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程振彪:氫燃料電池汽車真的成本高、不安全嗎?

來源:汽車信息網 | 2016-10-24 11:35:17
10月19日,牛一龍發表了《重磅!為什么說燃料電池汽車是新能源汽車最具戰略意義的突破口》文章

10月19日,牛一龍發表了《重磅!為什么說燃料電池汽車是新能源汽車最具戰略意義的突破口》文章,東風汽車公司原副總工程師、資深汽車情報專家程振彪及新書《燃料電池汽車——新能源汽車最具戰略意義的突破口》進行簡要說明,經“新浪看點”平臺推薦后在行業引起強烈反響:一天多時間閱讀量就達到36000多人次,有汽車企業高管留言希望程老講課的,有希望程老推薦人才的,也有希望當面求教與交流的。

有贊同的,比如氫燃料電池才是最好的綠色能源,燃料電池確實比純電的可用性更高,更值得推廣,廢物利用率也更好!

也有質疑的,比如:液態氫大規模制造以及安全性問題,單說電制氫再轉化動能的效果肯定不如電池充電放電再帶動電機效率高,高性能電池技術突破在即,還有必要去發展這種低效復雜危險的技術嗎?加氫站成本大于電站且危險?

對此,程振彪通過“E車匯”表示,感謝大家對他本人、新書尤其是對新能源汽車發展的關注,正是有不少人對世界燃料電池汽車的發展現狀和進步不了解,所以他才寫書公開傳播,看到不同意見更說明本書出版的必要性。

此外經程老提議,我們將為本篇文章評論點贊數最多的前五名讀者,每人送出《燃料電池汽車——新能源汽車最具戰略意義的突破口》一本,以答謝一直以來支持“E車匯”的朋友。現將本書相關主要觀點摘錄如下:

新能源汽車的終極解決方案

氫燃料電池(電動)汽車的關鍵所在和奧妙之處,在于它的動力來源——(氫)燃料電池近乎完美和非常理想的工作原理與機制,其名義上叫電池,而實質上是一種基于電化學原理,將作為“燃料”(此所指燃料已不是傳統意義上的燃料,因為它并未“燃燒”,因此,要加引號)的氫和空氣中的氧化劑反應生成的化學能轉換成電能的發電裝置(或者稱為“氫氣發電機”)。

燃料電池早期主要應用于航天和軍事目的,后來,鑒于其巨大的潛在優勢和應對日趨嚴重的交通環境污染,人們又研究將之應用于汽車而作為動力裝置。經過數十年,尤其是自20世紀90年代以來,科技人員扎扎實實的埋頭探索和反復試驗研究,如今,世界上氫燃料電池汽車的技術進步飛快,成果顯著,大大超出國內許多人的預想,已經顯露出光明的發展前景;在(純)電動汽車關鍵技術障礙久攻不破的困擾下,的確給人們帶來一種“眼前一亮”的感覺。

在世界汽車工業界多年艱難嘗試了多種新能源汽車技術方案之后,依據氫燃料電池汽車表現出來的無以倫比卓越的環保性和很高的能效,再參照對全球正在醞釀興起的第三次工業革命的預判,學界有人甚至斷言,氫燃料電池汽車很可能是世界汽車的最終發展目標和新能源汽車的終極(解決)方案。該項革命性的技術成果對人類未來經濟社會將產生的重大影響和廣闊的發展前景,已被世界一些具有敏銳眼光的科學家所認識。據稱,最近,一個由18位頂尖科學家團隊——世界經濟論壇新興技術跨界理事會,評選出全球未來最具發展潛力的、諸如無人機、新一代機器人、3D/4D打印等等的十大新興科技。其中,氫燃料電池汽車位居榜首(見2015年第六期《中國經濟報道》)。

燃料電池潛在的遠大發展前景,不僅為汽車業界人士所認識,而且也受到航空界的青睞。意大利都靈理工學院成功研制出世界首架燃料電池飛機,并在柏林航展上展出。在此之前,該架飛機已在漢堡試飛成功(見2012年9月15日《環球時報》)。2012年,在漢諾威工業博覽會上,德國航空航天中心也展示了其研發的燃料電池飛機(見2012年4月28日《科技日報》)。同樣,鑒于其巨大的優越性,燃料電池潛艇也是目前世界各軍事大國研發的熱點之一。

