鉅大LARGE | 點擊量：522次 | 2021年11月27日
激發氫能巨大潛力 燃料動力電池汽車正從夢想走向現實
●追求最終化的汽車
當代清潔能源汽車已進入一個多元化、多樣化、多維化發展的世紀，在電動汽車領域，特別是純電動汽車的發展居主導地位，不過要說明，FCEV也是屬于電動汽車序列中一種重要的，理想的新興產品。
當代，全世界，當然也包括我國正掀起一股FCEV熱，這是由于FCEV在相當長時間的創新，積累，進化的實驗性試制和試用過程中，已經在相關的不少科技領域取得突破性進展，這無論是在原理上驗證，結構上整合，功能上進步都有了很好的顯現，已形成一種波浪式軋跡上的躍遷，可以說我們已經看到了FCEV走向產業化的總趨勢。
由此國內外一些科學家、工程師、學者和公司家再次提示：FCEV可能是汽車一種終端產品，而且會很好的引發令人十分向往的氫經濟社會的來臨。在最近的一些汽車產業論壇上，汽車及相關業界人士對發展FCEV表現出更加有信心，認為不應再停留在示范上，而應該大力推動商業化的進程，這是對推動實體經濟向新型方向發展，推動汽車產業由大變強的有力舉措之一。
那么到底FCEV有那些優勢呢？請看，作為FCEV重要能源的氫，能量密度相當的好，我們以世界標準的KW·h/kg為系數，氫能為33.3，天然氣13.8，汽油12.1，煤氣8.4，氫能比汽油高出2倍多；氫作為二次能源，其資源十分豐富，只要有水就可以制氫，還有其他眾多產氫方法，是人類社會用之不盡的“氫礦”；FCEV運行中排放出只是水，無論是對大氣的污染還是溫室氣體都應是“零”；當前FCEV一次充氣，可跑700公里，充氣只用3分鐘，而且還在不斷提升之中；當前FCEV的制氫用氫成本昂貴，但要多看前景，可能10年前后，可達到與傳統內燃機運行同等價格，然后繼續下降，到2050年基本上可能實現氫氣零成本運行；不久未來同樣可以出現FCEV的智能化車輛，特別是要注意克服氫能不安全運作一些隱患，成為更安全的產品。
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當然，當前一些人士認為氫能備制和應用成本很高，高純度的氫提煉難度大，這些劣勢是很難克服的。我想用全息論中的演化推理方式，即溯因法來分析，即事物的發展分為可逆的和不可逆的。如我們用汽柴油汽車，必然會出現大氣污染和溫室效應，雖然可以減少但不會排除，而氫氣則是無害無毒的，氫氣當前的高成本問題是可以克服的，前者屬于不可逆性，后者屬可逆性，就是說我們以此為依據對事物的現狀和未來把握其本質問題，而確定其目的性，這就證實為何人們要用二百多年這樣漫長的歷史，堅持不懈的去探索，研究氫氣和燃料動力鋰電池問題，可以說一門重大的科學的應用多是經歷著一個孕育到誕生，再到發展壯大的自然歷史過程，這是歷史進化的必然規律，也是最終要完成目標的重要因素。
FCEV既是一種古老又新型的高科技產品，它的悠久歷史可追溯到二百多年的歷程。在1801年英國科學家H·Davy發明了燃料動力鋰電池的原理；1889年英國科學家Mond首先用工業煤和空氣合成裝置制氫，并正式用上燃料動力鋰電池的命名；20世紀50年代，英國劍橋大學教授培根用高壓氫試制成功5kw的燃料動力鋰電池，在試驗室中應用；1965年美國GE公司把燃料動力鋰電池裝上阿波羅（Appollo）登月飛船，供應電力；2002年美國總統布什制訂《自由汽車計劃（FreedomCAR）》，研究應用燃料動力鋰電池汽車產業化問題，為此供應FCEV的不斷探索留下不少相關相關經驗和教訓；2003年美國提議成立《氫能經濟國際合作伙伴（IPHE）》，美國和西歐等15個國家都參與了，我國也在其中，2004年五月第二屆IPHE指導委員會議就是在北京人民大會堂召開的，2007年美國通用汽車公司和加拿大知名的巴拉德燃料動力鋰電池公司，在雪佛蘭Equinox轎車裝上燃料動力鋰電池進行試運行，至今還在繼續改進實驗中；同年歐盟提出《歐洲清潔都市交通計劃（CUTE）》，擬在阿姆斯特丹、漢堡、倫敦、盧森堡、馬德里、斯德哥爾摩等城市開展燃料動力鋰電池公共汽車示范運行；2011年德國戴姆勒·奔馳汽車公司開展了FCEV全球巡展演示，投入Citano燃料動力鋰電池客車36輛，由20個交通運營商負責進行巡展，其全程運行已達480萬公里；歐盟在2014年公布《地平線2020年計劃》，指出到2020年，燃料動力鋰電池各種車輛應用要達到20萬輛，加氫站1000座，氫氣來源50%以上來自非石化能源生成的，成本要下降90%；2015年五月國際第23屆IPHE指導委員會在我國武漢召開，很好的交流了國際對氫能和燃料動力鋰電池的最新進展，以及下一步計劃，也為我國加強國際上合作，共享資源供應了好機遇；2016年五月《亞洲氫能與燃料動力鋰電池大會》在上海召開，并舉辦展示，特別關注的是制氫和燃料動力鋰電池的裝備，對發展FCEV起到很好助推用途。
