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燃料电池作为FCEV的动力是其核心组成部分,某种程度说燃料电池的创新水平,将决定着FCEV的产业化历程。

燃料电池汽车

燃料电池汽车 中国电池网资料图

●追求终极化的汽车

当代清洁能源汽车已进入一个多元化、多样化、多维化发展的世纪,在电动汽车领域,特别是纯电动汽车的发展居主导地位,不过要说明,FCEV也是属于电动汽车序列中一种重要的,理想的新兴产品。

当代,全世界,当然也包括我国正掀起一股FCEV热,这是由于FCEV在相当长时间的创新,积累,进化的实验性试制和试用过程中,已经在相关的不少科技领域取得突破性进展,这无论是在原理上验证,结构上整合,功能上进步都有了很好的显现,已形成一种波浪式轧迹上的跃迁,可以说我们已经看到了FCEV走向产业化的总趋势。

由此国内外一些科学家、工程师、学者和企业家再次提示:FCEV可能是汽车一种终端产品,而且会很好的引发令人十分向往的氢经济社会的来临。在最近的一些汽车产业论坛上,汽车及相关业界人士对发展FCEV表现出更有信心,认为不应再停留在示范上,而应该大力推动商业化的进程,这是对推动实体经济向新型方向发展,推动汽车产业由大变强的有力举措之一。

那么到底FCEV有那些优势呢?请看,作为FCEV主要能源的氢,能量密度相当的好,我们以世界标准的KW·h/kg为系数,氢能为33.3,天然气13.8,汽油12.1,煤气8.4,氢能比汽油高出2倍多;氢作为二次能源,其资源十分丰富,只要有水就可以制氢,还有其他众多产氢方法,是人类社会用之不尽的“氢矿”;FCEV运行中排放出只是水,无论是对大气的污染还是温室气体都应是“零”;当前FCEV一次充气,可跑700公里,充气只用3分钟,而且还在不断提升之中;当前FCEV的制氢用氢成本昂贵,但要多看前景,可能10年前后,可达到与传统内燃机运行同等价格,然后继续下降,到2050年基本上可能实现氢气零成本运行;不久未来同样可以出现FCEV的智能化车辆,特别是要注意克服氢能不安全运作一些隐患,成为更安全的产品。

当然,当前一些人士认为氢能备制和应用成本很高,高纯度的氢提炼难度大,这些劣势是很难克服的。我想用全息论中的演化推理方式,即溯因法来分析,即事物的发展分为可逆的和不可逆的。如我们用汽柴油汽车,必然会产生大气污染和温室效应,虽然可以减少但不会排除,而氢气则是无害无毒的,氢气当前的高成本问题是可以克服的,前者属于不可逆性,后者属可逆性,就是说我们以此为依据对事物的现状和未来把握其本质问题,而确定其目的性,这就证实为什么人们要用二百多年这样漫长的历史,坚持不懈的去探索,研究氢气和燃料电池问题,可以说一门重大的科学的应用多是经历着一个孕育到诞生,再到发展壮大的自然历史过程,这是历史进化的必然规律,也是最终要完成目标的重要因素。

FCEV既是一种古老又新型的高科技产品,它的悠久历史可追溯到二百多年的历程。在1801年英国科学家H·Davy发明了燃料电池的原理;1889年英国科学家Mond首先用工业煤和空气合成装置制氢,并正式用上燃料电池的命名;20世纪50年代,英国剑桥大学教授培根用高压氢试制成功5kw的燃料电池,在试验室中应用;1965年美国GE公司把燃料电池装上阿波罗(Appollo)登月飞船,提供电力;2002年美国总统布什制订《自由汽车计划(Freedom CAR)》,研究应用燃料电池汽车产业化问题,为此提供FCEV的不断探索留下不少经验和教训;2003年美国提议成立《氢能经济国际合作伙伴(IPHE)》,美国和西欧等15个国家都参与了,中国也在其中,2004年5月第二届IPHE指导委员会议就是在北京人民大会堂召开的,2007年美国通用汽车公司和加拿大知名的巴拉德燃料电池公司,在雪佛兰Equinox轿车装上燃料电池进行试运行,至今还在继续改进实验中;同年欧盟提出《欧洲清洁都市交通计划(CUTE)》,拟在阿姆斯特丹、汉堡、伦敦、卢森堡、马德里、斯德哥尔摩等城市开展燃料电池公共汽车示范运行;2011年德国戴姆勒·奔驰汽车公司开展了FCEV全球巡展演示,投入Citano燃料电池客车36辆,由20个交通运营商负责进行巡展,其全程运行已达480万公里;欧盟在2014年发布《地平线2020年计划》,指出到2020年,燃料电池各种车辆应用要达到20万辆,加氢站1000座,氢气来源50%以上来自非石化能源生成的,成本要下降90%;2015年5月国际第23届IPHE指导委员会在我国武汉召开,很好的交流了国际对氢能和燃料电池的最新进展,以及下一步计划,也为我国加强国际上合作,共享资源提供了好机遇;2016年5月《亚洲氢能与燃料电池大会》在上海召开,并举办展示,特别关注的是制氢和燃料电池的装备,对发展FCEV起到很好助推作用。