過去,在我國城鄉許多人的代步工具都使用燃油摩托車,后來被蓄電池(電動)自行車所取代。基于燃料電池的巨大優越性及清潔可再生能源的快速發展,未來,傳統的蓄電池(電動)自行車也可能會被氫燃料電池(電動)自行車替代。據報道,最近法國普拉格馬工業公司推出了世界首款被命名“阿爾法”的氫燃料電池(電動)自行車,法國郵政總局已表示有意訂購之。普拉格馬公司宣稱,其將在2016年首批量產100輛“阿爾法”自行車,2017年將增加至1000輛,每輛售價約2300歐元,不會超過眼下頂級傳統電動自行車,以后大批量生產售價更會大幅下降。

氫燃料電池汽車的主要優勢

一.基本優點

裝備以質子交換膜式為代表的氫燃料電池汽車的主要優點,在很大程度上歸功于燃料電池非常理想的工作原理(機理)。可以說,其在保持和擴大純電動汽車優勢的同時,又擯棄了后者固有的缺陷和不足。

1、極好的環保性。

就車輛本身而言,在行駛過程中,只排放純凈水而無其他任何有害物質;同時,這也很符合大自然的循環規律,汽車運行工作的副產品——水,雖然以目前的狀況看,汽車使用者還不能直接回收利用,但排入到大自然中總歸還是要被利用(例如再次電解水制氫等等)。從能源的全壽命周期看,如果汽車使用的氫燃料是來自工業廢氣等副產品以及通過可再生清潔能源而制取,那么車輛總的排放污染也是很低、很少的。在全球環境污染加劇、氣候變化異常的嚴峻局面下,促使人們現在把發展新能源汽車的目光聚焦到氫燃料電池汽車上,說到底是更看重其卓越出眾的環保性。

2、能源效率特別高。

從車輛的動力裝置——氫燃料電池的工作原理上來審視,其產生的動力不經熱機過程,不受熱力循環限制,基本上沒有熱釋放和熱能損失。因此,能源轉換效率高,為60%~70%,甚至更高,大致是內燃機的2~3倍。從這個角度上來認識問題,大力發展氫燃料電池汽車也是我國破解能源困局的有效之策和重要舉措。

3、氫能資源豐富。

向燃料電池提供的燃料——氫,來源和分布都十分廣泛,理論上講,在宇宙質量中,約有75%的氫元素。地球上的氫也幾乎無處不在,無處不有,制取氫的資源豐富,途徑多樣,亦可謂取之不盡,用之不竭。從現實可采用的技術手段上講,既可以用包括風、太陽能等清潔可再生能源電解水制氫,也可利用光直接解水制氫、陽光生物(例如仿照植物光合作用)制氫、廢物利用制氫等等。

4、乘坐舒適度高。

燃料電池汽車與傳統汽車相比,動力系統不存在機械振動和熱輻射等問題,不僅可保證汽車有關零部件有更長的使用壽命和更高的可靠性,而且汽車運行平穩,噪聲輕,汽車的舒適性極佳。

二.與純電動汽車相比的獨特優點

基于燃料電池工作原理的科學、合理性,氫燃料電池汽車就從根本上避免了純電動汽車的若干重大缺陷,例如續駛里程局限和易著火的安全隱患等等。

1、續駛里程的局限小,補充能量快。

前面已經提到,純電動汽車的續駛里程之所以較短,在于其蓄電池存儲的能量有限。而燃料電池汽車的所謂電池,只“發電”并不蓄電,裝在氫罐(或容器)里的氫才是車輛存儲的能量,只要將氫源源不斷的提供給燃料電池,則驅動系統就能獲得足夠的電能而驅動汽車行駛。這也就是說,氫燃料電池汽車的續駛里程并不取決于“電池”而取決于車載儲氫罐所存儲氫的多少。據有關科技資料顯示,氫的能量密度很高(大致為1 kWh),約是汽柴油的2~3倍,更約是車載鋰離子電池的10倍(大致是100~200 Wh);5公斤的氫儲量可支持氫燃料電池汽車連續行駛400公里以上,而要達到相同的里程數,純電動汽車則要搭載約半噸多重的鋰離子電池(與之相比,氫燃料電池堆則要輕很多)。

由此可見,純電動車上的能量有很多都被電池的自重消耗掉了,很不經濟,也不科學合理(見2014年7月18日《中國工業報》)。氫燃料電池汽車除上述的獨特優點外,其補充能量的速度也很快,幾分鐘之內,就能給氫罐充滿至達到最大續駛里程(400多公里乃至更多)的氫氣量,與傳統汽車加油一樣方便快捷。而如前所述,純電動汽車“慢速充電”需要7~8個小時,“快充”也要半個多小時,充一次電也只能連續行駛150~200公里。通過這種對比,還使人們看出一個重要問題,就是在推廣普及純電動和氫燃料電池汽車時都需要建立基礎設施的情況下,氫燃料加注站的設置密度要比純電動汽車充電站的密度低很多,這將會帶來一系列的節省和產生積極的社會效應。