這里要指出，國際汽車界人士認為2015年是FCEV的元年，這重要以日本豐田的“未來”（Mirai）正式進入初期的商業化運作為標志而提出的，Mirai功率113kw，扭矩335N·M，相當于2.0發動機轎車水平，續行500公里，在日本成本720萬日元，政府補貼200萬日元，市場售價500萬日元（約折合26萬元人民幣），這和“皇冠”轎車價格差不多。豐田2015年產銷700輛，2016年1600輛，其中三分之一出口，2017年計劃3000萬輛，2020年為迎東京的奧運會，計劃推出3萬輛。與此同時，本田、三菱、馬自達、大發等公司也都拋出具有自己特色的FCEV，本田的ClarityFCEV續程已達589公里。近來，日本通產省公布《燃料動力鋰電池汽車戰略路線圖和氫能社會白皮書》提到，2025年實現200萬輛的目標，2030年加氫站達1800座，相應對質量，成本和配套工程設施都要很好改善，形成規模化能力走向市場。
我國也是十分重視和積極發展FCEV的國度。早在20年前的“十·五”的863重大專項中，就明確指出要支持FCEV的研發，撥款3.8億元；到“十一·五”和“十二·五”規劃中，在節能與新能源汽車重大項目中，都把FCEV列為重點項目，支持發展；2014年一月《我國燃料動力鋰電池技術創新戰略聯盟》在上海成立，同濟大學、清華大學、武漢理工大學、重慶大學參與，一汽、東風、上汽、長安、奇瑞等汽車及零部件公司都參與，燃料動力鋰電池及其附屬公司也參與，目的是加緊實行產、學、研聯合，更好攻克核心技術，加強FCEV產業更好更快發展；今年四月，三部委有關《汽車產業中長期發展規劃》中，對FCEV的戰略地位進一步加強，提出三個時間節點要求，2020年在特定地區的公共服務車輛領域進行小規模示范應用，2025年私人用車和公共服務用車領域批量應用，不低于1萬輛，到2030年在私人乘用車，大型商用車領域進行規模化推廣，不低于10萬輛。與此同時，三部委公布《2016-2020新能源汽車推廣應用財政支持政策通知》中指出，在2017-2020除燃料動力鋰電池汽車外，對其他新能源汽車的補助標準實行必要的退坡，而燃料動力鋰電池汽車補助保持不變，甚至個別車種還有所提高。由此可見國家在宏觀層面，對氫能和燃料動力鋰電池汽車給予越來越重視和支持。
在公司層面，我國第一輛FCEV于1999年十二月在清華大學試驗成功。2001年十二月美國通用汽車公司和上汽集團合資的泛亞技術中心，研制出“風凰”FCEV。2008年北京奧運會上，有20輛各種燃料動力鋰電池汽車在會上示范運用，2010年上海世博會上有40輛各種燃料動力鋰電池汽車，供大會交通示范運行。2014年上海榮威950第四代FCEV產出，行程400公里。宇通客車公司是首家推出燃料動力鋰電池客車，2014年9輛，2016年100輛，2020年計劃4000輛，宇通第四代燃料動力鋰電池客車，續程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”牌燃料動力鋰電池客車，計劃28輛，送廣州和佛山地區進行示范運行。東風汽車公司第一款EQ5080型燃料動力鋰電池廂式運輸車已問世，續程305公里。據統計目前為止，我國共研發試制出200多輛各種燃料動力鋰電池汽車在各個時間段進行示范運行。2017年六月二日工信部公布通告《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》中，就包括有燃料動力鋰電池客車5種，專用車及卡車2種，假如加上2016年公布燃料動力鋰電池轎車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，但目前產量還很少，急待改革和改進。
●激發氫能的巨大潛力
氫能作為燃料動力鋰電池的“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，質量最輕，最為清潔、最為豐富元素之一。
