鉅大LARGE | 點擊量：534次 | 2021年11月27日
激發(fā)氫能巨大潛力 燃料動力電池汽車正從夢想走向現(xiàn)實
●追求最終化的汽車
當代清潔能源汽車已進入一個多元化、多樣化、多維化發(fā)展的世紀，在電動汽車領域，特別是純電動汽車的發(fā)展居主導地位，不過要說明，F(xiàn)CEV也是屬于電動汽車序列中一種重要的，理想的新興產(chǎn)品。
當代，全世界，當然也包括我國正掀起一股FCEV熱，這是由于FCEV在相當長時間的創(chuàng)新，積累，進化的實驗性試制和試用過程中，已經(jīng)在相關的不少科技領域取得突破性進展，這無論是在原理上驗證，結構上整合，功能上進步都有了很好的顯現(xiàn)，已形成一種波浪式軋跡上的躍遷，可以說我們已經(jīng)看到了FCEV走向產(chǎn)業(yè)化的總趨勢。
由此國內(nèi)外一些科學家、工程師、學者和公司家再次提示：FCEV可能是汽車一種終端產(chǎn)品，而且會很好的引發(fā)令人十分向往的氫經(jīng)濟社會的來臨。在最近的一些汽車產(chǎn)業(yè)論壇上，汽車及相關業(yè)界人士對發(fā)展FCEV表現(xiàn)出更加有信心，認為不應再停留在示范上，而應該大力推動商業(yè)化的進程，這是對推動實體經(jīng)濟向新型方向發(fā)展，推動汽車產(chǎn)業(yè)由大變強的有力舉措之一。
那么到底FCEV有那些優(yōu)勢呢？請看，作為FCEV重要能源的氫，能量密度相當?shù)暮?，我們以世界標準的KW·h/kg為系數(shù)，氫能為33.3，天然氣13.8，汽油12.1，煤氣8.4，氫能比汽油高出2倍多；氫作為二次能源，其資源十分豐富，只要有水就可以制氫，還有其他眾多產(chǎn)氫方法，是人類社會用之不盡的“氫礦”；FCEV運行中排放出只是水，無論是對大氣的污染還是溫室氣體都應是“零”；當前FCEV一次充氣，可跑700公里，充氣只用3分鐘，而且還在不斷提升之中；當前FCEV的制氫用氫成本昂貴，但要多看前景，可能10年前后，可達到與傳統(tǒng)內(nèi)燃機運行同等價格，然后繼續(xù)下降，到2050年基本上可能實現(xiàn)氫氣零成本運行；不久未來同樣可以出現(xiàn)FCEV的智能化車輛，特別是要注意克服氫能不安全運作一些隱患，成為更安全的產(chǎn)品。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當然，當前一些人士認為氫能備制和應用成本很高，高純度的氫提煉難度大，這些劣勢是很難克服的。我想用全息論中的演化推理方式，即溯因法來分析，即事物的發(fā)展分為可逆的和不可逆的。如我們用汽柴油汽車，必然會出現(xiàn)大氣污染和溫室效應，雖然可以減少但不會排除，而氫氣則是無害無毒的，氫氣當前的高成本問題是可以克服的，前者屬于不可逆性，后者屬可逆性，就是說我們以此為依據(jù)對事物的現(xiàn)狀和未來把握其本質(zhì)問題，而確定其目的性，這就證實為何人們要用二百多年這樣漫長的歷史，堅持不懈的去探索，研究氫氣和燃料動力鋰電池問題，可以說一門重大的科學的應用多是經(jīng)歷著一個孕育到誕生，再到發(fā)展壯大的自然歷史過程，這是歷史進化的必然規(guī)律，也是最終要完成目標的重要因素。
