燃料電池汽車(chē)有戲嗎

新能源車(chē)牌“D/F”何意

槍擊氫氣瓶、點(diǎn)燃燃料電池車(chē)會(huì)爆炸

埃隆?馬斯克何以被懟

甲子之年為何精彩紛呈

為加快新能源汽車(chē)及燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，財(cái)政部、工信部、科技部、發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展燃料電池車(chē)示范應(yīng)用的通知》，4年城市群示范期將“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”對(duì)完成情況給予獎(jiǎng)勵(lì)。

新能源汽車(chē)號(hào)牌：“D”代表純電動(dòng)汽車(chē)，“F”代表非純電動(dòng)汽車(chē)（包括插電式混合動(dòng)力和燃料電池汽車(chē)等）。

雖然有政策支持，但從核心技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)方面看，目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。迄今為止，我國(guó)僅累計(jì)推廣燃料電池車(chē)7200多輛，加氫站80多座，與400多萬(wàn)輛的電動(dòng)汽車(chē)保有量相比，氫燃料電池車(chē)相去甚遠(yuǎn)。

氫燃料電池車(chē)安不安全？

氫差不多是宇宙中最豐富的物質(zhì)。水就是氫與氧氣結(jié)合形成的。不過(guò)，要獲得燃料電池使用的氫氣，必須對(duì)水進(jìn)行電解，然后與氧氣結(jié)合以驅(qū)動(dòng)燃料電池或?qū)⒒鸺l(fā)射升空。

氫燃料電池通過(guò)質(zhì)子交換膜（PEM）有效地從空氣和氫氣中產(chǎn)生零排放電力，而無(wú)需使用有毒材料。

燃料電池產(chǎn)生的是直流電（DC）。它是通過(guò)將氫電子傳導(dǎo)通過(guò)陽(yáng)極而產(chǎn)生的，在陽(yáng)極氫電子穿過(guò)外部電路并返回到陰極。然后，逆變器將DC轉(zhuǎn)換為給電機(jī)供電的交流電（AC）。

圖源 |Car.com

氫氣高度易燃。1937年德國(guó)興登堡號(hào)氫氣球突然起火，科學(xué)家到今天都沒(méi)搞明白起火原因。有人認(rèn)為是氣球穿越雷雨云時(shí)積累了太多靜電，引燃了泄露的氫氣；還有人覺(jué)得是飛船氣囊材料的化學(xué)變化導(dǎo)致起火。

事實(shí)上，關(guān)于氫有一些誤解。在空氣中，氫氣的燃燒范圍很寬，當(dāng)氫體積比濃度為4%-75%時(shí)都能燃燒。

讓我們看看一個(gè)有趣的氫氣瓶槍擊試驗(yàn)，當(dāng)子彈擊穿35MPa氫瓶時(shí)，由于氫氣以極快的速度向上噴射（氫比空氣輕約14倍，上升速度遠(yuǎn)快于其與周?chē)鯕獾姆磻?yīng)速度），并沒(méi)有發(fā)生氫氣爆炸。

氫氣瓶槍擊試驗(yàn)

另一個(gè)是氫氣瓶火燒試驗(yàn)，氫氣燃燒前一秒火焰最大，一秒之后火焰驟降，15秒內(nèi)火焰熄滅，氫瓶依舊沒(méi)有爆炸。

氫氣瓶火燒試驗(yàn)

第三個(gè)是氫燃料電池車(chē)與汽油車(chē)燃料泄露點(diǎn)火試驗(yàn)。氫燃料電池車(chē)火焰是從后備箱往上竄，汽油車(chē)是汽油向下流；一分鐘后前者依舊向上燃燒，汽車(chē)基本沒(méi)有損壞，而汽油車(chē)已變成一個(gè)大火球。

通過(guò)三個(gè)試驗(yàn)可以看出，氫氣爆炸并非我們想象的那么容易，氫氣要比汽油安全。

燃料電池技術(shù)一直在發(fā)展

圖源 | h2-view.com

1839年

英國(guó)科學(xué)家William Robert Grove用電將水分解成氫和氧，即燃料電池的電解實(shí)驗(yàn)，是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。

