新能源车牌“D/F”何意?枪击氢气瓶、点燃燃料电池车会爆炸?埃隆•马斯克何以被怼?甲子之年为何精彩纷呈?

 

 

为加快新能源汽车及燃料电池产业化进程,财政部、工信部、科技部、发改委、国家能源局联合发布《关于开展燃料电池车示范应用的通知》,4 年城市群示范期将“以奖代补”对完成情况给予奖励。

 


中国的燃料电池卡车车队

 


新能源汽车号牌:“D”代表纯电动汽车,“F”代表非纯电动汽车(包括插电式混合动力和燃料电池汽车等)。

 

虽然有政策支持,但从核心技术、基础设施和产业链建设方面看,目前国内氢燃料电池产业仍处于起步阶段。迄今为止,我国仅累计推广燃料电池车 7200 多辆,加氢站 80 多座,与 400 多万辆的电动汽车保有量相比,氢燃料电池车相去甚远。

 

氢燃料电池车安不安全?


氢差不多是宇宙中最丰富的物质。水就是氢与氧气结合形成的。不过,要获得燃料电池使用的氢气,必须对水进行电解,然后与氧气结合以驱动燃料电池或将火箭发射升空。


氢燃料电池通过质子交换膜(PEM)有效地从空气和氢气中产生零排放电力,而无需使用有毒材料。


燃料电池产生的是直流电(DC)。它是通过将氢电子传导通过阳极而产生的,在阳极氢电子穿过外部电路并返回到阴极。然后,逆变器将 DC 转换为给电机供电的交流电(AC)。

 


氢燃料电池工作原理

 

氢气高度易燃。1937 年德国兴登堡号氢气球突然起火,科学家到今天都没搞明白起火原因。有人认为是气球穿越雷雨云时积累了太多静电,引燃了泄露的氢气;还有人觉得是飞船气囊材料的化学变化导致起火。

 


1937 年德国兴登堡氢气球灾难

 

事实上,关于氢有一些误解。在空气中,氢气的燃烧范围很宽,当氢体积比浓度为 4%-75%时都能燃烧。


让我们看看一个有趣的氢气瓶枪击试验,当子弹击穿 35MPa 氢瓶时,由于氢气以极快的速度向上喷射(氢比空气轻约 14 倍,上升速度远快于其与周围氧气的反应速度),并没有发生氢气爆炸。

 


氢气瓶枪击试验

 

另一个是氢气瓶火烧试验,氢气燃烧前一秒火焰最大,一秒之后火焰骤降,15 秒内火焰熄灭,氢瓶依旧没有爆炸。

 


氢气瓶火烧试验

 

第三个是氢燃料电池车与汽油车燃料泄露点火试验。氢燃料电池车火焰是从后备箱往上窜,汽油车是汽油向下流;一分钟后前者依旧向上燃烧,汽车基本没有损坏,而汽油车已变成一个大火球。


通过三个试验可以看出,氢气爆炸并非我们想象的那么容易,氢气要比汽油安全。

 


氢燃料电池车与汽油车燃料泄露点火试验

 

燃料电池技术一直在发展


1839 年,英国科学家 William Robert Grove 用电将水分解成氢和氧,即燃料电池的电解实验,是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。


1958 年,美国出现了真正实用的燃料电池,输出功率为 5kW,工作温度为 200℃,其电力足以开动电车和风钻。


1965 年,体积小、重量轻、效率高、无污染的燃料电池率先用在美国“阿波罗”太空飞船。


1979 年,巴拉德动力系统公司(Ballard Power Systems)成立,至今已申请专利超过 1500 项,垄断了全球超过 70%的氢燃料电池份额,奔驰、大众、福特、丰田和本田等都在使用其技术。


1998 年,巴拉德展示了运营服务和试验项目的三辆车燃料电池客车。


2017 年,巴拉德成为首家为客车供电的燃料电池公司,运营服务累计超过 1000 万公里。

 

插曲:回怼埃隆·马斯克


巴拉德公司总裁兼 CEO Randy MacEwen 针对特斯拉 CEO 埃隆·马斯克(Elon Musk)对燃料电池汽车的抨击反唇相讥:“马斯克错误地将其称为‘傻瓜电池’,但可以肯定:2020 年是氢和燃料电池行业历史上最大的一年。”为什么?他有三个理由。

