氢燃料电池汽车的前景它的优势和难点

氢燃料电池汽车的前景它的优势和难点
氢燃料电池（电动）汽车的关键所在和奥秘之处，在于它的动力来源—氢燃料电池近乎完美和非常理想的工作原理与机制，它名义上叫“电池”，而实质上是一种基于化学原理，将作为“燃料”（并没燃烧）的氢气和空气中的氧化剂反应生成化学能转换为电能的发电装置—氢气发电机。
燃料电池早期主要应用于航天和军事目的，后来，鉴于其巨大的潜在优势和应对日趋严重的交通环境污染，人们有研究将它应用于汽车动力装置，经过这数十年科学家和科技人员扎扎实实的埋头探索和反诉试验研究，如今，世界上氢燃料电池汽车的技术进步飞快，成果显著，大大超出了许多人的预想，已经展现出光明的发展前景。在电动汽车依旧烧车的关键技术障碍久攻不下的困扰下，氢燃料电池汽车的确给人们来带一种“眼前一亮”的感觉。
在世界汽车工业界多年艰难尝试了多种新能源汽车技术方案后，依据氢燃料电池汽车表现出来的无与伦比的卓越环保性和高能效，再参照对全球正在酝酿兴起的第三次工业革命的预判，学界有人断言，氢燃料电池汽车很可能是世界汽车的最终发展目标和新能源汽车终极解决方案。该项革命性的技术成果对人类未来经济社会将产生重大影响和广阔的发展前景，已被世界一些具有敏锐眼光的科学家所认识。
世界经济论坛新兴技术跨界理事会由18位顶尖科学家团队组成，评选出全球未来最具发展潜力项目，诸如无人机、新一代机器人、金属3D4D打印等十大新兴科技，其中，氢燃料电池汽车位居榜首。
燃料电池潜在的远大发展前景，不仅为汽车业界人士所认识，而且也受到航空界的青睐，意大利都灵理工学院成功研制出世界首架燃料电池飞机，并在柏林航空展上展出，在此之前，该架飞机已在汉堡试飞成功。在汉诺威工业博览会上，德国航空航天中心也展示了其研发的燃料电池飞机，同样，鉴于其巨大的优越性，燃料电池潜艇也是目前世界各军事大国研发的热点之一。
过去，我国很多人的代步工具都是燃油的汽车和摩托车，现在随着纯电动汽车和电动摩托车取代了大部分的位置。基于燃料电池的巨大优越性及清洁可再生能源技术的发展，未来，传统的蓄电池自行车被氢燃料电池自行车取代。法国就有这么一家公司，推出了世界首款被命名为“阿尔法”的氢燃料电池自行车，首批造了100辆，售价人民币1.7万，当然，没有超过路易威登的自行车，人家那个可要20多万，不过大批量的生产，售价应该会大幅下降，可能3-5000还是要的。
值得我们关注的是，近期国外有关机构已研发成功可作为手机和电脑电源的燃料电池。如果这种电池也能获得大量应用，则不仅会促进燃料电池事业的快速发展，而且也能大大推动可再生清洁能源的普及和应用。
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氢燃料电池汽车的主要优势
1、基本优点
装备以质子交换膜为代表的氢燃料电池汽车主要优点很大程度要归功于燃料电池非常理想的工作原理。至少可以说，它在保持和扩大纯电动汽车优势的同时，又摈弃了后者固有的缺陷和不足。
A、极好的环保性。我们就拿丰田MIRAI而言，在行驶过程中，只排放纯净水而没有其他任何有害物质，能不能喝我不知道，我不建议你喝；同时，这也符合大自然循环的规律。汽车运行工作的副产品—水，虽然以目前的状况看，汽车使用者还不能直接回收利用，但排入大自然总会还是要被循环利用的，或者再次电解制氢，或者养些花花草草。从能源的生命周期来看，如果汽车使用的氢燃料是来自工业废气等副产品以及通过可再生清洁能源而取制，那么车辆总的排放污染也是很低，很少的。在双碳政策和全球环境卫生要求、气候变化异常等严峻的局面下，促使我们现在把发展新能源汽车的目光聚焦到氢燃料电池汽车上，说到底是更看重其卓越出众的环保性。但也因为目前加氢站、氢能源车还不多，成本依旧居高不下。