1958年

美國(guó)出現(xiàn)了真正實(shí)用的燃料電池，輸出功率為5kW，工作溫度為200℃，其電力足以開(kāi)動(dòng)電車(chē)和風(fēng)鉆。

1965年

體積小、重量輕、效率高、無(wú)污染的燃料電池率先用在美國(guó)“阿波羅”太空飛船。

1979年

巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司（Ballard Power Systems）成立，至今已申請(qǐng)專(zhuān)利超過(guò)1500項(xiàng)，壟斷了全球超過(guò)70%的氫燃料電池份額，奔馳、大眾、福特、豐田和本田等都在使用其技術(shù)。

1998年

巴拉德展示了運(yùn)營(yíng)服務(wù)和試驗(yàn)項(xiàng)目的三輛車(chē)燃料電池客車(chē)。

2017年

巴拉德成為首家為客車(chē)供電的燃料電池公司，運(yùn)營(yíng)服務(wù)累計(jì)超過(guò)1000萬(wàn)公里。

插曲：回懟埃隆·馬斯克

圖源 | 巴拉德官網(wǎng)

巴拉德公司總裁兼CEO Randy MacEwen針對(duì)特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）對(duì)燃料電池汽車(chē)的抨擊反唇相譏：“馬斯克錯(cuò)誤地將其稱(chēng)為‘傻瓜電池’，但可以肯定：2020年是氫和燃料電池行業(yè)歷史上最大的一年?！睘槭裁?？他有三個(gè)理由。

性能

燃料電池是中型和重型車(chē)輛電氣化的唯一可行方案。傳統(tǒng)上，車(chē)隊(duì)運(yùn)營(yíng)商使用柴油來(lái)獲得重載、遠(yuǎn)程、加油快和路線(xiàn)靈活性；而燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV或FCV）除了類(lèi)似體驗(yàn)，還實(shí)現(xiàn)了零排放、低噪音、低振動(dòng)、快速平穩(wěn)加速，里程更長(zhǎng)，充電更快。

低
成本

FCEV將是下一個(gè)十年中最實(shí)惠的選擇。隨著制造技術(shù)的成熟、規(guī)模經(jīng)濟(jì)提高、氫燃料成本的下降和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，它將變得更加便宜。

可持續(xù)
性

FCEV將從柴油中型和重型動(dòng)力車(chē)轉(zhuǎn)向替代動(dòng)力總成系統(tǒng)。預(yù)計(jì)到2020年，由綠色氫驅(qū)動(dòng)的FCEV能夠提供最可持續(xù)的解決方案。

2020年，的確是個(gè)大年

圖源|telegraph.co.uk

甲子之年，全球疫情泛濫，但對(duì)燃料電池車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，2020年仍是精彩紛呈：

3月

PowerCell收到博世100萬(wàn)歐元的PowerCell S3氫電池堆訂單。

4月

沃爾沃與戴姆勒成立卡車(chē)燃料電池合資企業(yè)，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)重型車(chē)輛燃料電池系統(tǒng)。

6月

豐田與北汽、廣汽、一汽、東風(fēng)、億華通等公司簽署合營(yíng)協(xié)議，成立“聯(lián)合燃料電池系統(tǒng)研發(fā)（北京）有限公司”，研發(fā)制造卡車(chē)燃料電池。

7月

戴姆勒卡車(chē)完成燃料電池量產(chǎn)技術(shù)方案，對(duì)覆蓋燃料電池生產(chǎn)每個(gè)過(guò)程的最新設(shè)備進(jìn)行投資。

8月

TüV南德意志集團(tuán)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室宣布，正在開(kāi)發(fā)加氫站計(jì)量和定價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確保最終用戶(hù)得到精確的流量計(jì)量和公平收費(fèi)；

馬勒推出兩款用于燃料電池的新型模塊化空濾解決方案，開(kāi)發(fā)者不用每次針對(duì)不同車(chē)型重新設(shè)計(jì)，而能夠使用現(xiàn)成的通用組件，大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)約成本。