2、電池安全性高,對環境友好。

氫燃料電池由極板夾著很薄的電解膜構成。在電解膜一側的陽極上,氫被諸如鉑一類的催化劑分解為電子與質子。質子可以穿過電解膜,與空氣中的氧生成水蒸汽排出,而電子則統統被電解膜攔下,集中起來生成電流。這一過程是在物質的原子水平上發生的,從理論上講,基本上沒有熱輻射,就是在實際的應用工作過程中,電池的溫度最高也不會超過100℃,如果再采取一些冷卻措施,則溫度會更低。由于燃料電池失能甚微,即使隔膜裂了也不會發生爆炸。加之電池組件是固態材料構成,由此也就從根本上避免了類似于純電動汽車因電池熱失控和溶液(劑)泄漏等而導致的安全隱患,可獲得高的安全性。

要說氫燃料電池汽車在安全方面還有什么薄弱環節的話,儲氫裝置(或容器)可算得上是一個需要認真對待的東西(下面將涉及),但因已經有比較成熟的技術可以應用,氫燃料電池汽車的安全性基本上與傳統汽車的相當,并無特別之隱憂。關于氫燃料電池在全壽命周期內對環境的影響,就整體而言,其構成材料基本上沒有毒性,在制備、使用和回收處理環節,不存在對環境的污染問題。當然,這主要還是理論認識。在世界范圍內,氫燃料電池汽車尚處在少量示范運用的階段,積累的實踐經驗少,若大量使用時,燃料電池究竟對環境是否會產生明顯的負面影響,還要由實踐來回答。 

氫燃料電池汽車存在的主要問題與難點

盡管氫燃料電池汽車具有如上所述的諸多優點,但因其是一個完全創新型、革命性的技術產品,不可避免的會有一些不完善和需要改進的地方,特別是在21世紀初葉及之前的早期(或者說前期)階段,還存在以下主要問題與難點。

1、燃料電池發動機技術性能需大幅提高

早期階段,燃料電池發動機的技術性能欠佳,需要極大改進才能滿足實際使用要求,主要涉及以下幾個問題。

一是燃料電池的功率密度較低,整個燃料電池發動機輸出的功率受到局限;并且,由于其動態響應較慢,在汽車均速行駛時問題尚不突出,而工況改變時,如在加速或爬坡需要更大功率的情況下,就顯得很困難,影響到汽車的正常使用。

二是燃料電池發動機的耐久性較差,使用壽命較短。在前期階段,國際上燃料電池發動機的使用壽命普遍不超過3000小時(美國能源部制定的、可滿足正常使用要求的2020年目標為5000小時),與實際應用的要求還有不少差距;燃料電池汽車行駛4~5萬公里后,功率即下降約40%,與傳統內燃機普遍可保證汽車行駛50萬公里以上相比,還遜色得多。

三是燃料電池發動機的環境適應性較差,尤其是低溫情況下起動比較困難(純電動汽車也有這種弱點),不能很好滿足天氣寒冷時的汽車正常使用要求。

2、系統可靠性要求高

為使燃料電池發動機具有足夠大的輸出功率而驅動汽車,需要把成百上千(乃至更多)個單體燃料電池集成于一體,構成燃料電池堆,不僅要求每個部件都具有一致的質量,而且串聯作業時也不允許有任何的差錯。如果單體電池間由于水、熱、壓力、燃料供應以及膜的情況的不同而出現性能上的差異,那么電池堆內部就會出現不平衡性,從而影響電池發動機的正常工作。例如燃料電池的核心部件膜電極制備,其可靠性要求就很高,需要高度關注單片膜電極制備的均一性和膜電極批量生產的一致性等。

除此之外,燃料電池發動機還比較復雜,由許多不同的部件或單元組成,它們之間也要有完美的匹配。總之,燃料電池發動機系統技術含量高,創新的潛力大,系統可靠性要求也很嚴苛。

3、氫燃料電池汽車制造成本高

在氫燃料電池汽車的前期發展階段,根據不同的科技文獻資料的粗略估計,氫燃料電池汽車的成本是傳統汽車的數倍乃至10倍。尤其是質子交換膜燃料電池,要使用價格昂貴的鉑金屬催化劑,不僅導致電池成本高升,而且還要受到鉑金屬礦產資源有限的約束,因為世界上鉑礦儲量不多。

