以新能源汽車為例探討燃料電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

敖 翔

（湖南省岳陽(yáng)市第十五中學(xué)， 湖南 岳陽(yáng) 414020）

引言

能源是推動(dòng)人類文明前進(jìn)的基石，是推動(dòng)人民生活水平提高、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的最基本力量。在當(dāng)今社會(huì)，煤、石油和天然氣作為三大化石能源不斷被我們所使用。最近數(shù)據(jù)顯示，87%的能源使用均為以煤、石油和天然氣為代表的化石能源。然而化石能源總是有限的，如果我們?nèi)祟惾绱瞬还?jié)制地使用化石能源，終有一天，化石能源會(huì)走向枯竭。此外，燃燒化石能源會(huì)產(chǎn)生大量以CO2為代表的溫室氣體，此外還會(huì)產(chǎn)生其他污染環(huán)境的煙氣，對(duì)全球生態(tài)造成了巨大威脅。

很顯然，上個(gè)世紀(jì)構(gòu)建的如此巨大的能源理想已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在乃至未來(lái)對(duì)所清潔、高效、經(jīng)濟(jì)、安全能源體系的要求，這是我們必須要面對(duì)的問題。所以，必須探索更多更加清潔、更加高效的可再生能源。

和別的發(fā)電方式比較起來(lái)，燃料電池有著很多獨(dú)具特色的優(yōu)勢(shì)，比如效率高、機(jī)動(dòng)靈活、燃料多樣、無(wú)污染等。因此，燃料電池汽車有著保護(hù)環(huán)境、較短的加氫時(shí)間、較長(zhǎng)的續(xù)航里程等優(yōu)勢(shì)，新能源汽車不但改變了我們的出行方式，更能調(diào)整國(guó)家能源戰(zhàn)略布局，所以，將新能源汽車作為本次案例分析研究燃料電池的研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景。

1 新能源汽車中的燃料電池

燃料電池和傳統(tǒng)的電池具有相同的結(jié)構(gòu)，從根源上講均為電化學(xué)發(fā)電裝置，而單體燃料電池則更能夠被看成是正極加負(fù)極加電解質(zhì)。在燃料電池中，燃料電極是負(fù)極，氧化劑電極是正極。一般情況下使用氫氣或許多含氫量較高的氣體如甲醇等，而氧化劑一般情況下使用氧氣或一些如過氧化氫的水溶液的液體。然而，燃料電池有著和傳統(tǒng)常規(guī)蓄電池與眾不同的特性，即燃料電池能夠在反應(yīng)中不斷由外界提供氧化劑和燃料，極大地增長(zhǎng)了反應(yīng)的時(shí)間，讓反應(yīng)能夠持續(xù)地進(jìn)行下去，換個(gè)說(shuō)法，就是說(shuō)燃料電池能夠充當(dāng)一個(gè)化學(xué)能向電能直接轉(zhuǎn)換的介質(zhì)。從理論上講，只要具有足量的反應(yīng)原料，反應(yīng)就會(huì)不斷進(jìn)行，就可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。燃料電池有許多種，以工作溫度的高低進(jìn)行分類，能夠分成低溫、中溫和高溫三種；依據(jù)內(nèi)部電解質(zhì)的不同，又能夠分成PEMFC、堿性燃料電池等類型；依據(jù)燃料的不同，汽車用燃料電池有許多種，根據(jù)其氧化物的不同被命以不同的名字，主要以氫、乙醇、汽油為主。它們種類繁多，應(yīng)用廣泛。燃料電池在工作過程中，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化，電極的作用是傳遞電子，形成回路，然而與眾不同的是，燃料電池的電極表面僅僅發(fā)生多相催化反應(yīng)，其自身并沒有反應(yīng)。

和傳統(tǒng)發(fā)電裝置相比，燃料電池具有很大優(yōu)勢(shì)，但是，在多種原因的作用下，其技術(shù)并沒有得到更好的發(fā)展，無(wú)法實(shí)現(xiàn)廉價(jià)化和平民化。目前，大部分燃料電池用于航天、潛艇等很多軍工產(chǎn)業(yè)里，在這些行業(yè)中，能夠忽視成本，追求效率。但由于環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，再加上政府提供了許多利好政策，燃料電池汽車逐漸進(jìn)入了我們的視野，相信未來(lái)在此類需求的作用下，燃料電池行業(yè)會(huì)產(chǎn)生巨大的發(fā)展。

