氫燃料汽車的現(xiàn)在與未來

在企業(yè)層面，我國第一輛FCEV于1999年12月在清華大學(xué)試驗成功。2001年12月美國通用汽車公司和上汽集團合資的泛亞技術(shù)中心，研制出“風(fēng)凰”FCEV。2008年北京奧運會上，有20輛各種燃料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(fēng)汽車公司第一款EQ5080型燃料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多輛各種燃料電池汽車在各個時間段進行示范運行。2017年6月2日工信部公布公告《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》中，就包括有燃料電池客車5種，專用車及卡車2種，如果加上2016年公布燃料電池轎車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。

氫主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，如果用電解水制氫，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(jié)構(gòu)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。

氫還有一個重要作用，即氫的同位素將對正在開發(fā)和試驗的核聚變電站提供基礎(chǔ)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。大家都知道，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(yīng)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(yīng)用，我國專家認為到2040年有可能投入應(yīng)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(yù)言如果核聚變電站投入應(yīng)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“仿造太陽的工廠”。

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(xué)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(dǎo)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(dǎo)性和超級能量，在航天、航空和軍工上有特殊用途，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(yīng)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(fēng)能、太陽能、水能、地?zé)崮?、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(shù)要求高，罐內(nèi)溫度和外面溫度相關(guān)很大，內(nèi)部容器構(gòu)造復(fù)雜，防止產(chǎn)生熱漏，在FCEV上也有選用;金屬氫儲存是應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)于量大的需求，船運、車運則適應(yīng)分散的場合。

當前，對FCEV推廣來說主要是建設(shè)加氫站問題。世界上第一座FCEV加氫站是1999年5月在德國慕尼黑機場建成。目前國際上已有加氫站主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1月全球已設(shè)立290座，其中日本28座、歐洲97座、美國75座、韓國80座、中國4座、澳大利亞1座。中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(shè)加氫站，2017年中科院大連化物所與同濟大學(xué)發(fā)明以風(fēng)能與太陽能結(jié)合制氫的加氫站，每日可供200臺FCEV續(xù)程800公里的需求。美國海德利森已到國內(nèi)設(shè)立移動式加氫站業(yè)務(wù)，尋求合作建氫站。預(yù)計到2020年全球?qū)⒊霈F(xiàn)5200座加氫站，比目前的增長18倍，以適應(yīng)發(fā)展FCEV的需求。

據(jù)Persistence市場研究公司預(yù)測，到2020年全球氫氣需求量將從2013年的2553億立方米，增加到3248億立方米，增長27%，其中特別是中國，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(dān)心，認為氫能屬于一種易燃爆氣體，特別是擴散度相當?shù)目?，當和空氣接觸時，形成混合氣體，燃爆極限更寬。為此我專門請教了有關(guān)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(shù)上已得到反復(fù)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。