燃料電池汽車有戲嗎

新能源車牌“D/F”何意

槍擊氫氣瓶、點燃燃料電池車會爆炸

埃隆?馬斯克何以被懟

甲子之年為何精彩紛呈

為加快新能源汽車及燃料電池產(chǎn)業(yè)化進程，財政部、工信部、科技部、發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池車示范應(yīng)用的通知》，4年城市群示范期將“以獎代補”對完成情況給予獎勵。

新能源汽車號牌：“D”代表純電動汽車，“F”代表非純電動汽車（包括插電式混合動力和燃料電池汽車等）。

雖然有政策支持，但從核心技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)方面看，目前國內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。迄今為止，我國僅累計推廣燃料電池車7200多輛，加氫站80多座，與400多萬輛的電動汽車保有量相比，氫燃料電池車相去甚遠。

氫燃料電池車安不安全？

氫差不多是宇宙中最豐富的物質(zhì)。水就是氫與氧氣結(jié)合形成的。不過，要獲得燃料電池使用的氫氣，必須對水進行電解，然后與氧氣結(jié)合以驅(qū)動燃料電池或?qū)⒒鸺l(fā)射升空。

氫燃料電池通過質(zhì)子交換膜（PEM）有效地從空氣和氫氣中產(chǎn)生零排放電力，而無需使用有毒材料。

燃料電池產(chǎn)生的是直流電（DC）。它是通過將氫電子傳導通過陽極而產(chǎn)生的，在陽極氫電子穿過外部電路并返回到陰極。然后，逆變器將DC轉(zhuǎn)換為給電機供電的交流電（AC）。

圖源 |Car.com

氫氣高度易燃。1937年德國興登堡號氫氣球突然起火，科學家到今天都沒搞明白起火原因。有人認為是氣球穿越雷雨云時積累了太多靜電，引燃了泄露的氫氣；還有人覺得是飛船氣囊材料的化學變化導致起火。

事實上，關(guān)于氫有一些誤解。在空氣中，氫氣的燃燒范圍很寬，當氫體積比濃度為4%-75%時都能燃燒。

讓我們看看一個有趣的氫氣瓶槍擊試驗，當子彈擊穿35MPa氫瓶時，由于氫氣以極快的速度向上噴射（氫比空氣輕約14倍，上升速度遠快于其與周圍氧氣的反應(yīng)速度），并沒有發(fā)生氫氣爆炸。

氫氣瓶槍擊試驗

另一個是氫氣瓶火燒試驗，氫氣燃燒前一秒火焰最大，一秒之后火焰驟降，15秒內(nèi)火焰熄滅，氫瓶依舊沒有爆炸。

氫氣瓶火燒試驗

第三個是氫燃料電池車與汽油車燃料泄露點火試驗。氫燃料電池車火焰是從后備箱往上竄，汽油車是汽油向下流；一分鐘后前者依舊向上燃燒，汽車基本沒有損壞，而汽油車已變成一個大火球。

通過三個試驗可以看出，氫氣爆炸并非我們想象的那么容易，氫氣要比汽油安全。

燃料電池技術(shù)一直在發(fā)展

圖源 | h2-view.com

1839年

英國科學家William Robert Grove用電將水分解成氫和氧，即燃料電池的電解實驗，是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。

1958年

美國出現(xiàn)了真正實用的燃料電池，輸出功率為5kW，工作溫度為200℃，其電力足以開動電車和風鉆。

1965年

體積小、重量輕、效率高、無污染的燃料電池率先用在美國“阿波羅”太空飛船。

1979年

巴拉德動力系統(tǒng)公司（Ballard Power Systems）成立，至今已申請專利超過1500項，壟斷了全球超過70%的氫燃料電池份額，奔馳、大眾、福特、豐田和本田等都在使用其技術(shù)。

1998年

巴拉德展示了運營服務(wù)和試驗項目的三輛車燃料電池客車。

2017年

巴拉德成為首家為客車供電的燃料電池公司，運營服務(wù)累計超過1000萬公里。

插曲：回懟埃隆·馬斯克

圖源 | 巴拉德官網(wǎng)