9月

奔馳發(fā)布3款采用氫燃料電池和電動(dòng)電池系統(tǒng)的概念卡車(chē)，用于城市或長(zhǎng)途行駛，續(xù)航里程有望超過(guò)1000公里；

豐田汽車(chē)與電裝共同開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)，以豐田“Dyna”輕型卡車(chē)為原型，搭載豐田Mirai FCEV的燃料電池系統(tǒng)；

馬勒與巴拉德達(dá)成協(xié)議，未來(lái)將共同為不同重量級(jí)商用車(chē)開(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)。

10月

豐田宣布，以氫燃料為動(dòng)力的續(xù)航651公里的量產(chǎn)版第二代豐田Mirai將于12月發(fā)布；

燃料電池車(chē)優(yōu)勢(shì)明顯

與傳統(tǒng)車(chē)輛外觀(guān)差不多，F(xiàn)CEV的核心是燃料電池堆（FC堆）。通過(guò)電池堆將車(chē)上存儲(chǔ)的氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，由二次電池（如鋰離子電池）為車(chē)輛電機(jī)提供動(dòng)力。

燃料電池模塊和電池堆

FCEV用氫氣罐儲(chǔ)存燃料，電池堆和二次電池都比純電動(dòng)汽車(chē)電池小很多，大大減少了其生產(chǎn)中的碳排放，間接增加了行駛里程和行李空間。

在效率方面，由于無(wú)需燃燒，理論上氫分子中的83％能量可轉(zhuǎn)化為電能，是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)能效的兩倍多，采用恢復(fù)制動(dòng)可進(jìn)一步提高效率。此外，多余的電力可分散生產(chǎn)，即插即用的便攜式燃料電池可隨時(shí)靈活存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

說(shuō)到用戶(hù)體驗(yàn)，F(xiàn)CEV一點(diǎn)也不遜色。氫能量密度高，一公斤氫氣含多達(dá)3.3升柴油的能量。乘用車(chē)行駛100公里只需約1公斤氫氣，一輛40噸的卡車(chē)只需7公斤氫氣。充滿(mǎn)或更換氫氣罐只需幾分鐘，乘用車(chē)?yán)m(xù)航里程可超過(guò)500公里；商用車(chē)更可達(dá)1000公里；另外，F(xiàn)CEV低溫（-30℃）啟動(dòng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋰電池。

圖源 |Stanford University

推廣燃料電池車(chē)的最大障礙是比充電站貴幾倍的加氫站成本（一座100-200萬(wàn)美元）。即使是確立了國(guó)家級(jí)氫能戰(zhàn)略的德國(guó)，目前加氫站運(yùn)營(yíng)總數(shù)也不到100座，僅次于日本；我國(guó)有加氫站66座，全球排名第三，國(guó)土面積比例并不匹配。

還有氫燃料電池催化劑用的金屬鉑非常昂貴，比鋰和鈷貴得多；目前FCEV乘用車(chē)車(chē)型很少，可用性?xún)H限于有足夠數(shù)量加氫站的地區(qū)。

乘用車(chē)總擁有成本（TCO）軌跡

由90多個(gè)國(guó)際公司組成的國(guó)際氫能委員會(huì)（Hydrogen Council）預(yù)計(jì)，在未來(lái)十年中，許多氫氣應(yīng)用的成本將降低一半，從而可以與其他技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。

探尋解決之道

為了應(yīng)對(duì)氫燃料車(chē)輛遇到的各種挑戰(zhàn)，人們想了很多辦法。

模塊化燃料電池控制單元

博世燃料電池移動(dòng)解決方案產(chǎn)品經(jīng)理Achim Moritz認(rèn)為，燃料電池電力驅(qū)動(dòng)是一種長(zhǎng)距離可再生能源，能夠在交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)持久變革。

圖源 |h2-view.com

他介紹說(shuō)，多樣化的需求需要多樣化的解決方案。為了布局商用車(chē)之后的乘用車(chē)市場(chǎng)，博世推出了模塊化乘用車(chē)燃料電池控制單元（FCCU），控制和監(jiān)視所連接的系統(tǒng)組件，例如氫氣噴射器、電動(dòng)空氣壓縮機(jī)、再循環(huán)泵、傳感器等。

