今天給大家?guī)睃c(diǎn)獨(dú)家干貨：有關(guān)燃料電池技術(shù)在國內(nèi)的突破?；?span>我個(gè)人關(guān)注的一家研發(fā)企業(yè)的突破。限于技術(shù)細(xì)節(jié)保密，今天我們主要講下基本原理和市場前景。
眾所周知，制約燃料電池技術(shù)發(fā)展和普及的兩大瓶頸：一個(gè)是氫氣的儲(chǔ)存，另一個(gè)是燃料電池堆的制造成本。也正因?yàn)檫@兩個(gè)瓶頸導(dǎo)致燃料電池技術(shù)很難在短時(shí)間內(nèi)普及，并且價(jià)格居高不下。電堆的核心材料：質(zhì)子交換膜配方，只掌握在少數(shù)公司手中。而另一瓶頸，氫氣儲(chǔ)存技術(shù)則決定了燃料電池車的續(xù)航里程、空間布局和總體效率。
我們知道豐田的Mirai之所以看起來比普通車型怪異，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)閮?chǔ)氫罐會(huì)占用后排許多縱向空間，從而導(dǎo)致車尾略顯臃腫。而豐田在儲(chǔ)氫技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。
在國內(nèi)所能掌握的儲(chǔ)氫技術(shù)基礎(chǔ)上，攜帶同樣重量的氫氣，可能儲(chǔ)氫罐的體積會(huì)更大。因此，氫的儲(chǔ)存效率既會(huì)影響到續(xù)航里程，也會(huì)影響整車造型和車內(nèi)空間使用率?？梢哉f各大車企在研發(fā)氫燃料電池車的同時(shí)都在不斷提高氫氣的儲(chǔ)存效率——為了獲得更大的儲(chǔ)氫壓力，紛紛在開發(fā)更高性能的密封材料。而國內(nèi)有一家企業(yè)正在反其道而行之，研發(fā)固體粉末制氫技術(shù)，并且正在裝車實(shí)驗(yàn)。那么什么是固體粉末制氫呢？它是怎樣可以取代高壓儲(chǔ)氫罐的？本期來為大家解讀。
■ 邊制造氫，邊使用氫，讓氫氣的攜帶更加容易更加安全
固體粉末制氫過程，其實(shí)是利用鋁與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣和氫氧化鋁，從而制得了氫氣。但是常識(shí)告訴我們，鋁與水并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不然那些鋁制車身，鋁合金門窗在雨中還不都被溶解掉了？
的確，鋁金屬在常溫下并不會(huì)與水反應(yīng)。如需反應(yīng)需要兩個(gè)條件，第一個(gè)條件是鋁與水的反應(yīng)需要建立在一定的溫度條件下；第二個(gè)條件是需要去掉鋁金屬表面的致密氧化膜。我們知道雖然鋁性質(zhì)比鐵更加活潑，但暴露在空氣和潮濕環(huán)境下并不會(huì)“生銹”，其原因就是鋁金屬單質(zhì)與空氣接觸時(shí)會(huì)迅速被空氣中的氧氣氧化，形成一層致密的氧化膜，從而阻隔了與氧氣的進(jìn)一步接觸，這就是鋁不會(huì)生銹的原因，也是用鋁鍋加熱水而不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原因。所以要想讓鋁與水發(fā)生反應(yīng)，必須去掉氧化膜，并且加熱到一定溫度就會(huì)置換出水中的氫氣，這些都需要在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。
但是，要想把用鋁生產(chǎn)氫氣的化學(xué)反應(yīng)小型化常態(tài)化，并且在汽車上使用，就必須解決反應(yīng)溫度和反應(yīng)速度的問題。所以必須要讓這個(gè)化學(xué)反應(yīng)能夠在常溫下進(jìn)行，并且制造氫氣的速度要比常態(tài)下快得多，才能夠滿足燃料電池的使用。國內(nèi)一家公司經(jīng)過8年的研發(fā)后，終于研發(fā)成功了一種可以促進(jìn)鋁和水在常溫下劇烈反應(yīng)的催化劑。這種催化劑既可以讓反應(yīng)溫度實(shí)現(xiàn)更大的跨度，甚至在零下環(huán)境中也能正常進(jìn)行，也可以調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)速度，因此可以實(shí)現(xiàn)燃料電池動(dòng)力對(duì)氫氣的需要。