这里要指出,国际汽车界人士认为2015年是FCEV的元年,这主要以日本丰田的“未来”(Mirai)正式进入初期的商业化运作为标志而提出的,Mirai功率113kw,扭矩335N·M,相当于2.0发动机轿车水平,续行500公里,在日本成本720万日元,政府补贴200万日元,市场售价500万日元(约折合26万元人民币),这和“皇冠”轿车价格差不多。丰田2015年产销700辆,2016年1600辆,其中三分之一出口,2017年计划3000万辆,2020年为迎东京的奥运会,计划推出3万辆。与此同时,本田、三菱、马自达、大发等公司也都抛出具有自己特色的FCEV,本田的ClarityFCEV续程已达589公里。近来,日本通产省公布《燃料电池汽车战略路线图和氢能社会白皮书》提到,2025年实现200万辆的目标,2030年加氢站达1800座,相应对质量,成本和配套工程设施都要很好改善,形成规模化能力走向市场。

中国也是十分重视和积极发展FCEV的国度。早在20年前的“十·五”的863重大专项中,就明确指出要支持FCEV的研发,拨款3.8亿元;到“十一·五”和“十二·五”规划中,在节能与雷火苹果app汽车重大项目中,都把FCEV列为重点项目,支持发展;2014年1月《中国燃料电池技术创新战略联盟》在上海成立,同济大学、清华大学、武汉理工大学、重庆大学参与,一汽、东风、上汽、长安、奇瑞等汽车及零部件企业都参与,燃料电池及其附属企业也参与,目的是加紧实行产、学、研联合,更好攻克核心技术,加强FCEV产业更好更快发展;今年4月,三部委关于《汽车产业中长期发展规划》中,对FCEV的战略地位进一步加强,提出三个时间节点要求,2020年在特定地区的公共服务车辆领域进行小规模示范应用,2025年私人用车和公共服务用车领域批量应用,不低于1万辆,到2030年在私人乘用车,大型商用车领域进行规模化推广,不低于10万辆。与此同时,三部委发布《2016-2020雷火苹果app汽车推广应用财政支持政策通知》中指出,在2017-2020除燃料电池汽车外,对其他雷火苹果app汽车的补助标准实行必要的退坡,而燃料电池汽车补助保持不变,甚至个别车种还有所提高。由此可见国家在宏观层面,对氢能和燃料电池汽车给予越来越重视和支持。

在企业层面,我国第一辆FCEV于1999年12月在清华大学试验成功。2001年12月美国通用汽车公司和上汽集团合资的泛亚技术中心,研制出“风凰”FCEV。2008年北京奥运会上,有20辆各种燃料电池汽车在会上示范运用,2010年上海世博会上有40辆各种燃料电池汽车,供大会交通示范运行。2014年上海荣威950第四代FCEV产出,行程400公里。宇通客车公司是首家推出燃料电池客车,2014年9辆,2016年100辆,2020年计划4000辆,宇通第四代燃料电池客车,续程600公里,成本下降50%,加氢10分钟。北汽福田汽车公司也推出“欧辉”牌燃料电池客车,计划28辆,送广州和佛山地区进行示范运行。东风汽车公司第一款EQ5080型燃料电池厢式运输车已问世,续程305公里。据统计目前为止,我国共研发试制出200多辆各种燃料电池汽车在各个时间段进行示范运行。2017年6月2日工信部公布公告《雷火苹果app汽车推广应用推荐车型目录》中,就包括有燃料电池客车5种,专用车及卡车2种,如果加上2016年公布燃料电池轿车1种,则FCEV在国家目录中共计有8种车型,确认正式列为商品对待,但目前产量还很少,急待改革和改进。

●激发氢能的巨大潜力

氢能作为燃料电池的“燃料”,非常重要,一定要先行一步。

氢作为一种无色、无味的气体,广泛的分布于地球的地表、地幔、地核和大气层中,是宇宙中最为重要,质量最轻,最为清洁、最为丰富元素之一。

氢主要以化合物形式生存,最突出表现是水,氢占水总质量1/9,如果用电解水制氢,能量密度很高,其效率可达80%;氢还生存于一些矿物质中,如绿柱石,锂电气石,顽火辉石的结构中,多以极少量气态生存;氢还分布于地球不同气层中,含量随高度不同,也有少量的氢气存在;更有趣的是氢气还是生命组成的一种元素,在人体中有81种元素,氢占10%,仅次于氧和碳,居第三位,所以氢也可称得上一种有机物的物种。