2 燃料電池的研究現(xiàn)狀

2.1 氫能研究進(jìn)展緩

2001年，中國(guó)國(guó)家科技部提出了關(guān)于電動(dòng)汽車的研究項(xiàng)目，目的是發(fā)展以燃料電池和其有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車技術(shù)，功夫不負(fù)有心人，燃料電池技術(shù)取得了重大突破。中國(guó)主要依賴以清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)以及大連化學(xué)物理研究所為代表的大學(xué)等主體進(jìn)行有關(guān)的研究，但在生產(chǎn)燃料電池汽車方面，體系建設(shè)相對(duì)滯后，目前，僅有上汽集團(tuán)承擔(dān)了有關(guān)任務(wù)。

2.2 突破技術(shù)核心不足

在企業(yè)、社會(huì)和國(guó)家的長(zhǎng)期作用下，提高了氫能及燃料電池的運(yùn)用水平。另外，還從國(guó)外學(xué)習(xí)了很多氫氣制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了和世界接軌，在全球范圍內(nèi)占據(jù)前列；對(duì)于燃料電池技術(shù)，中國(guó)現(xiàn)今已擁有了例如催化劑、雙極板材料等核心技術(shù)，和國(guó)外先進(jìn)水平齊頭并進(jìn)，我們現(xiàn)今還沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)核心零件以及蓄電池的相關(guān)技術(shù)，落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。

2.3 產(chǎn)業(yè)處在研發(fā)示范階段

現(xiàn)在，中國(guó)已進(jìn)行許多種型號(hào)指標(biāo)不同的燃料電池樣車的設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)等步驟。研發(fā)并制造的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車也于北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)期間完成了標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行，取得了巨大成功，諸如此類的活動(dòng)還有很多，這些活動(dòng)表明了燃料電池汽車能夠良好適應(yīng)各種環(huán)境。但是，放眼全球，發(fā)達(dá)國(guó)家在燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)都早已完成了產(chǎn)業(yè)化，而中國(guó)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界領(lǐng)先水平。從各個(gè)角度看，中國(guó)和世界先進(jìn)水平還是有著巨大的差距，目前正處于研發(fā)示范階段。

2.4 核心專利創(chuàng)新能力不足

和美日德等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的氫能與燃料電池專利技術(shù)擁有量嚴(yán)重不足。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，日本擁有高達(dá)10 454個(gè)優(yōu)先權(quán)專利數(shù)量，占全球比例為71%，在各個(gè)方面占據(jù)了完全領(lǐng)先的位置。而這方面創(chuàng)新能力不足的原因，或許是產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，資金和技術(shù)力量投入不足，參與機(jī)構(gòu)數(shù)量較少等。盡管科技部提高了兩億多的預(yù)算用于支持“十二五”期間的燃料電池有關(guān)技術(shù)的研發(fā)，然而當(dāng)我們橫向地同日本等國(guó)家進(jìn)行比較，中國(guó)國(guó)家投入幾乎可以忽略不計(jì)了。

2.5 加氫站建設(shè)落后于技術(shù)

中國(guó)現(xiàn)階段可以熟練地掌握35 MPa加氫站建設(shè)及有關(guān)技術(shù)，我國(guó)已經(jīng)研發(fā)并掌握了加氫站的設(shè)計(jì)、建設(shè)和三大關(guān)鍵設(shè)備。現(xiàn)在，中國(guó)將發(fā)展研究重心放在了70 MPa加氫站技術(shù)。截至2017年7月，我國(guó)運(yùn)行的加氫站僅有6座，加氫站建設(shè)較為滯后。僅僅是2017年一年，在中國(guó)的各個(gè)地區(qū)，地方政府和企業(yè)都推出了許多能夠推動(dòng)氫燃料電池建設(shè)和發(fā)展的政策和手段，目標(biāo)是開拓市場(chǎng)，占據(jù)優(yōu)先權(quán)。另外，各個(gè)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)都和汽車制造企業(yè)建立合作關(guān)系，極大地縮短了氫燃料電池技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向市場(chǎng)過度的過程。在這短短的一年中，全國(guó)超過10個(gè)省市和地區(qū)都建設(shè)了加氫站，并逐步走向商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