巴拉德公司總裁兼CEO Randy MacEwen針對特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）對燃料電池汽車的抨擊反唇相譏：“馬斯克錯誤地將其稱為‘傻瓜電池’，但可以肯定：2020年是氫和燃料電池行業(yè)歷史上最大的一年?！睘槭裁?？他有三個理由。

性能

燃料電池是中型和重型車輛電氣化的唯一可行方案。傳統(tǒng)上，車隊運營商使用柴油來獲得重載、遠程、加油快和路線靈活性；而燃料電池電動汽車（FCEV或FCV）除了類似體驗，還實現(xiàn)了零排放、低噪音、低振動、快速平穩(wěn)加速，里程更長，充電更快。

低
成本

FCEV將是下一個十年中最實惠的選擇。隨著制造技術(shù)的成熟、規(guī)模經(jīng)濟提高、氫燃料成本的下降和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，它將變得更加便宜。

可持續(xù)
性

FCEV將從柴油中型和重型動力車轉(zhuǎn)向替代動力總成系統(tǒng)。預計到2020年，由綠色氫驅(qū)動的FCEV能夠提供最可持續(xù)的解決方案。

2020年，的確是個大年

圖源|telegraph.co.uk

甲子之年，全球疫情泛濫，但對燃料電池車行業(yè)來說，2020年仍是精彩紛呈：

3月

PowerCell收到博世100萬歐元的PowerCell S3氫電池堆訂單。

4月

沃爾沃與戴姆勒成立卡車燃料電池合資企業(yè)，開發(fā)和生產(chǎn)重型車輛燃料電池系統(tǒng)。

6月

豐田與北汽、廣汽、一汽、東風、億華通等公司簽署合營協(xié)議，成立“聯(lián)合燃料電池系統(tǒng)研發(fā)（北京）有限公司”，研發(fā)制造卡車燃料電池。

7月

戴姆勒卡車完成燃料電池量產(chǎn)技術(shù)方案，對覆蓋燃料電池生產(chǎn)每個過程的最新設(shè)備進行投資。

8月

TüV南德意志集團國家工程實驗室宣布，正在開發(fā)加氫站計量和定價標準，確保最終用戶得到精確的流量計量和公平收費；

馬勒推出兩款用于燃料電池的新型模塊化空濾解決方案，開發(fā)者不用每次針對不同車型重新設(shè)計，而能夠使用現(xiàn)成的通用組件，大幅縮短開發(fā)時間，節(jié)約成本。

9月

奔馳發(fā)布3款采用氫燃料電池和電動電池系統(tǒng)的概念卡車，用于城市或長途行駛，續(xù)航里程有望超過1000公里；

豐田汽車與電裝共同開發(fā)燃料電池汽車，以豐田“Dyna”輕型卡車為原型，搭載豐田Mirai FCEV的燃料電池系統(tǒng)；

馬勒與巴拉德達成協(xié)議，未來將共同為不同重量級商用車開發(fā)燃料電池系統(tǒng)。

10月

豐田宣布，以氫燃料為動力的續(xù)航651公里的量產(chǎn)版第二代豐田Mirai將于12月發(fā)布；

燃料電池車優(yōu)勢明顯

與傳統(tǒng)車輛外觀差不多，F(xiàn)CEV的核心是燃料電池堆（FC堆）。通過電池堆將車上存儲的氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，由二次電池（如鋰離子電池）為車輛電機提供動力。

燃料電池模塊和電池堆

FCEV用氫氣罐儲存燃料，電池堆和二次電池都比純電動汽車電池小很多，大大減少了其生產(chǎn)中的碳排放，間接增加了行駛里程和行李空間。

在效率方面，由于無需燃燒，理論上氫分子中的83％能量可轉(zhuǎn)化為電能，是汽油發(fā)動機能效的兩倍多，采用恢復制動可進一步提高效率。此外，多余的電力可分散生產(chǎn)，即插即用的便攜式燃料電池可隨時靈活存儲和運輸。

說到用戶體驗，F(xiàn)CEV一點也不遜色。氫能量密度高，一公斤氫氣含多達3.3升柴油的能量。乘用車行駛100公里只需約1公斤氫氣，一輛40噸的卡車只需7公斤氫氣。充滿或更換氫氣罐只需幾分鐘，乘用車續(xù)航里程可超過500公里；商用車更可達1000公里；另外，F(xiàn)CEV低溫（-30℃）啟動性能遠優(yōu)于鋰電池。

