氢燃料电池会是汽车发展的终极能源吗?
淘金客说:我跟燃料电池打了多年交道,如果按现有的技术框架来看,氢燃料电池技术只适合特种行业,在汽车上没有前途,不是终极解决方案。主要问题出在氢上。下面尽量说得容易理解一些,不想看的可以直接跳到结尾看结论。
现有技术框架以丰田为代表吧,目前全世界已经在推广的氢燃料电池车,技术框架都差不多:加氢站用100MPA压力储存氢气,就是把氢气压缩1000倍(实际考虑到气体压缩因子,大约只能放出600多倍),汽车用70MPA压力储存氢气(实际约490多倍)。加氢站压力大,汽车接上去就能直接加氢了。
氢能源理论上说有很多好处:最重要的是,反应后排放的是纯水,无污染无温室气体;然后是氢的热值比较高之类的……但是,这些优势其实是有问题的。
氢的来源第一个问题:氢从哪里来?从化石能源中提取是目前成本最低的,但是化石能源中除了氢,还有碳啊,不可能只要氢不要碳吧?目前天然气重整(如下图)、石油重整、煤制氢……这些生产氢的过程中都不可能避免要产生二氧化碳,这就让“氢能源不产生温室气体”这个优势大大减弱了。当然,集中生产时可以搜集起二氧化碳再处理,可这样一来成本就大大增加了。
电解水可以制氢,现在赞同发展氢能源的都积极宣传“用可再生能源比如风电、光电制氢”。但是,撇开别的技术问题不说,只讲效率的话,5度电才能制1立方氢,1立方氢就算进燃料电池这么高效的发电装置,也只能勉强发出2度电——实际淘金客测得的最高效燃料电池大约每千瓦每分钟消耗10升氢气,1立方氢到不了2度电……电解水制氢足足会损耗掉60%的电能,这是基本原理决定的!如此大的损耗,即使短期内能利用一下某些地方的“弃风弃光(意即盲目上马无法并网的风电和光电)”,但长期看是没什么前景——还不如把电通过专用电网送出来直接使用,损耗小得多。
氢的运输和存储即使能以很低的成本获得氢,氢的储存和运输又是个大问题——所谓“氢的能量密度高”是个陷阱,因为这个热值是按重量来计算的,但偏偏氢是最轻,所以从体积上看氢的能量非常低,即使按丰田的70MPA技术(国内目前还主要是35MPA),压缩了490倍以后1升容积的高压氢,热值连1升汽油的1/5都不到!即使是液氢,按体积算也只有汽油的1/3不到!
问题是,这只算了燃料本身,没有算容器、管道啊!汽油箱简单轻薄,车载的氢气罐可是扛700个大气压的压力啊!综合算下来,目前高压氢的全系统能量密度实在太低了!美国能源部曾经给出个参考值:储氢系统每100公斤重量能储存7公斤氢,就达到了实用化的边缘,而丰田的70MPA储氢系统大约只能储存5公斤氢。
储存如此麻烦,运输就更不划算了!前面说了“用弃风弃光电能制氢”,但弃风弃光基本上都是在西北。在西北制了氢,怎么弄到内地来?有人测算过,如此低的体积能量密度,即使以100MPA的压力罐装运输,超过300公里成本就变得不可忍受。
氢的安全性理论上说氢气其实比氧气安全,氢在空气中要达到4%的浓度才会爆炸,而氢非常轻,扩散速度也就非常快,在开放空间中难以达到这个浓度。但注意这是在开放空间中,加氢站的储氢罐呢?管道呢?如果不是露天,就不能算开放空间。因此,全球目前还不到1000座加氢站,但淘金客就已经看到了4起加氢站爆炸事故,有挪威(如下图)、韩国、美国……
此外,高压也不安全。汽车轮胎还不到1MPA的压力,爆胎就能炸死人。车上的氢气罐最小也有35MPA啊。淘金客亲身经历过一件事,一个很小的氢气减压阀(把氢气从35MPA压力减下来后才能送进燃料电池里使用)坏了,阀里有30MPA的压力,大家束手无策,一个技术人员壮着胆子违规拆了一颗螺丝,螺丝BIU地一声飞出去打在办公桌的隔板上,嵌进去很深……
另外还有所谓“氢脆”现象,长期与氢接触的很多金属,慢慢会被氢离子渗入变脆,强度下降……连钛合金都不能幸免,1-2年就不行了。
燃料电池的问题其实是多亏了氢燃料电池的高效率,所以尽管70MPA氢的体积能量密度只有汽油的几分之一,丰田的氢燃料电池汽车续航里程还能勉强与普遍汽车比一下,不至于只有几分之一。但燃料电池本身也有问题,成本什么的不说了,问题还是出在催化剂上。催化剂要用到铂导致成本高也不说了,很少被人提到的一个问题是:催化剂会“中毒”。长期接触空气,空气中的杂质累积后,会慢慢改变催化剂的效率,越来越低……
总的来说,就是燃料电池的寿命短,目前传说最好的大约在20000小时,和汽油机的50000小时比差得远,不过这倒不算太大的问题。
结论以目前的技术框架来看,燃料电池汽车没有前途,理由如下:
一、高压储氢系统能量密度太低,而且问题几乎是无解的
二、氢的制备和运输是难题,有些问题几乎是无解的
三、燃料电池部分技术还要再提高