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氢能到底是不是未来?深度解析氢能及产业链现状

时间:  2020-07-10 17:07   来源:  第一元素网    作者:  网络转载

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加氢站爆炸,化工厂火灾,韩国对氢能的急刹车是见危于无形的智者之举?还是动了既得利益者的奶酪?生态失衡,臭氧破坏大量逃逸的氢气,会造成哪些潜在隐患?燃料电池相比氢内燃机有哪些优劣势?幻想与现实的鸿沟,用储氢金属能否填平?质子交换膜的垄断,是国内研发的滞后?还是国外技术的又一次降维打击?既已成局,如何破之?氢气制备,我们有哪些优势?运输与储存瓶颈又有哪些不足?此视频带你了解一下,氢能到底是不是未来。

氢能到底是不是未来?深度解析氢能及产业链现状

有人论述内燃机走下坡路的同时,锂电又没形成主流的今天,氢能源一定是未来的路。毕竟氢气作为很多人脑海中对绝对环保的能源幻想,有期许很正常,但一条能源产业链的落地可能并没有想象中那么简单。

首先我们需要知道氢动力有两种主要形式:一种叫做氢内燃机,第二种叫做氢燃料电池。

早在1979年石油危机爆发之后的几年,新能源在当时被看作是一种新的能源方向。而人们最先尝试的形式就是建立在这种对内燃机的简单改装之上,比如BMW E12的520h,这是一款使用汽油和液态氢驱动的双燃料四门轿车,宝马工程师在里面塞了一个3.5直喷发动机的同时还在他的后备箱布置了一个超绝缘低温储氢罐,间歇性会通过高压的泵体向燃烧室内喷入氢气。

同样在2006年以宝马E66为基础的氢内燃机Hydrogen7出炉,使用火花塞辅助压燃技术搭配改装的v12在氢气模式下用喷射器将氢气以高达300bar左右的压力喷到燃烧室中。上述两台车都有两套燃烧系统,后者可能更高级一些,可以在清洗和汽油之间无缝切换而且当其中一种燃料耗尽的时候会自动进行切换。

日本也是氢燃料领先的国家,仅仅武藏工业大学一个学校就有3-5种不同型号的氢能源车型研发成功。而且马自达也是在1991年推出了氢燃料转子发动机并在2004年的底特律车展上展出这台RX8。和宝马一样,也装备了双燃料系统。

上述所有的车型有个共同的名字叫做氢内燃机动力。朴素地理解,其实就是把液化石油气罐改为氢气罐而已,但其实这种动力还是有它的特点:

第一,氢气和汽油相比是汽油热值的2.7倍,由于氢气自身特性,混合气浓度范围可以调节的非常宽泛。汽油空燃比一般也就是在14.7:1,而氢气和空气混合燃烧的比例可以轻易达到130:1。

第二,氢气燃烧速度快。火焰传播速度是汽油的7.7倍燃烧室中抗爆性比汽油要好压缩比也可以非常高。

第三,氢气扩散系数高。在空气中氢气的扩散系数是汽油的12倍左右基本不需要汽油的雾化过程,而且相比汽油有害怕排放物会变得少一些。

当然爆震解决了,氢内燃机却解决不了早燃的问题。(爆震一般是指火花塞点火之后瞬间压力较大引起了自着火现象,而早燃是在火花塞点火之前。两者的区别就是在断掉点火系之后,发动机还会不会继续不正常的运转。早燃会,爆震不会。

此外还可以从发动机做功行程来区分。一般早燃是在压缩行程,而爆震发生在点火之后,也就是做功行程。

当然世界都是平衡的,爆震好了压缩行程的早燃却成了氢内燃机最大的痛点。和燃油机类似,这种缸内混合气没被火花塞点燃之前与燃烧室内部局部热点接触引起的不正常的燃烧现象叫做氢内燃机的早燃。主要解决的措施就是改进燃烧室机构和对火花塞进行超精确控制,而一旦更改了上述结构,势必要拉低同时存在着另一套燃油系统的效率。在这一点上无论是传统曲轴发动机还是转子发动机,带来的成本激增都很令人头疼。

另外排放污染虽然是变少了,但并不代表没有,因为空气中78%都是氮气。氢内燃机缸内局部温度往往能够达到1700℃以上。高温高压之下,空气中的氮和氧元素会形成氮氧化物。大量运用氢内燃机的车或许同样不利于环保。

上述诸多原因导致了氢内燃机并没有量产。不过宝马在这方面的原型车倒是会以试驾的形式供名人和政府机构使用。

除了氢气内燃机,还有一种目前被更加认可的动力形式,叫做氢燃料电池,这是一种将氢气氧气的化学能直接转化成电能的装置。

氢燃料电池的基本原理可以理解为电解水的“逆反应”。以氢气作为还原剂,氧气作为氧化剂氢氧两端在催化剂的作用下通过电解质生成水,氢电极上有多余的电子所以在负电。氧电极由于缺少电子而带正电这个类似于燃烧的化学反应,只要保证两端不断供应,氢气和氧气就能连续反应。