圖源 |Stanford University

推廣燃料電池車的最大障礙是比充電站貴幾倍的加氫站成本（一座100-200萬美元）。即使是確立了國家級氫能戰(zhàn)略的德國，目前加氫站運營總數(shù)也不到100座，僅次于日本；我國有加氫站66座，全球排名第三，國土面積比例并不匹配。

還有氫燃料電池催化劑用的金屬鉑非常昂貴，比鋰和鈷貴得多；目前FCEV乘用車車型很少，可用性僅限于有足夠數(shù)量加氫站的地區(qū)。

乘用車總擁有成本（TCO）軌跡

由90多個國際公司組成的國際氫能委員會（Hydrogen Council）預計，在未來十年中，許多氫氣應(yīng)用的成本將降低一半，從而可以與其他技術(shù)競爭。

探尋解決之道

為了應(yīng)對氫燃料車輛遇到的各種挑戰(zhàn)，人們想了很多辦法。

模塊化燃料電池控制單元

博世燃料電池移動解決方案產(chǎn)品經(jīng)理Achim Moritz認為，燃料電池電力驅(qū)動是一種長距離可再生能源，能夠在交通運輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)持久變革。

圖源 |h2-view.com

他介紹說，多樣化的需求需要多樣化的解決方案。為了布局商用車之后的乘用車市場，博世推出了模塊化乘用車燃料電池控制單元（FCCU），控制和監(jiān)視所連接的系統(tǒng)組件，例如氫氣噴射器、電動空氣壓縮機、再循環(huán)泵、傳感器等。

FCCU的開環(huán)和閉環(huán)控制軟件結(jié)合了基于物理模型的功能，快速控制回路可實現(xiàn)現(xiàn)代電動汽車所需的高度動態(tài)的燃料電池堆運行。

借助模塊化，符合ASPICE且針對AUTOSAR標準的軟件架構(gòu)可以輕松地將FCCU集成到未來的E/E架構(gòu)中，并靈活地使其適應(yīng)任何其他要求。其中央軟件有自學習功能，有助于簡單、經(jīng)濟的校準和快速上市。

發(fā)動機控制單元生產(chǎn)中采用了可配置且可擴展的硬件概念，以使FCCU的處理能力及其輸入和輸出的數(shù)量和類型最佳適應(yīng)乘用車或商用車的各自應(yīng)用。

為燃料電池的電極“上油”

使用中，汽車燃料電池經(jīng)常開和關(guān)斷，在關(guān)斷狀態(tài)下，有害化學反應(yīng)容易腐蝕電極，引起氫車輛長期耐久性問題。

浦項科技大學（POSTECH）研究團隊采用了一種催化劑來解決氫汽車停駛時燃料電池的腐蝕問題。研究證明該催化劑鉑-氫鎢青銅（Pt/HxWO3）可促進氫氧化并選擇性抑制氧還原反應(yīng)（ORR）。

該項目著重于金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變（Metal-Insulator Transition，MIT）現(xiàn)象，可根據(jù)周圍環(huán)境有選擇地改變材料的電導率。鎢青銅通過插入和去除質(zhì)子來改變電導率。燃料電池工作時，施加WO3的MIT現(xiàn)象會導致通過插入質(zhì)子來維持H-WO3導體狀態(tài)；當燃料電池關(guān)閉時，混合空氣被吸入，從而增加了氧氣壓力，從而停止了不必要的電極反應(yīng)，終止了陰極腐蝕。

MIT可防止汽車燃料電池關(guān)閉并涌入氧氣時電極降解

負責這項研究的Yong-Tae Kim教授說：“這項研究大大改善了汽車燃料電池的耐用性。通過這些發(fā)現(xiàn)，氫汽車的商業(yè)化將得到進一步促進?！?/p>

通過機器學習提高燃料電池效率

電池的性能都與電極內(nèi)部的孔或孔的排列和形狀密切相關(guān)。這種微觀結(jié)構(gòu)將影響電池的充放電速度，以及燃料電池產(chǎn)生電能的多少。