 


Randy MacEwen 很自信:燃料电池已准备就绪

 

一是性能:燃料电池是中型和重型车辆电气化的唯一可行方案。传统上,车队运营商使用柴油来获得重载、远程、加油快和路线灵活性;而燃料电池电动汽车(FCEV 或 FCV)除了类似体验,还实现了零排放、低噪音、低振动、快速平稳加速,里程更长,充电更快。


二是低成本:FCEV 将是下一个十年中最实惠的选择。随着制造技术的成熟、规模经济提高、氢燃料成本的下降和基础设施的发展,它将变得更加便宜。
三是可持续性:FCEV 将从柴油中型和重型动力车转向替代动力总成系统。预计到 2020 年,由绿色氢驱动的 FCEV 能够提供最可持续的解决方案。

 


绿色氢的生产、运输和存储方式

 

2020 年,的确是个大年


甲子之年,全球疫情泛滥,但对燃料电池车行业来说,2020 年仍是精彩纷呈:
3 月:PowerCell 收到博世 100 万欧元的 PowerCell S3 氢电池堆订单。


4 月:沃尔沃与戴姆勒成立卡车燃料电池合资企业,开发和生产重型车辆燃料电池系统。


6 月:丰田与北汽、广汽、一汽、东风、亿华通等公司签署合营协议,成立“联合燃料电池系统研发(北京)有限公司”,研发制造卡车燃料电池;


7 月:戴姆勒卡车完成燃料电池量产技术方案,对覆盖燃料电池生产每个过程的最新设备进行投资。


8 月:TÜV 南德意志集团国家工程实验室宣布,正在开发加氢站计量和定价标准,确保最终用户得到精确的流量计量和公平收费;


马勒推出两款用于燃料电池的新型模块化空滤解决方案,开发者不用每次针对不同车型重新设计,而能够使用现成的通用组件,大幅缩短开发时间,节约成本。


9 月:奔驰发布 3 款采用氢燃料电池和电动电池系统的概念卡车,用于城市或长途行驶,续航里程有望超过 1000 公里;


丰田汽车与电装共同开发燃料电池汽车,以丰田“Dyna”轻型卡车为原型,搭载丰田 Mirai FCEV 的燃料电池系统;


马勒与巴拉德达成协议,未来将共同为不同重量级商用车开发燃料电池系统。


10 月:丰田宣布,以氢燃料为动力的续航 651 公里的量产版第二代丰田 Mirai 将于 12 月发布;

 


道路测试中曝光的丰田 Mirai 将于 2021 年上市

 

以氢原子量 1.008(10.08)命名的美国“国家氢与燃料电池日”第六度上演,重申高效、清洁、安静的燃料电池不会燃烧;


东北首条氢燃料公交线路在白城市投入运行,15 辆氢燃料电池公交车由一汽解放设计制造;


大连市首辆自主研发制造、具有完全知识产权的“海豚精灵”氢燃料电池客车在一汽客车(大连)正式下线;


吉利商用车集团向淄博市公交公司交付 50 辆氢燃料电池公交客车,累计订单达 100 辆;


华菱星马与内蒙古圣圆能源集团签署战略合作框架协议,后者向华菱星马采购 20 辆氢燃料电池牵引车。


……

 

燃料电池车优势明显


与传统车辆外观差不多,FCEV 的核心是燃料电池堆(FC 堆)。通过电池堆将车上存储的氢气与空气中的氧气反应转化为电能,由二次电池(如锂离子电池)为车辆电机提供动力。

 


燃料电池模块和电池堆

 

FCEV 用氢气罐储存燃料,电池堆和二次电池都比纯电动汽车电池小很多,大大减少了其生产中的碳排放,间接增加了行驶里程和行李空间。


在效率方面,由于无需燃烧,理论上氢分子中的 83%能量可转化为电能,是汽油发动机能效的两倍多,采用恢复制动可进一步提高效率。此外,多余的电力可分散生产,即插即用的便携式燃料电池可随时灵活存储和运输。


