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燃料电池汽车终于向我们开来了

国际新能源网  来源:4G光元通信能源  日期:2017-09-26
  虽然现在市场上已经有燃料电池汽车出售,消费者也可以购买自己的氢动力汽车,但是,从产业和行业的角度来看,必须加速扩大燃料基础设施和降低燃料电池汽车的成本。
 
  以燃料电池动力汽车的想法已经存在了几十年。原则上,这些车通过氢与空气中的氧气的电化学结合而产生的电力,可以减少对石油的依赖,而且,从排气管排放的只有水。但是,尽管进行了广泛的车队测试,燃料电池轿车似乎还需要5年的时间。不过.开车的人现在可以购买或租赁燃料电池汽车。今天的数字很低,只有少数几个装有公共氢气加油站的地理区域才有汽车供应。但该行业正准备生产更多的这些汽车,并扩大加油基础设施。研究人员继续寻找降低燃料电池成本和改善耐久性的方法。
 
  Raymond Lim,一个心理学和统计学讲师,把自己描述成一个“喜欢尝试新技术的汽车爱好者。”Celso Pierre也是一个喜欢酷的小玩意的人。他是一个机械工程师喜欢徒步旅行和户外活动。每当彼埃尔听到新技术,他跑去了解它。对于这两个人来说,这种兴奋早已发泄在包括电动汽车和省油的汽车。因此,林和彼埃尔抓住机会加入了小型驾车俱乐部,他们用自己的燃料电池车在加利福尼亚的道路上行驶。利姆开的是丰田的未来,彼埃尔电的是现代的图森。
 
  这些氢燃料电池电动汽车作为传统汽车的替代品已经发展了几十年,它们不依赖化石燃料,也不污染环境,只排放水蒸气。在这段时间里,许多燃料电池示范车的原型和车队已经记录了数百万英里,推进了远远超出实验室试验阶段的运输技术。然而,工业观察家们似乎对汽车燃料电池汽车展厅的没完没了的拖延感到沮丧。据科技爱好者们预测,这些汽车每年都会在市场上“五年后”到达市场,这意味着汽车工业在很大程度上放弃了生产燃料电池汽车。
 
  那种印象完全是错误的。工业界继续致力于这项技术,而“过去五年”的预测在过去几年终于实现了。虽然今天出售或租赁的燃料电池汽车的数量相对少,而且车辆只能在特定的地理区域内使用,私人汽车司机最终才有可能驾驶一辆车离开该地段。与此同时,工业界正在扩大美国和其他国家的氢燃料基础设施,并继续设法使车辆更便宜、更耐用。
 
  燃料电池的崛起
 
  燃料电池的概念可以追溯到19世纪,但直到上个世纪,各种类型的演示装置才证明这些电化学装置能够可靠地产生电流。当美国国家航空航天局在1960年代和1970年代在双子座和阿波罗任务以及其他太空计划中使用这些发电机时,它们被认为是可靠的装置。
 
  与电池的电化学相似,燃料电池含有从化学反应中提取有用电能的电极。在电池和燃料电池中,当一个正极通过一个外部电路连接到一个负极时,就会发生氧化还原反应。当阳极发生氧化反应并在阴极上进行还原时,电子流过电路,为连接它的装置提供电发动机,如燃料电池汽车。
 
  和燃料电池汽车有关的数字
 
  57500美元厂商建议零售价为2017丰田的未来
 
  370个燃料电池单电池堆在Mirai的的燃料电池中
 
  ~ 5千克质量的氢气存储在未来的燃料箱中
 
  ≥480和<240行驶公里分别 对于在一个氢罐和各种电池驱动的电动汽车上。
 
  < 5和30 - 720分钟 分别对于氢燃料和电动汽车的电池充电时间。
 
  但不同的电池,其存储的氧化剂和还原剂的电化学燃料电池包内,从外部吸取氧化剂和燃料。因此,燃料电池不会耗尽或需要像电池那样充电。原则上,只要燃料源源不断的新进入设备中,燃料电池就可以继续发电。
 