■ 如何控制和優(yōu)化氫氣制造的性能，達(dá)到燃料電池所需？
基于多年的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)，目前催化劑的性能完全可以滿足燃料電池車對(duì)氫氣需要的制造速率，甚至制氫速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃料電池所需。目前這家公司除了正在研發(fā)車用燃料電池制氫裝置以外，還在應(yīng)用該技術(shù)研發(fā)魚雷推進(jìn)器。將傳統(tǒng)螺旋槳式的魚雷推進(jìn)方式，替換成氣體推進(jìn)。因?yàn)橥ㄟ^調(diào)節(jié)催化劑的配方可以進(jìn)一步提高鋁和水的反應(yīng)速率，甚至可以在幾百毫秒內(nèi)制造出體積比超出1000倍的氫氣，這幾乎可以像炸彈一樣產(chǎn)生沖擊波。當(dāng)然，用在燃料電池汽車上，只要讓氫氣生成速率跟得上燃料電池反應(yīng)堆的發(fā)電需求即可，而這些都可以通過催化劑配方實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
這種通過金屬鋁粉末與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣的裝置，幾乎可以淘汰傳統(tǒng)意義上的儲(chǔ)氫罐。而其能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前市面上性能最好的高壓儲(chǔ)氫技術(shù)。同時(shí)也免去了氫氣的長距離運(yùn)輸，加氫站儲(chǔ)存和車輛加注之苦。可以杜絕大量的因氫氣的運(yùn)輸儲(chǔ)存造成的安全隱患。對(duì)于用戶來說，只需要定期補(bǔ)充金屬鋁粉末和水就可以完成車輛的能源補(bǔ)給，方便、快捷、安全、清潔。
■ 市場前景和對(duì)未來發(fā)展的預(yù)估
目前燃料電池反應(yīng)堆的成本大概在每千瓦3000元以上。也就是說一套73.5千瓦（100匹）的燃料電池反應(yīng)堆，成本超過20萬。算上匹配同樣效率的制氫設(shè)備的話，成本大概接近50萬。由于目前這項(xiàng)技術(shù)還在樣車試制階段，并沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)，所以商用成本還是較高的。如果能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，逐步取代高壓氣罐儲(chǔ)氫的話，其前景還是非常好的。
我們知道，目前氫氣在工業(yè)上的主要獲取方式有電解水和化工副產(chǎn)品這兩個(gè)渠道。但是電解水需要耗費(fèi)大量電能，仍然存在污染環(huán)境、排放二氧化碳的弊端。而化工產(chǎn)業(yè)雖然會(huì)產(chǎn)生大量的氫，這些氫足以滿足人們的日常使用，但要想提純這些氫氣還需要大量的設(shè)備和能源的投入，所以也不是一個(gè)十分環(huán)保的做法。
那么這種用鋁和水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的過程，則是一個(gè)相當(dāng)環(huán)保的過程，并且不會(huì)耗費(fèi)能源。另外，反應(yīng)后的產(chǎn)物除了高純度的氫氣以外，還有納米級(jí)的氧化鋁。這種納米級(jí)的氧化鋁在工業(yè)上價(jià)格非常高昂，是用來制造人造藍(lán)寶石、高科技耐磨陶瓷的原材料。
所以如果可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)后產(chǎn)物的回收，則基本可以找補(bǔ)回制氫設(shè)備的成本差價(jià)并抵消使用過程中添加耗材的成本。所以，如果再算上國家對(duì)氫燃料電池的大力補(bǔ)貼，那么這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的前景還是可以期待的。一旦規(guī)模化生產(chǎn)以后，整個(gè)系統(tǒng)的成本還能夠進(jìn)一步的降低，在能量攜帶效率上將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的高壓儲(chǔ)氫和三元鋰電池技術(shù)。