说到用户体验,FCEV 一点也不逊色。氢能量密度高,一公斤氢气含多达 3.3 升柴油的能量。乘用车行驶 100 公里只需约 1 公斤氢气,一辆 40 吨的卡车只需 7 公斤氢气。充满或更换氢气罐只需几分钟,乘用车续航里程可超过 500 公里;商用车更可达 1000 公里;另外,FCEV 低温(-30℃)启动性能远优于锂电池。

 


氢的能量密度远超传统燃料

 

推广起来挑战不少


推广燃料电池车的最大障碍是比充电站贵几倍的加氢站成本(一座 100-200 万美元)。即使是确立了国家级氢能战略的德国,目前加氢站运营总数也不到 100 座,仅次于日本;我国有加氢站 66 座,全球排名第三,国土面积比例并不匹配。


还有氢燃料电池催化剂用的金属铂非常昂贵,比锂和钴贵得多;目前 FCEV 乘用车车型很少,可用性仅限于有足够数量加氢站的地区。

 


乘用车总拥有成本(TCO)轨迹

 

由 90 多个国际公司组成的国际氢能委员会(Hydrogen Council)预计,在未来十年中,许多氢气应用的成本将降低一半,从而可以与其他技术竞争。

 

探寻解决之道


为了应对氢燃料车辆遇到的各种挑战,人们想了很多办法。


·模块化燃料电池控制单元
博世燃料电池移动解决方案产品经理 Achim Moritz 认为,燃料电池电力驱动是一种长距离可再生能源,能够在交通运输领域实现持久变革。

 


Achim Moritz:燃料电池是长距离可再生能源

 

他介绍说,多样化的需求需要多样化的解决方案。为了布局商用车之后的乘用车市场,博世推出了模块化乘用车燃料电池控制单元(FCCU),控制和监视所连接的系统组件,例如氢气喷射器、电动空气压缩机、再循环泵、传感器等。FCCU 的开环和闭环控制软件结合了基于物理模型的功能,快速控制回路可实现现代电动汽车所需的高度动态的燃料电池堆运行。


借助模块化,符合 ASPICE 且针对 AUTOSAR 标准的软件架构可以轻松地将 FCCU 集成到未来的 E/E 架构中,并灵活地使其适应任何其他要求。其中央软件有自学习功能,有助于简单、经济的校准和快速上市。


发动机控制单元生产中采用了可配置且可扩展的硬件概念,以使 FCCU 的处理能力及其输入和输出的数量和类型最佳适应乘用车或商用车的各自应用。


·为燃料电池的电极“上油”
使用中,汽车燃料电池经常开和关断,在关断状态下,有害化学反应容易腐蚀电极,引起氢车辆长期耐久性问题。


浦项科技大学(POSTECH)研究团队采用了一种催化剂来解决氢汽车停驶时燃料电池的腐蚀问题。研究证明该催化剂铂 - 氢钨青铜(Pt/HxWO3)可促进氢氧化并选择性抑制氧还原反应(ORR)。


该项目着重于金属 - 绝缘体转变(Metal-Insulator Transition,MIT)现象,可根据周围环境有选择地改变材料的电导率。钨青铜通过插入和去除质子来改变电导率。燃料电池工作时,施加 WO3 的 MIT 现象会导致通过插入质子来维持 H-WO3 导体状态;当燃料电池关闭时,混合空气被吸入,从而增加了氧气压力,从而停止了不必要的电极反应,终止了阴极腐蚀。

 


MIT 可防止汽车燃料电池关闭并涌入氧气时电极降解

 

负责这项研究的 Yong-Tae Kim 教授说:“这项研究大大改善了汽车燃料电池的耐用性。通过这些发现,氢汽车的商业化将得到进一步促进。”


·通过机器学习提高燃料电池效率
电池的性能都与电极内部的孔或孔的排列和形状密切相关。这种微观结构将影响电池的充放电速度,以及燃料电池产生电能的多少。


这些孔非常小,在微米范围内。由于它们很小,因此很难研究将其与设备性能相关联所需的分辨率。伦敦帝国理工学院的研究人员设计了一种虚拟研究孔的方法。科学家们能够通过应用机器学习来进行三维仿真,以此方式获得微观结构的知识来预测性能。