B、能源效率特别高。从车辆的动力装置—氢燃料电池的工作原理来看，他产生动力不经过热机的过程，不受热力循环限制，基本上没有热释放和热能的损失。因此，能源的转换效率可以达到六七成，甚至更高，大致是内燃机的2-3倍，从这个角度来看，大力发展氢燃料电池汽车也是我国破解能源困局的有效决策和重要举措了。
C、氢能源资源丰富。作为最小的分子元素，从初中就认知了它，向燃料电池提供的燃料——氢，来源和分布都十分广泛，从理论上说，在宇宙的质量中都有75%的氢元素。地球上的氢也无处不在，无处不有，制取氢的资源丰富，途径多样，有点取之不尽用之不竭的感觉。从实现可采用的技术手段上讲，既可以用包括风能、太阳能等清洁可再生能源电解水制氢，也可利用光直接解水制氢，阳光生物（仿造植物光合作用）制氢，或者拿我这种废物再利用制氢。
D、氢燃料电池汽车乘坐舒适度高。燃料电池汽车与传统车相比，动力系统不存在机械振动和热辐射问题，不仅可以保证汽车有关零部件有更长的使用寿命和更高的可靠性，而且汽车运行平稳，噪音小，开一天车，脑子也不会嗡嗡的。
2、与纯电动汽车相比的独特优点
基于燃料电池工作原理的科学、合理性，氢燃料电池汽车就从根本上避免了纯电动汽车的若干重大缺陷，例如续航里程局限和易发烧的安全隐患等。
A、续航里程局限小，补充能量快。纯电动汽车跑得远，全靠电池密度和蓄电池储能给，燃料电池汽车的所谓的“电池”，只发电，不蓄电，装在储氢罐里的氢才是车辆储存的能量，只要将氢源源不断地提供给燃料电池，驱动系统就能获得足够的电能而驱动汽车行驶。也就是说啊，氢能源电池汽车的续航里程并不取决于“电池”，而取决于储氢罐装多少。有点像我们很多城市跑出租车的CNG汽车。
B、氢能量的密度大约是汽柴油的2-3倍，现在电动车锂离子的10倍，5公斤的氢储量可以支持氢燃料电池车跑400公里，而达到相同的里程数的纯电动汽车，电池都半吨重了，相比之下，氢燃料电池车堆则要轻很多，电动车自己带个半吨重的玩意搁那跑，其实并不合理，也不科学，导致很多汽车续航达不到实际效果。再说，补充个5公斤的氢气，那得多快，几分钟就直接跑400公里，新能源车，慢充得七八个小时，快充也得30分钟，跑多远，你去问问出租车司机就知晓了。通过这种对比，还让我们看到另外一个问题，就是在推广普及纯电动和燃料电池汽车同时，都需要建设基础设施的情况下，氢燃料加注站的设置密度要比纯电动汽车充电站的设置密度低很多，这将会带来很大的节约，产生积极的社会效应。
C、电池安全性高，对环境友好。氢燃料电池由极板夹着很薄的电解膜构成。在电解膜一阳极上，氢被诸如铂一类的催化剂分解为电子和质子，质子可以穿过电解膜，与空气中的氧生成水蒸气排出，而电子则统统被电解膜拦截，集中起来生成电流。这一过程是在物质的原子水平上发生的，从理论上讲，没有热辐射，就是在实际应用过程中，电池的最高温度也不会超过100度，再采取一些冷却措施，温度则会更低，再由于燃料电池失能甚微，即使膜裂了，也不会发生爆炸。
D、关于氢燃料电池在全寿命周期内对环境的影响，就整体而言，其构成材料基本上没有毒性，在制备、使用和回收处理环节，不存在对环境有啥污染的问题。在世界范围内，氢燃料电池还处于示范运用阶段，比如佛山的一部分公共汽车和私家车一共投入大概1700多辆氢能源汽车，跑的公里数还不够多（1390万公里），积累的实践经验尚少，若大量使用，燃料电池究竟对环境是否会产生明显负面影响，还得留给时间。