量产落地车的氢燃料电池有什么特点呢?先说优势,拿丰田Mirai这辆车来举例续航里程基本可以说是解决了目前的用户痛点,一次加氢能有650公里的最大续航加氢时间是5-7分钟,使用过程产出只有纯净水。

但劣势或许更为明显。首先就是贵,贵在哪呢?有人说要用到贵金属铂,但这个材料用量并不大比如Mirai一辆车不到30克,铂的价格每克200元钱左右,而且目前燃油车三元催化剂也要用到铂这种贵金属。

要点在于PtCo化合物催化剂,这种催化剂要求就是在交换膜中搭建一种金属与有机物相结合的多孔聚合物,而且要求在整个电极中拥有大量均匀的活性定位点。

但是氢氧燃料通过膜片的过程中是有负载限制的而且会与PtCo催化剂相结合形成少量晶体使得电极表面没有足够多的位点与氧气相结导致燃料电池电流下降,这种情况尤其会出现在对动力请求较高的时候。

而丰田MIRAI为什么性能还算尚可呢?是因为这个PtCo催化剂工艺非常厉害,公开资料显示,催化层他们采用了一种叫做间歇槽膜涂布法的制备工艺基本算是做到了多孔聚合物均匀性的最优化。

但成本为每个电堆800美金左右,即便如此,在试验车状态下的MIRAI高速再加速能力仍然不尽如人意。于是为了增加功率,丰田在最后量产版的电堆上加大了独立燃料电池串联的数量达到了370片,最大输出功率达到了114KW。按照单件值厚度1.34mm来看整个电堆最后达到了37升56公斤的规模。

也就是说氢燃料电池和锂电池是类似的,也是由单电芯组成的,只不过燃料电池计算的是总反应面积。经过计算MIRAI的电池面积功率密度也只达到了1.15W/cm2,而且重量密度比蓄电池还差很多,再加上储存罐变压器导致丰田MIRAI重量将近1.9吨,比普锐斯重了30%,最大功率只多25%马力重量比实际下降7%。

而且氢能源要达到这个功率密度并不容易,除了催化剂制备工艺和串联的数量以外,质子交换膜这个部件也非常重要,成本也很高,它能将氢气中的电子分离成为质子进而从正极交换到负极和氧气产生反应生成水和热量。

我国也有质子交换膜的研究和生产,比如清华大学、北理工、同济、上海交大也有类似的实验室级别的产品,但这种产品各方面的参数仍然落后于丰田。

在调研丰田供应商过程中,一个叫做戈尔的公司浮出水面。这家公司几乎就是可以被称作质子交换膜行业标准的打造者。无论是广东佛山的氢能源公交车,还是销量超百万片膜电极的武汉理工氢电,都采用这家公司的产品。

到目前为止,全球涉足质子交换膜这个技术的研发以杜邦、日本旭化成、大金、3m、歌尔和德国巴斯夫等国外公司为主,而且多数都是在化工领域完成了多次原始资本积累和技术储备的公司。

而我国能源多样化的相关产业放开之后,质子交换膜一定还是争夺的焦点,但目前为止国内只有一些像东岳集团等少数公司进入了批量试产阶段。相比之下,目前的市场份额仍然由戈尔公司占据。希望在该领域我国有质的突破,不然直接大规模准入国外技术完全相当于降维打击或许会让燃料电池重走内燃机或者锂电在我国的老路。

接下来讲氢能源的安全、携带、制备。17年2月份丰田发布公告说,由于输出电压问题将召回已售全部2840辆的MIRAI。由于特别情况下比如巡航速度爬长坡加速踏板被踩到节气门全开的位置的时候,燃料电池升压变频器产生了输出电压可能超过最大阈值存在安全隐患。

所有氢能源汽车的辅助配置都有一个扫气的功能,为了就是将管道中残留的氢气排出。由于氢气储存罐本身就是一颗大炸弹,变频器如果输出电压存在一些波动,那真的是有可能点燃在扫气阀门中没有被排干的氢气的。而且当氢能源规模化之后,具备扫气功能的车辆大量拥堵在隧道之内,会不会引发更严重的爆炸?