氢还有一个重要作用,即氢的同位素将对正在开发和试验的核聚变电站提供基础原料,我们曾用“氕”表示氢,它的同位素“氘”“氚”,也叫重氢,资源极为丰富,而且无辐射危险。大家都知道,人们先发明原子弹,后来又发明氢弹,实际上是核裂变和核聚变的理念和应用的革命性变化。欧盟认为到2035年核聚变电站可以投入商业化应用,我国专家认为到2040年有可能投入应用,目前我们和美、英、法、日、德等国家已多年组成联盟,共同开发核聚变电站。可以预言如果核聚变电站投入应用,那时用电几乎不用花钱,太便宜了,而且很安全,没有放射性,非常干净、无害,被称为“仿造太阳的工厂”。

氢在人为状态下形成三种形态:气体氢:这已成为氢的常态,是衡量氢物理和化学质量的标准形态;液态氢:目前多用高冷却方法形成的,要在零下253℃时,可促使氢液化,如现在太空火箭上的推动燃料就是用液态氢;固态氢:在超高压下,促使液氢向具有导电金属特性的固态氢出现,所以也叫金属氢,它具有很好的超导性和超级能量,在航天、航空和军工上有特殊用途,民用工业也有很好用途。

氢的备制历史也是很长,而且方法非常多样化,因时因地而宜,同时要求要不断改进创新之中。有电解水制氢、水煤气法制氢,、石油热裂合成和天然气热合成制氢、焦炉和煤气冷冻制氢,电解食盐水的副产氢、酿造工业发酵制氢、甲醇裂解吸附制氢、铁与水蒸气反应制氢等。当代比较新的制氢方法,如生物质制氢,微生物酶制氧、海水淡化制氢,可再生能源,如风能、太阳能、水能、地热能、海洋能发电制氢,如我国已建成海水淡化工程103个,总规模90万吨/日,并推广淡化水制氢示范工作。

氢的储存,包括民用和工业用气源以及交通工具,如FCEV气源的存储方式,有加压气态储存,目前国际上FCEV储氢罐压力达70Mpa已比较常用;液态储氢,对储氢罐技术要求高,罐内温度和外面温度相关很大,内部容器构造复杂,防止产生热漏,在FCEV上也有选用;金属氢储存是应用氢和多种不同金属化合之后生成金属氢化物,如铝、钒、镁、稀土系等,这种方法具有较大储氢容量,单位体积储氢密度好,储氢循环寿命长,成本低;还有非氢化物储存,如氮、硼、硅、甲醇等氢寄存其中,当化合物化解时放出氢,比较新型的纳米碳储氢,在碳微孔中存储大量氢,是一种有前景的储氢手段,还有碳纳米管电化储氢,已证实具有较高储氢量,具有良好应用前景,在FCEV都在选择之中。

氢气输送和加注。氢的运输对气态和液态已经实现大规模应用。由于用户和要求不同,氢气可以用管网,也可与天然气输送管共用,还有通过储氢容器装在车、船上,管网适应于量大的需求,船运、车运则适应分散的场合。

当前,对FCEV推广来说主要是建设加氢站问题。世界上第一座FCEV加氢站是1999年5月在德国慕尼黑机场建成。目前国际上已有加氢站主要以水电解制氢为主,少部份采用天然气水蒸气重整制氢,也有的是运氢到加氢站的。到2016年1月全球已设立290座,其中日本28座、欧洲97座、美国75座、韩国80座、中国4座、澳大利亚1座。中国加氢站分布在北京、上海、广州、郑州,今后将会在FCEV示范区建设加氢站,2017年中科院大连化物所与同济大学发明以风能与太阳能结合制氢的加氢站,每日可供200台FCEV续程800公里的需求。美国海德利森已到国内设立移动式加氢站业务,寻求合作建氢站。预计到2020年全球将出现5200座加氢站,比目前的增长18倍,以适应发展FCEV的需求。

据Persistence市场研究公司预测,到2020年全球氢气需求量将从2013年的2553亿立方米,增加到3248亿立方米,增长27%,其中特别是中国,将是全球氢能需求和生产第一大国。

氢能有这么多优势,但人们对氢能安全仍有担心,认为氢能属于一种易燃爆气体,特别是扩散度相当的快,当和空气接触时,形成混合气体,燃爆极限更宽。为此我专门请教了有关专家,得到答案,是认为氢气燃烧时容易快速喷发,但属直线式形态而逃逸,不像汽柴油那样燃烧后,不易疏散滞留性大,停留散发在原地带,所以氢燃烧危险不比汽柴油燃烧高,同时近来人们对氢的制备整个过程的泄漏、静电、电气防爆、脆化等不安全因素,大力进行改进,在实用中已取得比较好的安全验证。如本田2017年的Clarity已开始在日本本土和美国出售,燃料电池的3个储存罐嵌在底盘架上,这样虽然对车辆底部振动,环境恶劣,容易受碰撞,他们认为在技术上已得到反复测试可以放心使用,而客车多把氢罐放在车顶,出事故时对车内影响不大。但车企认为尽管有了这些安全举措,对氢能安全问题仍不能自满,仍作为全产业链的安全举措,持续不断改进,不断提升安全可靠的水平。