研究人员采用了一种称为深度卷积生成对抗网络(DC-GAN)的机器学习技术生成微观结构的三维图像。该方法使用一种圆形粒子加速器获得训练数据来加速带电粒子,直到它们接近光速,产生非常明亮的光,即同步加速器光。


帝国大学地球科学与工程学系的 Andrea Gayon-Lombardo 说:“这一技术可帮助我们放大电池和单元,了解哪些特性会影响整体性能。开发这样的基于图像的机器学习技术可以开辟分析图像的新方法。”

 


机器学习算法结构及学习微观结构数据“本质”的方法

 

·让燃料电池催化剂尺寸更合适
燃料电池中使用的铂稀有且极昂贵。电极上需要有精密的催化剂,而铂在氧化还原反应中起着核心作用。


为了寻找理想解决方案,慕尼黑工业大学的跨学科研究团队成功优化了用于燃料电池催化的铂纳米颗粒尺寸,使新型催化剂的性能达到最好工艺的两倍。


他们创建了整个系统的计算机模型,但多小的铂原子簇催化活性最佳?Batyr Garlyyev 博士说:“事实证明,铂金堆叠具有某些最佳尺寸。”

 


Batyr Garlyyev 博士、Kathrin Kratzl 和 Marlon Rueck

 

他们“设计”的铂金“蛋”只有一个纳米大,且包含约 40 个铂原子颗粒。Roland Fischer 说:“这种数量级的铂催化剂体积小,但有大量的高活性点,因此具有很高的质量活性。”


·减少铂金使用以降低成本
2019 款丰田 Mirai 电动汽车号称零排放,这要归功于氢燃料电池。但是在美国 Mirai 几乎没走出加州,部分原因是燃料电池电极太贵。


普渡大学开发的一种新方法借鉴了“金发女孩”(Goldilocks)想法——适量,来评估燃料电池电极需要多少金属。该技术利用金属表面上的力来确定理想的电极厚度。


化学工程学 Jeffrey Greeley 教授说:“适量的金属可以使燃料电池电极获得最佳性能。如果它们太厚或太薄,部署燃料电池的主要反应也不会起作用,因此刚刚好就是最适合的。”


研究人员在钯上测试了他们的理论。Greeley 说:“我们实质上是在用力来调整构成电催化剂的薄金属板的性能。最终目标是要在多种金属上测试这种方法。”


找到恰好合适的厚度会给电催化剂的表面施加应力,并增强电催化剂执行反应的能力。Greeley 的小组通过计算机模拟预测,可以操纵钯电催化剂表面的固有力以获得最佳性能。


根据模拟,五层厚,每层都像一个原子一样薄的电催化剂足以优化性能。“这有点像建筑中的某些结构不需要外部梁或柱,因为拉力和压力是分布和平衡的。”普渡大学化学工程博士后研究员 Zhenhua Zheng 说。


约翰·霍普金斯大学 Chao Wang 实验室的实验证实了该模拟预测,发现该方法可将催化剂活性提高 10 至 50 倍,所用金属比目前燃料电池电极中使用的金属少 90%。


Wang 说:“通过调整材料的厚度,我们可以产生更大的应变。这意味着有更大的自由度来加速所需的材料表面反应。”

 


仅五个原子厚的类铂金属恰好可优化电极的性能

 

汽车应用的半导体机会


早在 2015 年,作为丰田市内公交线路正式运营的燃料电池巴士中,控制燃料电池堆电压的 FC 升压转换器就采用了 SiC(碳化硅)二极管,旨在通过实际运营收集行驶数据,验证新材料的燃油经济性提升效果。


今年 8 月,中车时代突破关键技术瓶颈,研制出碳化硅大功率燃料电池 DC-DC 转换器,并成功实现商用,在一直被美国、日本“卡脖子”的技术上实现了突破。


不难看出,与其他类型电动汽车一样,车辆中电子器件的含量只能越来越多。新兴氢能燃料电池的汽车商用将带动半导体,特别是功率半导体及其测试装备的增长。我们需要上下游厂商的通力协作,至少在应用方面不落下风。