FCCU的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制軟件結(jié)合了基于物理模型的功能，快速控制回路可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)所需的高度動(dòng)態(tài)的燃料電池堆運(yùn)行。

借助模塊化，符合ASPICE且針對(duì)AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)可以輕松地將FCCU集成到未來(lái)的E/E架構(gòu)中，并靈活地使其適應(yīng)任何其他要求。其中央軟件有自學(xué)習(xí)功能，有助于簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的校準(zhǔn)和快速上市。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元生產(chǎn)中采用了可配置且可擴(kuò)展的硬件概念，以使FCCU的處理能力及其輸入和輸出的數(shù)量和類(lèi)型最佳適應(yīng)乘用車(chē)或商用車(chē)的各自應(yīng)用。

為燃料電池的電極“上油”

使用中，汽車(chē)燃料電池經(jīng)常開(kāi)和關(guān)斷，在關(guān)斷狀態(tài)下，有害化學(xué)反應(yīng)容易腐蝕電極，引起氫車(chē)輛長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題。

浦項(xiàng)科技大學(xué)（POSTECH）研究團(tuán)隊(duì)采用了一種催化劑來(lái)解決氫汽車(chē)停駛時(shí)燃料電池的腐蝕問(wèn)題。研究證明該催化劑鉑-氫鎢青銅（Pt/HxWO3）可促進(jìn)氫氧化并選擇性抑制氧還原反應(yīng)（ORR）。

該項(xiàng)目著重于金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變（Metal-Insulator Transition，MIT）現(xiàn)象，可根據(jù)周?chē)h(huán)境有選擇地改變材料的電導(dǎo)率。鎢青銅通過(guò)插入和去除質(zhì)子來(lái)改變電導(dǎo)率。燃料電池工作時(shí)，施加WO3的MIT現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致通過(guò)插入質(zhì)子來(lái)維持H-WO3導(dǎo)體狀態(tài)；當(dāng)燃料電池關(guān)閉時(shí)，混合空氣被吸入，從而增加了氧氣壓力，從而停止了不必要的電極反應(yīng)，終止了陰極腐蝕。

MIT可防止汽車(chē)燃料電池關(guān)閉并涌入氧氣時(shí)電極降解

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的Yong-Tae Kim教授說(shuō)：“這項(xiàng)研究大大改善了汽車(chē)燃料電池的耐用性。通過(guò)這些發(fā)現(xiàn)，氫汽車(chē)的商業(yè)化將得到進(jìn)一步促進(jìn)?！?/p>

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)提高燃料電池效率

電池的性能都與電極內(nèi)部的孔或孔的排列和形狀密切相關(guān)。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)將影響電池的充放電速度，以及燃料電池產(chǎn)生電能的多少。

這些孔非常小，在微米范圍內(nèi)。由于它們很小，因此很難研究將其與設(shè)備性能相關(guān)聯(lián)所需的分辨率。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種虛擬研究孔的方法?？茖W(xué)家們能夠通過(guò)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行三維仿真，以此方式獲得微觀(guān)結(jié)構(gòu)的知識(shí)來(lái)預(yù)測(cè)性能。

研究人員采用了一種稱(chēng)為深度卷積生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（DC-GAN）的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)生成微觀(guān)結(jié)構(gòu)的三維圖像。該方法使用一種圓形粒子加速器獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)加速帶電粒子，直到它們接近光速，產(chǎn)生非常明亮的光，即同步加速器光。

帝國(guó)大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)系的Andrea Gayon-Lombardo說(shuō)：“這一技術(shù)可幫助我們放大電池和單元，了解哪些特性會(huì)影響整體性能。開(kāi)發(fā)這樣的基于圖像的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以開(kāi)辟分析圖像的新方法?！?/p>

讓燃料電池催化劑尺寸更合適

燃料電池中使用的鉑稀有且極昂貴。電極上需要有精密的催化劑，而鉑在氧化還原反應(yīng)中起著核心作用。

為了尋找理想解決方案，慕尼黑工業(yè)大學(xué)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)成功優(yōu)化了用于燃料電池催化的鉑納米顆粒尺寸，使新型催化劑的性能達(dá)到最好工藝的兩倍。