FCEV既是一種古老又新型的高科技產(chǎn)品，它的悠久歷史可追溯到二百多年的歷程。在1801年英國科學家H·Davy發(fā)明了燃料動力鋰電池的原理；1889年英國科學家Mond首先用工業(yè)煤和空氣合成裝置制氫，并正式用上燃料動力鋰電池的命名；20世紀50年代，英國劍橋大學教授培根用高壓氫試制成功5kw的燃料動力鋰電池，在試驗室中應用；1965年美國GE公司把燃料動力鋰電池裝上阿波羅（Appollo）登月飛船，供應電力；2002年美國總統(tǒng)布什制訂《自由汽車計劃（FreedomCAR）》，研究應用燃料動力鋰電池汽車產(chǎn)業(yè)化問題，為此供應FCEV的不斷探索留下不少相關相關經(jīng)驗和教訓；2003年美國提議成立《氫能經(jīng)濟國際合作伙伴（IPHE）》，美國和西歐等15個國家都參與了，我國也在其中，2004年五月第二屆IPHE指導委員會議就是在北京人民大會堂召開的，2007年美國通用汽車公司和加拿大知名的巴拉德燃料動力鋰電池公司，在雪佛蘭Equinox轎車裝上燃料動力鋰電池進行試運行，至今還在繼續(xù)改進實驗中；同年歐盟提出《歐洲清潔都市交通計劃（CUTE）》，擬在阿姆斯特丹、漢堡、倫敦、盧森堡、馬德里、斯德哥爾摩等城市開展燃料動力鋰電池公共汽車示范運行；2011年德國戴姆勒·奔馳汽車公司開展了FCEV全球巡展演示，投入Citano燃料動力鋰電池客車36輛，由20個交通運營商負責進行巡展，其全程運行已達480萬公里；歐盟在2014年公布《地平線2020年計劃》，指出到2020年，燃料動力鋰電池各種車輛應用要達到20萬輛，加氫站1000座，氫氣來源50%以上來自非石化能源生成的，成本要下降90%；2015年五月國際第23屆IPHE指導委員會在我國武漢召開，很好的交流了國際對氫能和燃料動力鋰電池的最新進展，以及下一步計劃，也為我國加強國際上合作，共享資源供應了好機遇；2016年五月《亞洲氫能與燃料動力鋰電池大會》在上海召開，并舉辦展示，特別關注的是制氫和燃料動力鋰電池的裝備，對發(fā)展FCEV起到很好助推用途。
這里要指出，國際汽車界人士認為2015年是FCEV的元年，這重要以日本豐田的“未來”（Mirai）正式進入初期的商業(yè)化運作為標志而提出的，Mirai功率113kw，扭矩335N·M，相當于2.0發(fā)動機轎車水平，續(xù)行500公里，在日本成本720萬日元，政府補貼200萬日元，市場售價500萬日元（約折合26萬元人民幣），這和“皇冠”轎車價格差不多。豐田2015年產(chǎn)銷700輛，2016年1600輛，其中三分之一出口，2017年計劃3000萬輛，2020年為迎東京的奧運會，計劃推出3萬輛。與此同時，本田、三菱、馬自達、大發(fā)等公司也都拋出具有自己特色的FCEV，本田的ClarityFCEV續(xù)程已達589公里。近來，日本通產(chǎn)省公布《燃料動力鋰電池汽車戰(zhàn)略路線圖和氫能社會白皮書》提到，2025年實現(xiàn)200萬輛的目標，2030年加氫站達1800座，相應對質(zhì)量，成本和配套工程設施都要很好改善，形成規(guī)?；芰ψ呦蚴袌觥?/p>
我國也是十分重視和積極發(fā)展FCEV的國度。早在20年前的“十·五”的863重大專項中，就明確指出要支持FCEV的研發(fā)，撥款3.8億元；到“十一·五”和“十二·五”規(guī)劃中，在節(jié)能與新能源汽車重大項目中，都把FCEV列為重點項目，支持發(fā)展；2014年一月《我國燃料動力鋰電池技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟》在上海成立，同濟大學、清華大學、武漢理工大學、重慶大學參與，一汽、東風、上汽、長安、奇瑞等汽車及零部件公司都參與，燃料動力鋰電池及其附屬公司也參與，目的是加緊實行產(chǎn)、學、研聯(lián)合，更好攻克核心技術，加強FCEV產(chǎn)業(yè)更好更快發(fā)展；今年四月，三部委有關《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中，對FCEV的戰(zhàn)略地位進一步加強，提出三個時間節(jié)點要求，2020年在特定地區(qū)的公共服務車輛領域進行小規(guī)模示范應用，2025年私人用車和公共服務用車領域批量應用，不低于1萬輛，到2030年在私人乘用車，大型商用車領域進行規(guī)模化推廣，不低于10萬輛。與此同時，三部委公布《2016-2020新能源汽車推廣應用財政支持政策通知》中指出，在2017-2020除燃料動力鋰電池汽車外，對其他新能源汽車的補助標準實行必要的退坡，而燃料動力鋰電池汽車補助保持不變，甚至個別車種還有所提高。由此可見國家在宏觀層面，對氫能和燃料動力鋰電池汽車給予越來越重視和支持。