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氢燃料电池发展的难点
尽管氢燃料电池具有上述诸多优点，但它毕竟是一个完全创新型、革命性的技术产品，不可避免地会有协议不完善和需要改进的地方。
1、燃料电池发动机技术性能需大幅提高
早期阶段，燃料电池发动机的技术性能欠佳，需要极大的改进才能满足实际要求，主要由以下几个方面：
一是燃料电池的功率密度较低，整个燃料电池发动机输出的功率受到局限；由于其动态响应慢，在汽车均速形势下，问题倒没什么，而路况改变的时候，比如爬坡、加速需要更大功率的时候，就显得“汗，难达”了。
二是燃料电池发动机的耐久性差强人意。在前期阶段，国际上燃料电池发动机的使用寿命普遍不超过3000个小时，2020年的目标是5000个小时，与实际应用有不小的差距，燃料电池汽车行驶4万-5万公里后，功率下降了40%，与传统燃油车跑个50万公里上下相比，那差的不是一点点。
三是燃料电池发动机环境适应能力差，尤其是低温情况下，启动比较困难，续航里程降低，纯电动车也有这个毛病，是因为电池活性问题，不能很好满足天气寒冷时的汽车正常使用要求，南北差异巨大。
2、系统可靠性要求高
为使燃料电池发动机具有足够大的功率输出，需要把成百上千个单体燃料电池集成于一体，构成燃料电池堆，不仅要求每个部件预有一致的质量，而且串联作业时，也不允许有任何差错。例如单体电池间由于水、热、压力、燃料供应以及膜的情况不同而出现性能上的差异，那么电池堆内部就会出现不平衡，从而影响发动机工作。
除此之外，燃料电池发动机结构比较复杂，由许多不同的部件或单元组成，他们之间也要有完美的匹配，总之，燃料电池发动机系统技术含量高，创新潜力大，系统可靠性要求也很苛刻。
控制策略复杂，速锐得曾对丰田MIRAI整车控制策略DBC做了深度的研究，在CAN网络和汽车控制单元采集到140多项整车ECU控制策略的DBC数据，各个数据与整车控制系统之间的系统报文，控制策略、算法及核心功能做了详细的研究与分析，极为复杂。
3、氢燃料电池制造成本高
在氢燃料电池的前期发展阶段，根据不同的科技文献资料的粗略估计，氢燃料电池汽车的成本是传统汽车的数倍乃至10倍，尤其是质子交换膜燃料电池，要使用价格昂贵的铂金属催化剂，不仅导致电池成本升高，而且还要受到铂金属矿产资源的约束，因为世界上的铂矿储量本来就不多，都拿去做戒指了。
4、氢燃料供应是大难题
氢燃料电池汽车的燃料供应等基础设施，与传统汽车的完全不同，需要重头建起。这是一个庞大的系统和网络，可能要经历一个较长的时期才能逐步建设完成。并且，在氢燃料供应的各个环节上，都要进行技术创新和投资，其中，以下问题需要重点解决。
首先是氢制取。比较理想的、符合可持续发展要求的制氢途径：一是本着“废物利用”和“循环经济”的原则，通过工业比如化工、钢铁副产品和煤层气（瓦斯）等制氢；二是通过清洁可再生能源电解水制氢，三是通过阳光分解制氢。这三种方式经济而大批量地制氢，需要进行技术创新才能突破各种障碍。就目前荷兰、英格兰、挪威他们有的通过海水、风车和其他方式，投入巨大。
其次需要通过技术进步而获得安全可靠的管道输送氢气和车载储氢技术解决方案。就车载高压储氢而言，为使储罐能储存更多氢，以保证汽车一定续航里程，就得提高储罐的压力。由此，就要确保储罐的高压安全性和密封性，若车载容器内是液态氢，则需要有足够低的局部环境温度等，同样涉及一系列安全问题。
再次，从场景分析，虽然加氢站的设置密度没有纯电动汽车充电桩那么高，但建设起来，比电动汽车充电站要复杂得多，牵涉面也更广一些，太难了。