4、氫燃料供應是大難題

氫燃料電池汽車的燃料供應等基礎設施,與傳統汽車的完全不同,需要從頭建起(當然,也可以利用現有加油站的部分設施進行改造,但終究要從頭來),是一個龐大復雜的系統和網絡,將經歷一個較長的時期才能逐步建立形成。并且,在氫燃料供應的各個環節上,都要進行技術創新和一定的投資。其中,以下問題需要重點解決。

首先是氫的制取。比較理想的、符合可持續發展要求的制氫途徑:一是本著“廢物利用”和“循環經濟的”原則,通過工業(比如化工、鋼鐵行業等)副產品和煤層氣(俗稱瓦斯)等制氫;二是通過清潔可再生能源電解水制氫;三是通過陽光直接分解水制氫。經由這三種途徑而經濟的大批量制氫,需要進行技術創新才能突破各種障礙。

其次,需要通過技術進步而獲得安全可靠的管道輸送氫和車載儲氫的技術解決方案。就車載高壓儲氫而言,為使儲罐能存儲更多氫以保證汽車有長的行駛里程,就得提高儲罐的壓力,由此,就要確保罐的高壓安全性和密封性。若車載容器內是液態氫,則需要有足夠低的局部環境溫度等等,同樣涉及一系列的安全問題。

再者,從理論上分析,雖然加氫站的設置密度沒有純電動汽車充電站的那么高,但建設起來卻比后者要復雜,牽涉面也更廣些。

氫燃料電池汽車技術總體進步超出預期

最近幾年,尤其是自全球爆發金融危機和世界汽車產業受到較大沖擊的時期以來,當我國采取各種措施旨在刺激傳統(汽柴油)汽車恢復高增長態勢之際,國際上有不少國家和跨國汽車公司,卻埋頭對氫燃料電池汽車核心技術進行攻關,盡最大努力以創新而驅動汽車產業繼續發展,從根本上化解前進道路上遭遇的困難與障礙。進步呈突飛猛進之勢,其成果無論從質還是量上來看,均遠遠超過前十年的。

總括來看,可以肯定地說,現今,氫燃料電池汽車壽命已遠超商業化預期,主要指標與傳統汽車相接近,而遠遠超過純電動汽車,整車成本成倍下降,售價已至市場所能接受的程度(考慮到政策優惠因素)。中國工程院院士衣寶廉認為,從世界范圍看,現在燃料電池汽車存在的主要(技術)問題已基本解決。

決定氫燃料電池汽車“前途和命運”的關鍵所在,即核心部件燃料電池堆及燃料電池發動機,其技術近年取得革命性重大突破:電堆功率密度大幅提升,據有關資料稱,現今國際先進水平已經達到3kW/L(豐田新上市的燃料電池汽車的該指標甚至比此還要高),超過美國能源部曾經制定的、可實現產業化和商業化的2020年規劃指標要求;燃料電池發動機技術性能(包括可靠性和穩定性等)得到全面改善和提高,系統使用壽命普遍達到5000小時免維護運行(個別企業甚至達到8000小時和更多,美國聯合技術公司氫燃料電池大客車的使用壽命為1.2萬小時),這也是美國能源部至2020年要達到的規劃指標;燃料電池發動機的冷起動溫度已經達到-30℃,一些企業的車型在極其寒冷的北極進行實地測試也沒有出現什么問題,完全滿足美國能源部2020年規劃中的相關指標要求。這意味著,氫燃料電池汽車的特殊難題——冷起動技術瓶頸已經破除。

現今,國際上燃料電池產業鏈各個環節均已實現產業化,技術性能和質量都已達到實用化、商業化要求。同樣,一直困擾氫燃料電池汽車發展的成本高昂問題也獲得根本性解決。美國能源部的有關報告顯示,國際上從事燃料電池汽車研發的主流企業,其燃料電池發動機系統的成本,現今與21世紀初相比下降80%~95%,比價格大致為49美元/kW(按年產50萬臺計算),這已非常接近內燃機的30美元/kW。車載儲氫技術也獲得重大突破,氫儲罐壓力由上一代車型的35Mpa升級到70Mpa,由此大大提高了汽車的續駛里程。而氫的獲取對燃料電池汽車來說,也并不是什么難事,已有多種成熟技術可供選擇。

由于成本大幅度下降,國際主流企業即將推出最新一代的氫燃料電池汽車預定售價,已與同類型混合動力汽車的相近或相當,算是很有競爭力了。

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