看,消费者对氢燃料电池汽车的认可度偏低,主要是对氢燃料电池汽车的安全性存在疑虑.为何大家会“谈氢色变”,主要源于原料氢气易燃易爆特性,一旦氢燃料电池汽车发生氢气泄漏或者剧烈碰撞时,燃料电池汽车能否保证不发生剧烈燃烧甚至爆炸现象.目前,汽车企业在氢燃料电池汽车的设计过程中也考虑到了氢气的安全性问题,都尽可能的将氢气罐和燃料电池设计在车的最位.以丰田汽车公司研发的Mirai为例,其燃料电池和储氢罐设计在了座椅和后备箱的底部,具体结构如图3所示,一旦发生事故,该部位可最大限度的对燃料电池和储氢罐进行保护.除此之外,汽车制造企业在将氢燃料电池汽车推向市场之前都会进行一系列的安全测试,通过测试数据来说明氢燃料电池汽车的安全性,但就大部分消费者而言,由于目前氢燃料电池汽车市场的占有率太少,缺乏实际的数据支撑,这些理论数据更像是包装的外壳,不具有说服力.因此,氢燃料电池汽车的推广还存在很大阻力.

图3  氢燃料电池汽车结构示意图

3 氢燃料电池汽车未来的发展

由于石油能源的枯竭和环境污染问题日益凸显,目前世界各国都在快速推进氢燃料电池汽车的发展,在国家政策及行业的不断推动下,制约氢燃料电池汽车发展的因素也将得到改善[12].就我国而言,根据白皮书公布的目标,预计到2050年氢能在我国能源体系中的占比将得到10%左右[13],加氢站网络构建完成,燃料电池汽车产量将达到520万辆/年,燃料电池车辆保有量达到1000万辆.氢燃料电池汽车规模壮大是历史发展的必然趋势,氢燃料电池汽车的发展轨迹将会与燃油车的发展类似,需要进行不断的改进和创新.早在100年之前燃油车也因为技术不成熟、安全性不够以及燃油添加困难等弊端被消费者所排斥,但是随着研发的不断深入,科技水平也随之不断提高,阻碍燃油车发展的主要因素随之被一一解决,燃油车也开始受到消费者的认可甚至是追捧.如今正处于科技迅猛发展的时代,氢燃料电池汽车从起步到成熟的阶段将会比燃油车来得更快,在不久的将来氢燃料电池汽车必将受到广大消费者的认可,甚至可能完全替代燃油车成为主流.

4 结论

尽管目前氢燃料电池汽车在发展过程中仍然有很多瓶颈,但是随着氢燃料电池汽车技术的不断成熟;国家政策及行业的不断推动;消费者认可度的不断提升;氢燃料电池汽车完全有可能替代燃油车成为主流.

参考文献

[1] 王晶.新能源汽车发展分析[J].科技致富向导, 2013(18):104-104.

[2] 靳鹏超.新能源汽车用锂离子电池组热管理系统的研究[D]. 2013.

[3] 陈秀娟.燃料电池的美与距离[J].汽车观察, 2015(07):89-91.

[4] 氢能和燃料电池.氢燃料电池行业调研报告[EB/OL]. (2018-03- 11)http://www.sohu.com/a/228599388_560178.

[5] 梁潇,许思传.车用燃料电池耐久性的研究进展[J].中国科技博览, 2012(3):36-38.

[6] 陈正泉.新能源汽车的发展探讨[J].科学技术创新, 2019(01):15-16.

[7] 氢能源燃料电池电动汽车.中日氢能源燃料电池汽车发展的对比分析[EB/OL]. (2018-05-25)http://www.dmotor.cn/Article/jishu/ 2865.html.

[8] 李蘭清.多相态条件下环己烷在Pt-Sn/Al_2O_3催化作用下的高效脱氢反应研究及液体有机氢化物车载储氢系统概念设计[D]. 2017.

[9] 中国产业信息网.2016年中国加氢站市场规模及投资前景预测[EB/OL]. (2016-08-29)http: //www.chyxx.com/industry/201608/ 442508.html.

[10] 中商产业研究院.2019年中国加氢站市场发展前景及投资研究报告[EB/OL]. (2019-06-13)http://www.askci.com/news/chanye/    20190613/1531081147669.shtml.

[11] Hao H, Mu Z, Liu Z, et al. Abating transport GHG emissions by hydrogen fuel cell vehicles: Chances for the developing world[J]. Frontiers in Energy, 2018, 12(15):1-15.

[12] 欧可升.碳纤维全缠绕复合材料高压储氢气瓶耐局部火烧性能研究[D].浙江大学, 2014.

[13] 能源.2019年中国氢能源行业市场现状及发展趋势分析[EB/OL]. (2019-10-21)http://www.sohu.com/a/348564103_465907.

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