在公司層面，我國第一輛FCEV于1999年十二月在清華大學試驗成功。2001年十二月美國通用汽車公司和上汽集團合資的泛亞技術中心，研制出“風凰”FCEV。2008年北京奧運會上，有20輛各種燃料動力鋰電池汽車在會上示范運用，2010年上海世博會上有40輛各種燃料動力鋰電池汽車，供大會交通示范運行。2014年上海榮威950第四代FCEV產(chǎn)出，行程400公里。宇通客車公司是首家推出燃料動力鋰電池客車，2014年9輛，2016年100輛，2020年計劃4000輛，宇通第四代燃料動力鋰電池客車，續(xù)程600公里，成本下降50%，加氫10分鐘。北汽福田汽車公司也推出“歐輝”牌燃料動力鋰電池客車，計劃28輛，送廣州和佛山地區(qū)進行示范運行。東風汽車公司第一款EQ5080型燃料動力鋰電池廂式運輸車已問世，續(xù)程305公里。據(jù)統(tǒng)計目前為止，我國共研發(fā)試制出200多輛各種燃料動力鋰電池汽車在各個時間段進行示范運行。2017年六月二日工信部公布通告《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》中，就包括有燃料動力鋰電池客車5種，專用車及卡車2種，假如加上2016年公布燃料動力鋰電池轎車1種，則FCEV在國家目錄中共計有8種車型，確認正式列為商品對待，但目前產(chǎn)量還很少，急待改革和改進。
●激發(fā)氫能的巨大潛力
氫能作為燃料動力鋰電池的“燃料”，非常重要，一定要先行一步。
氫作為一種無色、無味的氣體，廣泛的分布于地球的地表、地幔、地核和大氣層中，是宇宙中最為重要，質(zhì)量最輕，最為清潔、最為豐富元素之一。
氫重要以化合物形式生存，最突出表現(xiàn)是水，氫占水總質(zhì)量1/9，假如用電解水制氫，能量密度很高，其效率可達80%；氫還生存于一些礦物質(zhì)中，如綠柱石，鋰電氣石，頑火輝石的結構中，多以極少量氣態(tài)生存；氫還分布于地球不同氣層中，含量隨高度不同，也有少量的氫氣存在；更加有趣的是氫氣還是生命組成的一種元素，在人體中有81種元素，氫占10%，僅次于氧和碳，居第三位，所以氫也可稱得上一種有機物的物種。
氫還有一個重要用途，即氫的同位素將對正在開發(fā)和試驗的核聚變電站供應基礎原料，我們曾用“氕”表示氫，它的同位素“氘”“氚”，也叫重氫，資源極為豐富，而且無輻射危險。大家都了解，人們先發(fā)明原子彈，后來又發(fā)明氫彈，實際上是核裂變和核聚變的理念和應用的革命性變化。歐盟認為到2035年核聚變電站可以投入商業(yè)化應用，我國專家認為到2040年有可能投入應用，目前我們和美、英、法、日、德等國家已多年組成聯(lián)盟，共同開發(fā)核聚變電站?？梢灶A言假如核聚變電站投入應用，那時用電幾乎不用花錢，太便宜了，而且很安全，沒有放射性，非常干凈、無害，被稱為“仿造太陽的廠”。
氫在人為狀態(tài)下形成三種形態(tài)：氣體氫：這已成為氫的常態(tài)，是衡量氫物理和化學質(zhì)量的標準形態(tài)；液態(tài)氫：目前多用高冷卻方法形成的，要在零下253℃時，可促使氫液化，如現(xiàn)在太空火箭上的推動燃料就是用液態(tài)氫；固態(tài)氫：在超高壓下，促使液氫向具有導電金屬特性的固態(tài)氫出現(xiàn)，所以也叫金屬氫，它具有很好的超導性和超級能量，在航天、和上有特殊用途，民用工業(yè)也有很好用途。
