成本和壽命制約 氫燃料電池車何時駛入快行道？

時間:2016-02-19 13:29來源:中國科學報 作者:西顧
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     雖然氫燃料電池車的優勢相當明顯，但是氫燃料電池的成本和壽命是制約其發展的兩大瓶頸。
 
     氫氣是全世界公認的環保燃料，在燃燒后不會產生二氧化碳和一氧化碳等溫室氣體，因此在許多年以前不少汽車廠商就開始在做關于氫燃料方面的開發，燃料電池就是鏈接氫與汽車的“紐帶”。
 
     當新能源汽車的概念與純電動汽車漸漸畫上等號時，氫燃料電池車等新能源汽車的其他動力成員似乎漸漸淡出了公眾的視線。然而，近日幾則關于氫燃料電池車的新聞，讓氫燃料電池技術重回公眾視線。
 
     最近在美國底特律舉行的車展上，來自德國奔馳公司的研發部門主要負責人托馬斯·韋伯（Thomas Weber）在接受媒體采訪時表示，奔馳將推出的GLC F-Cell由最新的燃料電池技術打造，其電池體積已大幅縮小。他還透露，奔馳目前已做好了該項目的相關準備工作，預計該車將于2017年亮相法蘭克福車展，其主要競爭對手為豐田Mirai、本田FCV Clarity及寶馬將于2020年推出的首款燃料電池車。
 
      在1月26日，起亞汽車澳大利亞分公司也對外宣布，他們一直在考慮采用最佳戰略為汽車引入可替代動力技術，并且傾向于采取氫燃料電池技術。作為該公司的母公司，韓國汽車制造商現代企業集團已經開始研發氫燃料動力技術，目前該技術已經在其ix35 Fuel Cell車型中采用，并在美國和歐洲部分地區限量銷售。
 
      而這些利好的消息，是否能夠讓氫燃料電池車成功逆襲，為新能源汽車發展提供更好的思路？
 
氫燃料優勢明顯
 
      雖然氫燃料電池的原理早在19世紀就被發現，但真正作為汽車動力考慮還在20世紀后，這與人類越來越注重溫室氣體排放有關。氫氣則是全世界公認的環保燃料，不含碳元素，在燃燒后不會產生二氧化碳和一氧化碳等溫室氣體，因此在許多年以前不少汽車廠商就開始在做關于氫燃料方面的開發，燃料電池就是鏈接氫與汽車的“紐帶”。
 
      燃料電池（Fuel Cell），顧名思義，是通過燃料的化學反應來產生電能的一種發電裝置。氫燃料電池車就是將氫氣和空氣送入燃料電池中，經過化學反應，最終產生電能。從驅動方式來說，這與純電動汽車并無不同，只是一個來自蓄電池，另一個則需要通過燃料電池發電。
 
      但與純電動汽車中電池的充電放電過程不同的是，在氫燃料電池內部，一場激烈的“交鋒”正在展開。氫燃料電池汽車的基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。而它們的附加產物只有水，電流用來給電動機提供動力，產生的水則直接排放出來。甚至有人認為，從理論上講，從排氣管排出來的水為純凈水，可以直接拿來飲用。
 
       盡管現在氫燃料主要是從天然氣中獲得，但是未來可以利用可再生的生物質或者水電、太陽能、風能、地熱能等再生能源制取氫燃料。
 
       而且，相較于純電動車背負的沉重龐大的電池組來說，氫燃料電池車只需要一個或多個氫燃料瓶。“在純電動車中，電池占了很大的重量比例，如果要純電動汽車的續航里程增加一倍，那汽車的重量基本上也要翻一番。氫燃料電池車則不存在這個問題,因此比純電動車具有更好的續航能力。”同濟大學汽車學院副研究員鄭俊生告訴記者，氫燃料電池車的另一個重要優勢是只須加氫而非充電，“與充電的時間相比，加氫的時間則與現在加油的時間基本一致，大約需要5到10分鐘。而且，我們還可以通過加裝多個氫氣瓶的方式，延長續航里程。”
 
       也因為缺少了沉重龐大的電池組，氫燃料電池車的底盤設計的靈活性也可以得到保障，車內的空間也并不會受到太大影響。
拿豐田汽車公司目前一款成功量產的氫燃料電池車Mirai舉例，據美國環境保護署（EPA）官方公布的續航里程達到了502公里，而加氫速度也是飛快，官方數據是僅需3~5分鐘即可加滿。
 
瓶頸依然存在
 
        雖然氫燃料電池車的優勢相當明顯，但是氫燃料電池的成本和壽命是制約其發展的兩大瓶頸。
 
        因為氫燃料電池需要使用鉑金類催化劑，才能通過氫氣和氧氣產生電能，其工作過程需要鉑金屬納米顆粒提供反應的“中心”，不過這樣做的成本很高。鉑金就是日常生活中人們熟識的白金，高昂的價格，讓氫燃料電池的成本問題較為嚴峻。“如果氫燃料電池不實現量產的話，成本下降較為困難。”鄭俊生表示。
 
        其次，燃料電池汽車的壽命離真正使用還有一定距離。盡管世界各國的研究人員一再提升氫燃料電池的使用壽命，目前世界上最好的氫燃料電池的理論壽命也只停留在8000~10000小時（若按每天工作4小時計算，氫燃料電池的使用時間約為5~6年）。而在鋰電池中，以循環次數較多的三元鋰電池為例，其壽命在理論上則能達到4000個周期（相當于8~10年）。
 
        此外，基礎設施也是氫燃料電池車難以大規模普及的原因之一。因為與電力增容、安裝充電設備相比，氫燃料電池車還需要重新建立足夠密集的加注管網。而且，氫氣的貯藏與運輸是個難題。“現在加氫站和氫燃料電池車的關系有點像‘雞生蛋還是蛋生雞’。”鄭俊生舉例說，“因為加氫站不夠多，所以人們購買氫燃料電池車的積極性不高；反過來說，因為沒人購買氫燃料電池車，所以建立更多的加氫站意義不大。而目前全國計劃在建的加氫站也只是個位數。”
 
技術組合才能讓新能源更好
 
        雖然，很多媒體都在放大氫燃料電池車與純電動車之間的矛盾，但實際上，新能源的使用并非非此即彼，而是可以多種融合。
 
        奔馳公司將于明年推出的氫燃料電池車也是鋰電池與燃料電池的合作。因為燃料電池不具備儲能的功能，只是相當于發電機，而鋰電池則恰恰可以將多余的電能儲存，兩者相加才能讓新能源發揮更好的作用。
 
        比如，Mirai也是混合鎳型電池與氫燃料的產物。“氫的能量密度很高，它可以讓汽車行駛更遠的距離，但功率密度卻不高。如果氫燃料電池和其他電源混合使用，比如鋰電池或者超級電容器，則可以相互輔助,使汽車具有更長的續航里程和更好的操控性。比如，100公里左右的行駛距離，駕駛者可以選擇使用鋰電池供電，一旦駕駛汽車進行遠途旅行，那么氫燃料就可以提供更長的續航里程。”鄭俊生解釋道。
 
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