氫重要以化合物形式生存，最突出表現是水，氫占水總質量1/9，假如用電解水制氫，能量密度很高，其效率可達80%；氫還生存于一些礦物質中，如綠柱石，鋰電氣石，頑火輝石的結構中，多以極少量氣態生存；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；更加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。
氫還有一個重要用途，即氫的同位素將對正在開發和試驗的核聚變電站供應基礎原料，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。大家都了解，人們先發明原子彈，后來又發明氫彈，實際上是核裂變和核聚變的理念和應用的革命性變化。歐盟認為到2035年核聚變電站可以投入商業化應用，我國專家認為到2040年有可能投入應用，目前我們和美、英、法、日、德等國家已多年組成聯盟，共同開發核聚變電站。可以預言假如核聚變電站投入應用，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“仿造太陽的廠”。
氫在人為狀態下形成三種形態：氣體氫：這已成為氫的常態，是衡量氫物理和化學質量的標準形態；液態氫：目前多用高冷卻方法形成的，要在零下253℃時，可促使氫液化，如現在太空火箭上的推動燃料就是用液態氫；固態氫：在超高壓下，促使液氫向具有導電金屬特性的固態氫出現，所以也叫金屬氫，它具有很好的超導性和超級能量，在航天、和上有特殊用途，民用工業也有很好用途。
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，電解食鹽水的副產氫、釀造工業發酵制氫、甲醇裂解吸附制氫、鐵與水蒸氣反應制氫等。當代比較新的制氫方法，如生物質制氫，微生物酶制氧、海水淡化制氫，可再生能源，如風能、太陽能、水能、地熱能、海洋能發電制氫，如我國已建成海水淡化工程103個，總規模90萬噸/日，并推廣淡化水制氫示范工作。
氫的儲存，包括民用和工業用氣源以及交通工具，如FCEV氣源的存儲方式，有加壓氣態儲存，目前國際上FCEV儲氫罐壓力達70Mpa已比較常用；液態儲氫，對儲氫罐技術要求高，罐內溫度和外面溫度相關很大，內部容器構造復雜，防止出現熱漏，在FCEV上也有選用；金屬氫儲存是應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。氫的運輸對氣態和液態已經實現大規模應用。由于用戶和要求不同，氫氣可以用管網，也可與天然氣輸送管共用，還有通過儲氫容器裝在車、船上，管網適應于量大的需求，船運、車運則適應分散的場合。
當前，對FCEV推廣來說重要是建設加氫站問題。世界上第一座FCEV加氫站是1999年五月在德國慕尼黑機場建成。目前國際上已有加氫站重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年一月全球已設立290座，其中日本28座、歐洲97座、美國75座、韓國80座、我國4座、澳大利亞1座。我國加氫站分布在北京、上海、廣州、鄭州，今后將會在FCEV示范區建設加氫站，2017年中科院大連化物所與同濟大學發明以風能與太陽能結合制氫的加氫站，每日可供200臺FCEV續程800公里的需求。美國海德利森已至國內設立移動式加氫站業務，尋求合作建氫站。預計到2020年全球將出現5200座加氫站，比目前的上升18倍，以適應發展FCEV的需求。
據Persistence市場研究公司預測，到2020年全球氫氣需求量將從2013年的2553億立方米，新增到3248億立方米，上升27%，其中特別是我國，將是全球氫能需求和生產第一大國。
氫能有這么多優勢，但人們對氫能安全仍有擔心，認為氫能屬于一種易燃爆氣體，特別是擴散度相當的快，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專家，得到答案，是認為氫氣燃燒時容易快速噴發，但屬直線式形態而逃逸，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，燃料動力鋰電池的3個儲存罐嵌在底盤架上，這樣雖然對車輛底部振動，環境惡劣，容易受碰撞，他們認為在技術上已得到反復測試可以放心使用，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，仍作為全產業鏈的安全舉措，持續不斷改進，不斷提升安全可靠的水平。