氫的備制歷史也是很長，而且方法非常多樣化，因時因地而宜，同時要求要不斷改進創(chuàng)新之中。有電解水制氫、水煤氣法制氫，、石油熱裂合成和天然氣熱合成制氫、焦爐和煤氣冷凍制氫，電解食鹽水的副產(chǎn)氫、釀造工業(yè)發(fā)酵制氫、甲醇裂解吸附制氫、鐵與水蒸氣反應制氫等。當代比較新的制氫方法，如生物質(zhì)制氫，微生物酶制氧、海水淡化制氫，可再生能源，如風能、太陽能、水能、地熱能、海洋能發(fā)電制氫，如我國已建成海水淡化工程103個，總規(guī)模90萬噸/日，并推廣淡化水制氫示范工作。
氫的儲存，包括民用和工業(yè)用氣源以及交通工具，如FCEV氣源的存儲方式，有加壓氣態(tài)儲存，目前國際上FCEV儲氫罐壓力達70Mpa已比較常用；液態(tài)儲氫，對儲氫罐技術要求高，罐內(nèi)溫度和外面溫度相關很大，內(nèi)部容器構造復雜，防止出現(xiàn)熱漏，在FCEV上也有選用；金屬氫儲存是應用氫和多種不同金屬化合之后生成金屬氫化物，如鋁、釩、鎂、稀土系等，這種方法具有較大儲氫容量，單位體積儲氫密度好，儲氫循環(huán)壽命長，成本低；還有非氫化物儲存，如氮、硼、硅、甲醇等氫寄存其中，當化合物化解時放出氫，比較新型的納米碳儲氫，在碳微孔中存儲大量氫，是一種有前景的儲氫手段，還有碳納米管電化儲氫，已證實具有較高儲氫量，具有良好應用前景，在FCEV都在選擇之中。
氫氣輸送和加注。氫的運輸對氣態(tài)和液態(tài)已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模應用。由于用戶和要求不同，氫氣可以用管網(wǎng)，也可與天然氣輸送管共用，還有通過儲氫容器裝在車、船上，管網(wǎng)適應于量大的需求，船運、車運則適應分散的場合。
當前，對FCEV推廣來說重要是建設加氫站問題。世界上第一座FCEV加氫站是1999年五月在德國慕尼黑機場建成。目前國際上已有加氫站重要以水電解制氫為主，少部份采用天然氣水蒸氣重整制氫，也有的是運氫到加氫站的。到2016年一月全球已設立290座，其中日本28座、歐洲97座、美國75座、韓國80座、我國4座、澳大利亞1座。我國加氫站分布在北京、上海、廣州、鄭州，今后將會在FCEV示范區(qū)建設加氫站，2017年中科院大連化物所與同濟大學發(fā)明以風能與太陽能結合制氫的加氫站，每日可供200臺FCEV續(xù)程800公里的需求。美國海德利森已至國內(nèi)設立移動式加氫站業(yè)務，尋求合作建氫站。預計到2020年全球?qū)⒊霈F(xiàn)5200座加氫站，比目前的上升18倍，以適應發(fā)展FCEV的需求。
據(jù)Persistence市場研究公司預測，到2020年全球氫氣需求量將從2013年的2553億立方米，新增到3248億立方米，上升27%，其中特別是我國，將是全球氫能需求和生產(chǎn)第一大國。
氫能有這么多優(yōu)勢，但人們對氫能安全仍有擔心，認為氫能屬于一種易燃爆氣體，特別是擴散度相當?shù)目欤敽涂諝饨佑|時，形成混合氣體，燃爆極限更寬。為此我專門請教了有關專家，得到答案，是認為氫氣燃燒時容易快速噴發(fā)，但屬直線式形態(tài)而逃逸，不像汽柴油那樣燃燒后，不易疏散滯留性大，停留散發(fā)在原地帶，所以氫燃燒危險不比汽柴油燃燒高，同時近來人們對氫的制備整個過程的泄漏、靜電、電氣防爆、脆化等不安全因素，大力進行改進，在實用中已取得比較好的安全驗證。如本田2017年的Clarity已開始在日本本土和美國出售，燃料動力鋰電池的3個儲存罐嵌在底盤架上，這樣雖然對車輛底部振動，環(huán)境惡劣，容易受碰撞，他們認為在技術上已得到反復測試可以放心使用，而客車多把氫罐放在車頂，出事故時對車內(nèi)影響不大。但車企認為盡管有了這些安全舉措，對氫能安全問題仍不能自滿，仍作為全產(chǎn)業(yè)鏈的安全舉措，持續(xù)不斷改進，不斷提升安全可靠的水平。