3 燃料電池的技術(shù)展望與發(fā)展前景

燃料電池?fù)碛泻芏鄡?yōu)勢(shì)，十分具有發(fā)展前景。在多種技術(shù)制約因素當(dāng)中，以液體為燃料的燃料電池的核心是高性價(jià)比的催化劑。以氫燃料電池為例，其所面臨的最關(guān)鍵問題就是氫氣的制備和儲(chǔ)存。對(duì)于后者而言，存在的是天然的缺陷，我們不僅在現(xiàn)階段無(wú)法解決這個(gè)問題，即使進(jìn)行了深入地研究，目前能做到的也只是把這個(gè)問題復(fù)雜化，談不上有任何進(jìn)展。但諸如甲醇、乙酸等燃料，情況就很不一樣了，它們能夠直接地從煤、農(nóng)作物里面獲得，且極其方便。而且乙酸液體無(wú)毒，在使用過程也沒有很多的危險(xiǎn)，而且蘊(yùn)含能量巨大并且體積小，具有很大的優(yōu)勢(shì)。但是，乙酸的應(yīng)用所面臨的最關(guān)鍵問題就是尋找到高效廉價(jià)并且穩(wěn)定的催化劑。當(dāng)前我們使用的Pt基或Pd基合金催化劑，原料十分罕見因而價(jià)格高昂，更讓人痛心的是在穩(wěn)定性和使用壽命方面，它們都處于劣勢(shì)。有關(guān)催化劑的理論復(fù)雜但也不完善，無(wú)法以理論來(lái)指導(dǎo)催化劑的合成制備工藝，只能更多地依賴于實(shí)驗(yàn)，希望能夠發(fā)現(xiàn)一種蛋白酶實(shí)現(xiàn)這一目的[1]。

放眼全球，在受到了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的支持后，燃料電池汽車產(chǎn)品在很多方面都獲得了重大進(jìn)步，示范性運(yùn)行不斷推動(dòng)，并漸漸產(chǎn)生了能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的先進(jìn)燃料電池汽車。燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)到達(dá)了技術(shù)和市場(chǎng)示范階段。

即使現(xiàn)在燃料電池的成本依舊很高，使用率并不高，但是隨著今后傳統(tǒng)化石能源走向枯竭、人民對(duì)于環(huán)境的要求不斷提高以及有關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步等等因素的影響下，燃料電池一定能夠在潔凈電站、移動(dòng)電源、潛艇和空間電源等方面獲得廣闊的發(fā)展應(yīng)用空間，尤其是在小型便攜式產(chǎn)品用車用質(zhì)子交換膜燃料電池方面。

美國(guó)能源局根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)燃料電池的市場(chǎng)規(guī)模將保持約10%的增速，到2022年將實(shí)現(xiàn)規(guī)模翻倍，即240億美元的總產(chǎn)值。預(yù)估此時(shí)市場(chǎng)上的商業(yè)需求為60億美元，數(shù)量非常可觀。隨著傳統(tǒng)化石能源的消耗，其市場(chǎng)漸漸沒落，燃料電池將成為萬(wàn)眾矚目的替代品！

4 結(jié)語(yǔ)

隨著十九大的召開，能源危機(jī)與環(huán)境污染問題又被重提，能源消耗的可持續(xù)性發(fā)展也一直是各界社會(huì)的熱點(diǎn)話題，新型能源又被提上了日程，與傳統(tǒng)的化石能源相比，新能源的概念是指包含太陽(yáng)能、海洋能等在內(nèi)的清潔可再生的能源。顯而易見，地球的傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量是有上限的，而且在其燃燒中會(huì)釋放大量污染性的煙氣，但新能源的使用過程通常是可循環(huán)的，環(huán)境污染小，取用無(wú)盡。

本文以新能源汽車為例探討燃料電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，提出了我國(guó)的在該領(lǐng)域的主要問題，從研究中我們能夠清楚地看見，燃料電池優(yōu)點(diǎn)諸多，應(yīng)用也非常廣泛。現(xiàn)在，我們已經(jīng)克服了大部分燃料電池有關(guān)的技術(shù)性難題，更喜人的是，現(xiàn)在世界各國(guó)都越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)和能源的循環(huán)利用，而且日漸降低的燃料電池成本更讓全球各國(guó)關(guān)注其發(fā)展，燃料電池前景廣闊。