  许多类型的燃料电池已经通过研究和开发阶段,并有几个版本已经商业化。这种装置主要区别于电解质,它是在电极之间传输离子的介质;构成电极和其他元件的材料;以及预期的应用。
 
  燃料从设备到设备也各不相同。在碱性燃料电池中,氢气用作燃料和氧气作为氧化剂。但是也有从醇或碳氢化合物中提取氢的系统,以及直接使用甲醇的,而不首先将它转化为氢。
 
  汽车燃料电池目前主要依赖于聚合物电解质膜(PEM)。微米厚的薄膜有两个功能:它是一种固体电解质,将氢离子从阳极传导到阴极,它是一种气体分离器,可以防止氢气和氧气直接、不受控制地混合。这种混合燃料的浪费,使燃料电池运行效率低下,导致副产物,可以降低燃料电池组件。
 
  燃料电池汽车的数量已经从2015年开始进入零售市场也稳步增长,当丰田开始在日本和加利福尼亚出售他们汽车。现代和本田也进入零售市场,所以数字开始攀升。
 
  2016,丰田增加了其四座燃料电池汽车,生产的未来,这意味着“未来”在日本,从2015的700辆,到2016级约2000辆。今年该公司计划生产约3000辆。
 
  根据在现代的燃料电池研究实验室的一名研究员Bo Ki Hong的说法,韩国汽车制造商预计将生产约1000的途胜燃料电池的紧凑型SUV今年年底分发给18个国家。本田正在生产同样数量的清晰车,一款运动型五座燃料电池轿车。所有三家汽车制造商,都是目前在美国销售或租赁燃料电池轿车的唯一公司,它们的共同目标是在10年后将生产水平提高到数万。
 
  那么,是什么能让燃料电池汽车在五年后从经销商到最后停在人们的车库里呢?首先,汽车制造商不断获得工程和制造业方面的经验,这有助于降低生产成本。他们还不断提高质子交换膜燃料电池的效率,并学会如何大大减少昂贵的铂,使设备仍然可以有效地工作。这些进步转化为更便宜、更小型、更强大的设备,为设计各种尺寸和价格吸引顾客的汽车提供了灵活性。
 
  这幅图显示了丰田未来的燃料电池汽车主要部件。
 
  氢是汽车的动力
 
  成长的空间(烦恼)
 
  但是,汽车制造商是否会达到他们的生产目标,很大程度上取决于车主们对燃料电池汽车的满意程度。洪说:“顾客期望与汽油和柴油动力汽车的性能和驾驶体验都是一样的。”。
 
  LIM大为赞赏他的Mirai性能。“这辆车很棒,”他说。他说:“这段旅程平稳、安静、有力。当谈到加油时,这个过程很快——“不到五分钟,这就让我行驶了300多英里(约480公里)。”。
 
  这些与汽油动力汽车相似之处突出表现为燃料电池汽车优于电池驱动的全电动汽车。许多类型的汽车,也被称为插电式,需要30分钟到12小时的完全充电,这取决于充电器的类型。许多车续航旅行少于150英里(约240公里)左右。
 
  这些因素似乎让燃料电池汽车占了上风。但燃料电池汽车需要氢,目前美国只有40家零售加氢站,几乎全部在加利福尼亚。
 
  “在这种鸡和蛋的困局情况下,”多伦多地区的燃料电池制造商。Hydrogenics首席技术官Joseph Cargnelli说,他说,如果消费者不能很方便地获得氢,燃料电池汽车生产商就会对提高产量犹豫不决。氢气供应商也会因为没有足够的燃料的需求而不确定建设加氢站。
 
  但加氢站的数量还是在增长。加利福尼亚预计将增加36个站,2018个,一半在北部,一半在南部。
 
  氢加油站也将向东北方向发展。根据Jana L. Hartline的说法,丰田公关经理,丰田,与法国液化空气集团合作,支持12个氢燃料站在纽约,新泽西,马萨诸塞州,罗得岛和康涅狄格建设。她说,第一站应该在年底前完成。在日本,法国液化空气集团,丰田,和其他九家日本公司同意建立160座加氢站和目的把40000辆燃料电池车2020年送上日本的道路。
 