他們創(chuàng)建了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，但多小的鉑原子簇催化活性最佳？Batyr Garlyyev博士說(shuō)：“事實(shí)證明，鉑金堆疊具有某些最佳尺寸?！?/p>

他們“設(shè)計(jì)”的鉑金“蛋”只有一個(gè)納米大，且包含約40個(gè)鉑原子顆粒。Roland Fischer說(shuō)：“這種數(shù)量級(jí)的鉑催化劑體積小，但有大量的高活性點(diǎn)，因此具有很高的質(zhì)量活性?！?/p>

減少鉑金使用以降低成本

2019款豐田Mirai電動(dòng)汽車(chē)號(hào)稱(chēng)零排放，這要?dú)w功于氫燃料電池。但是在美國(guó)Mirai幾乎沒(méi)走出加州，部分原因是燃料電池電極太貴。

普渡大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種新方法借鑒了“金發(fā)女孩”（Goldilocks）想法——適量，來(lái)評(píng)估燃料電池電極需要多少金屬。該技術(shù)利用金屬表面上的力來(lái)確定理想的電極厚度。

化學(xué)工程學(xué)Jeffrey Greeley教授說(shuō)：“適量的金屬可以使燃料電池電極獲得最佳性能。如果它們太厚或太薄，部署燃料電池的主要反應(yīng)也不會(huì)起作用，因此剛剛好就是最適合的?！?/p>

研究人員在鈀上測(cè)試了他們的理論。Greeley說(shuō)：“我們實(shí)質(zhì)上是在用力來(lái)調(diào)整構(gòu)成電催化劑的薄金屬板的性能。最終目標(biāo)是要在多種金屬上測(cè)試這種方法?！?/p>

找到恰好合適的厚度會(huì)給電催化劑的表面施加應(yīng)力，并增強(qiáng)電催化劑執(zhí)行反應(yīng)的能力。Greeley的小組通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)，可以操縱鈀電催化劑表面的固有力以獲得最佳性能。

根據(jù)模擬，五層厚，每層都像一個(gè)原子一樣薄的電催化劑足以?xún)?yōu)化性能?！斑@有點(diǎn)像建筑中的某些結(jié)構(gòu)不需要外部梁或柱，因?yàn)槔蛪毫κ欠植己推胶獾??！逼斩纱髮W(xué)化學(xué)工程博士后研究員Zhenhua Zheng說(shuō)。

約翰·霍普金斯大學(xué)Chao Wang實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該模擬預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該方法可將催化劑活性提高10至50倍，所用金屬比目前燃料電池電極中使用的金屬少90％。

Wang說(shuō)：“通過(guò)調(diào)整材料的厚度，我們可以產(chǎn)生更大的應(yīng)變。這意味著有更大的自由度來(lái)加速所需的材料表面反應(yīng)。”

寫(xiě)在最后

汽車(chē)應(yīng)用的半導(dǎo)體機(jī)會(huì)

早在2015年，作為豐田市內(nèi)公交線(xiàn)路正式運(yùn)營(yíng)的燃料電池巴士中，控制燃料電池堆電壓的FC升壓轉(zhuǎn)換器就采用了SiC（碳化硅）二極管，旨在通過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)收集行駛數(shù)據(jù)，驗(yàn)證新材料的燃油經(jīng)濟(jì)性提升效果。

今年8月，中車(chē)時(shí)代突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研制出碳化硅大功率燃料電池DC-DC轉(zhuǎn)換器，并成功實(shí)現(xiàn)商用，在一直被美國(guó)、日本“卡脖子”的技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破。

不難看出，與其他類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)一樣，車(chē)輛中電子器件的含量只能越來(lái)越多。新興氫能燃料電池的汽車(chē)商用將帶動(dòng)半導(dǎo)體，特別是功率半導(dǎo)體及其測(cè)試裝備的增長(zhǎng)。我們需要上下游廠(chǎng)商的通力協(xié)作，至少在應(yīng)用方面不落下風(fēng)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：被馬斯克怒懟的燃料電池汽車(chē)有戲嗎？

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