再有就是加氢站安全问题。去年5月份韩国江陵地区的储存罐发生爆炸,炸毁了一个足球场那么大的建筑群,两人死亡6人受伤。一个月之后挪威的嘉兴站也发生爆炸,几乎是被夷为平地。去年9月份韩国一家生产氢气的化工厂发生了氢气爆燃现象,致使3名员工受伤。这种接二连三的事故引发韩国人的抗议,他们反对在自己家附近修建氢气设施本来韩国对氢能源还是非常重视的,要在2030年卖85万辆。民间的阻力非常大。

紧接着我们说一下氢气携带问题。储氢合金是氢能源一个高频的关键词,储氢合金的定义是指在一定温度压力下能够可逆的大幅吸收储存和释放氢气的金属化合物,这种材料要满足一定要求。

首先,化合物的生成热要适当,生成热是指在一定温度和压力下由最稳定的单质生成1mol纯物质的热效应.这个指标对于储氢合金是非常矛盾的,因为生成热过高,氢化物就过于稳定,释放氢气时就需要加热到更高的温度。而如果生成热太低,又储存不了多少氢气。

其次,形成氢化物的平衡压要适当一些,最好是在室温25℃左右和1个大气压附近,便于吸放氢气。而且吸放速度要非常快,这样才能够满足实际应用的车辆的需求。

最后,选择这种合金对水氧气和二氧化碳这些杂质敏感性要非常小,反复吸放氢气的时候材料不至于中毒恶化。

那么基于上述3点相关产业的化学专家表示现在比较符合这种描述的有镁系、稀土系、钛系的储氢金属。但是他们同时也表示,同样的道理,放到氢内燃机车或者燃料电池车上面,关键指标可能又有变化,比如体积密度和系统动态响应。

2007年弗吉尼亚大学就召开了国际氢经济材料论坛,当时科研人员宣布开发出了大幅提高氢储存能力的新材料。虽然相当于当时储氢合金的2倍已经进步很大了,但储存量最多只是自身重量的14%。如果要用加压罐储存5公斤液氢,系统的质量大概在100公斤左右。那如果换作是储氢金属,整个质量则是原来的2-3倍,达到了200-300公斤左右。那这么大质量放在车上,估计谁也受不了。

即便储氢金属发展到今天质量密度依然很差,另外最关键的是动态响应也是比较差的。因为相比燃油来说,氢燃料电池也好内燃机也罢,它们对氢的消耗比例仍然是比较大的,所以当你有了动力请求的时候这套系统很可能并不能马上给你供应充足的氢气。

实际上氢金属与氢结合之后是一种化合物,要脱氢需要重新加热。如果想在中间加一些用于中转的小气罐,那整个的系统质量可能又会进一步的增加。而汽油只需要一个树脂的邮箱而储存氢气,我可能要什么新材料储存,要加热脱氢了,还要什么中转气罐来提高响应。最终的结果就是一个大概飞度大小的一个车,后面需要挂一个斗,里面装的比例非常不协调的储氢金属还有中转气罐一系列的外围配置。

最后我们放眼整个的氢能源产业链,规模化之后氢气制备也是一个非常大的难题。工业化制造往往和实验室级别的制备完全不一样,因为当产品规模化之后所带来的整体边际效应的考量是完全不在一个维度的。

目前工业化制氢的效率大概只有60%-70%,再算上发电的效率、发电本身需要开采加工燃料的费用、中转物流包装输送,综合成本很可能比汽油要高不少。目前远远没有达到实用化的阶段。

经过调研,发现国内很可能确实能够通过一些手段把氢气制备成本降下来。因为我国煤炭是富裕的,比如煤炭“大鳄”神华集团就在近些年高调入局氢能源,使用一种类似于“水煤气”的方法来制氢。目前最低成本是每个立方7毛7,折合不到9毛/公斤,大大低于国际的平均成本。

神华集团在煤化工领域年产超过400万吨氢气,具备供应4000万辆燃料电池车制氢能力,在世界上排名可谓是靠前的。在氢气制备能力上相信我国的工业实力和降本增效的能力。

但任何事情来规模化之后都会有一些隐患,在查找资料过程中发现氢气可能会破坏臭氧层消息来源是加州理工学院的约翰·埃勒,这位地球化学家说利用氢气作为燃料存在的问题不是氢气燃料本身,而是来自生产、储存以及氢燃料电池使用过程不可避免的氢气泄漏。

之后他的这项研究结果发表他的美国《科学》杂志上,经过他的宏观计算,未来经济规模化之后,大约会有15%的量在制备和储存过程中泄露到大气层。使氢气从原来的正常水平百分之0.5增加到百万分之2.3。泄露氢气会逃逸到臭氧层,因为上层大气的水分增加使得臭氧冰晶层化学反应失衡,从而加速臭氧层的破坏。

2002年科学家在美国爱达荷州南部的一处地下200米的温泉之内发现一种会吃氢气的微生物。这些微生物被称作太古代微生物,只要在有氢气和二氧化碳混合环境就能生长,根本不需要阳光和有机元素。美国大气海洋局的科学家诺·沃利也曾经说过,氢气的逃逸不光会带来臭氧层的破坏,还会让大气浓度比例失衡。采用氢气作为营养物的太古代微生物也会繁育更多,从而带来未知的生态后果。

虽然上述研究呢只是提出了一个生态失衡的模型,但是燃油车刚出现的时候谁也没想到能够有现在的这种规模化的污染排放。所以有必要进行前瞻性的提醒,任何事如果忽视生态环境同时又形成了规模,就像一列刹车失效的列车轻易停不下来的。
 

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