  燃料电池轿车的数量远远超过这种电化学技术驱动的其他车型,因此,它们受到了最多的关注。然而,其他车型也取得了显著的成功。例如,无污染,燃料电池公交车走过拥挤的城市街道自本世纪初以来,根据美国能源部的报告,在全球范围内,到2015年有370辆燃料电池公共汽车交付使用。
 
  另外,虽然18轮大卡车似乎不可能很快被燃料电池拖着在公路上乱跑 , 但是,丰田今年早些时候已经开始在洛杉矶港的一个原型车试验。
 
  燃料电池叉车的数量远远高于公路车辆。北美洲的主要仓库运营商,包括亚马逊、沃尔玛和联邦,都使用大约15000辆的室内车辆往返穿梭在产品和设备中。不同于标准电池供电的版本,这些燃料电池供电的版本不需要坐30分钟或更长的时间来充电。
 
  要解决的问题
 
  即使商用燃料电池汽车的数量增加,研究人员仍在寻找降低成本和提高耐久性的方法。降低标签价格的最好研究方法之一是减少用作燃料电池电极催化剂的铂量,以介导电化学反应。
 
  通用汽车燃料电池研发总监Mark F. Mathias说:“铂金长期以来一直是燃料电池成本的象征。”。在过去的10年中,通用汽车和其他燃料电池汽车制造商一样,成功地将汽车燃料电池堆中使用的铂量从每辆车的大约80克降到30克以下。马蒂亚斯说,目前,每辆车的目标是10克,这个价值相当可观。
 
  燃料电池制造商已经采取了许多策略来减少所需的贵金属质量,同时确保燃料电池可靠地运行。一个关键的方法是尽可能彻底地分散铂,例如,在高表面积的碳支撑材料上,最大限度地提高铂的表面积,用于燃料电池的反应。
 
  一些研究人员正在探索降低铂和其他贵金属成本的可能性。洛斯阿拉莫斯国家实验室和同事Piotr Zelenay准备由氮、碳催化剂,以及廉价的过渡金属如铁或钴具有高活性的氧还原反应,氢燃料电池驱动的一个关键过程。
 
  提高这些有前途的催化剂的性能需要详细了解其活性位点的性质。因此,洛斯阿拉莫斯集团联手在橡树岭国家实验室的研究人员分析fe-n-c燃料电池催化剂采用先进的电子显微镜和计算技术。该研究揭示了碳氮协调fen4嵌入式单位最有可能负责的高催化活性物种(科学2017,DOI: 10.1126 /科学。aan2255)。
 
  同时,德拉瓦大学的Ajay K. Prasad,Dionisios G. Vlachos和同事们正在努力改进燃料电池的耐久性。该团队设计了一个简单的,提高质子交换膜燃料电池中常用的全氟磺酸膜的耐久性,低成本的方式。即使是少量的氢和氧通过膜泄漏,这是一个常见的问题,导致降解这些膜和缩短设备寿命的反应。泄漏,或“交叉”在过氧化氢和自由基的形成的结果,包括OH·和OH·, 攻击膜的C–S 结合处形成针孔缺陷和最终。研究小组表明,用廉价的碳化钨纳米颗粒处理该膜,可以通过粒子捕获自由基和抑制过氧化氢的形成来延长其寿命。通信。2017,DOI: 10.1038 / s41467-017-00507-6)。
 
  随着汽车制造商继续降低汽车标签价格,推动燃料电池轿车的生产,越来越多的私人汽车司机将有机会拥有一辆。一些汽车的环保零排放会激发他们的动力,而另一些则会被最新技术的热爱或氢动力所吸引。
 
  当然,还有些人可能从未来汽车抓到燃料电池汽车的问题。“我得到的时候所有的车都向我问候,”他高兴地说道。“人们总是看着我的方向向我挥手。”利姆喜欢和他们谈论他的氢燃料电池车,并且确保手边备有一大堆汽车说明书。“我已经这样做超过了100次,”他说。
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