看不清的“氢” 浅析氢能源和氢燃料电池的发展应用

null

近年来,随着我国新能源车及相关产业的迅速发展,除了已经广受关注并得到大家相当程度上了解的纯电动车(BEV)之外,让一般大众稍显陌生的氢燃料电池车(FCV)以及相关产业,近来也逐渐受到了相当程度的关注。

null


图注:虽然叫氢燃料电池车(FVC),但其内部其实并没有传统意义的动力电池。


获取“氢”的便利性是这一能源的巨大优势

“氢”——这一自然界中最轻的、且广泛存在的素,由于其本身的特性,不仅可以应用于汽车领域,也可以应用于更多的领域,作为家用能源、航海、航空等众多领域的能源使用,具有优秀的泛用性。

null


同时,不同于石油、煤炭等化石能源在全球分布并不均匀的情况,由于氢可以通过多种来源获得或制造,制造原料的替代性极高——比如,开采石油、天然气经常会伴生有氢气;很多工业领域(比如制铁、化工等)会产生大量的副产品氢;即便是杂质较多、热值较低,直接用于火力发电等场合效率较低,也会带来较大污染的褐煤(Brown coal),也可用来制备氢;当然,通过众所周知的电解水方式,也能生产氢。因此,作为一种新能源具有广泛的意义。


重点和难点:氢能源的储存和应用

而就像大家熟悉的汽车领域一样,近年来主要的氢能源利用方式是使用燃料电池,这一方式除了具有显著地高效率的特点之外,同时污染物极少,燃料电池本身并不排出污染物,具有环境友好的特性。并且,燃料电池工作时的发热也极易利用,应用于家用、产业用等场合的定置用燃料电池可以轻松的通过工作时的发热额外为用户提供热源。

作为新兴事物,截止现在,对于氢能源和氢燃料电池等领域的了解都相对少并且琐碎,希望藉此机会,对其发展沿革和现状向大家做简要的介绍。

追溯到1837年,英国物理学家Sir William Robert Grove在新婚蜜月途中撰写了他的第一篇科学领域论文,在论文中提出了一种新的电池结构。两年后的1839年,他首次成功试验了此前由他提出的电池机构,这种新型电池称作“Grove cell”,是世界上最初的一种燃料电池。这一成就也让Sir William Robert Grove成为了燃料电池的发明者。当然,Sir William Robert Grove除了是燃料电池的发明者之外,他也是白炽灯可能的最初发明者之一,1840年他造出了早期模型,有一种说法表示托马斯·爱迪生(Thomas Edison)就是完善了他的设计。

null

图注:英国物理学家Sir William Robert Grove,燃料电池的发明者

1965年,美国NASA的第二个载人航天计划「双子座计划」(Project Gemini)中的「双子座5号」(Gemini V)飞船为了满足长期飞行任务的需要,使用了燃料电池供电。这也是燃料电池的世界首次实用化。具体来讲,其使用的燃料电池为固体高分子形燃料电池(PEFC)——这一类型的燃料电池,至今也是燃料电池中的主流之一。

null


图注:「双子座5号」飞船搭载了固体高分子形燃料电池用于供电,这是史上燃料电池首次实用化(图为休斯顿太空中心展示的「双子座5号」)

1968年,美国NASA的第三个载人航天计划,著名的「阿波罗计划」(Apollo program)中的首次载人航天任务「阿波罗7号」(Apollo 7)所使用的飞船应用了碱性电解质膜燃料电池(AMFC)。同年,美国通用汽车(GM)开始了汽车产业首款氢燃料电池车(FCV)的试作和测试。

null


图注:继「双子星5号」后,「阿波罗7号」任务中使用的飞船,应用了碱性电解质膜燃料电池(AMFC)

1981年,日本通商产业省(现:日本经济产业省)推进「月光计划」(「ムーンライト計画」),统合日本的产、官、学界资源开发燃料电池。1993年起,相关事项转至「新日光计划」(「ニューサンシャイン計画」)名下。

1987年,加拿大企业巴拉德动力(Ballard Power)利用美国杜邦公司(DuPont)提供的Nafion PFSA薄膜开发固体高分子形燃料电池。

null


图注:「NECAR 1」(奔驰博物馆馆藏)

1994年,德国企业戴姆勒集团(Daimler AG)发表使用巴拉德动力提供的燃料电池的燃料电池车「NECAR 1」(「NECAR」为「New Electric Car」的缩写)。同样也是在1990年代,日本的三家汽车制造商,丰田本田日产开始着手开发FCV;日本的三家综合电机企业,三洋、松下、东芝开始着手开发家庭用燃料电池。

null


图注:称作「ENEFARM」的家用燃料电池(松下制版本)