這些孔非常小，在微米范圍內(nèi)。由于它們很小，因此很難研究將其與設(shè)備性能相關(guān)聯(lián)所需的分辨率。倫敦帝國理工學院的研究人員設(shè)計了一種虛擬研究孔的方法。科學家們能夠通過應(yīng)用機器學習來進行三維仿真，以此方式獲得微觀結(jié)構(gòu)的知識來預測性能。

研究人員采用了一種稱為深度卷積生成對抗網(wǎng)絡(luò)（DC-GAN）的機器學習技術(shù)生成微觀結(jié)構(gòu)的三維圖像。該方法使用一種圓形粒子加速器獲得訓練數(shù)據(jù)來加速帶電粒子，直到它們接近光速，產(chǎn)生非常明亮的光，即同步加速器光。

帝國大學地球科學與工程學系的Andrea Gayon-Lombardo說：“這一技術(shù)可幫助我們放大電池和單元，了解哪些特性會影響整體性能。開發(fā)這樣的基于圖像的機器學習技術(shù)可以開辟分析圖像的新方法?！?/p>

讓燃料電池催化劑尺寸更合適

燃料電池中使用的鉑稀有且極昂貴。電極上需要有精密的催化劑，而鉑在氧化還原反應(yīng)中起著核心作用。

為了尋找理想解決方案，慕尼黑工業(yè)大學的跨學科研究團隊成功優(yōu)化了用于燃料電池催化的鉑納米顆粒尺寸，使新型催化劑的性能達到最好工藝的兩倍。

他們創(chuàng)建了整個系統(tǒng)的計算機模型，但多小的鉑原子簇催化活性最佳？Batyr Garlyyev博士說：“事實證明，鉑金堆疊具有某些最佳尺寸?！?/p>

他們“設(shè)計”的鉑金“蛋”只有一個納米大，且包含約40個鉑原子顆粒。Roland Fischer說：“這種數(shù)量級的鉑催化劑體積小，但有大量的高活性點，因此具有很高的質(zhì)量活性?！?/p>

減少鉑金使用以降低成本

2019款豐田Mirai電動汽車號稱零排放，這要歸功于氫燃料電池。但是在美國Mirai幾乎沒走出加州，部分原因是燃料電池電極太貴。

普渡大學開發(fā)的一種新方法借鑒了“金發(fā)女孩”（Goldilocks）想法——適量，來評估燃料電池電極需要多少金屬。該技術(shù)利用金屬表面上的力來確定理想的電極厚度。

化學工程學Jeffrey Greeley教授說：“適量的金屬可以使燃料電池電極獲得最佳性能。如果它們太厚或太薄，部署燃料電池的主要反應(yīng)也不會起作用，因此剛剛好就是最適合的?！?/p>

研究人員在鈀上測試了他們的理論。Greeley說：“我們實質(zhì)上是在用力來調(diào)整構(gòu)成電催化劑的薄金屬板的性能。最終目標是要在多種金屬上測試這種方法?！?/p>

找到恰好合適的厚度會給電催化劑的表面施加應(yīng)力，并增強電催化劑執(zhí)行反應(yīng)的能力。Greeley的小組通過計算機模擬預測，可以操縱鈀電催化劑表面的固有力以獲得最佳性能。

根據(jù)模擬，五層厚，每層都像一個原子一樣薄的電催化劑足以優(yōu)化性能。“這有點像建筑中的某些結(jié)構(gòu)不需要外部梁或柱，因為拉力和壓力是分布和平衡的?！逼斩纱髮W化學工程博士后研究員Zhenhua Zheng說。

約翰·霍普金斯大學Chao Wang實驗室的實驗證實了該模擬預測，發(fā)現(xiàn)該方法可將催化劑活性提高10至50倍，所用金屬比目前燃料電池電極中使用的金屬少90％。

Wang說：“通過調(diào)整材料的厚度，我們可以產(chǎn)生更大的應(yīng)變。這意味著有更大的自由度來加速所需的材料表面反應(yīng)?！?/p>

寫在最后

汽車應(yīng)用的半導體機會

早在2015年，作為豐田市內(nèi)公交線路正式運營的燃料電池巴士中，控制燃料電池堆電壓的FC升壓轉(zhuǎn)換器就采用了SiC（碳化硅）二極管，旨在通過實際運營收集行駛數(shù)據(jù)，驗證新材料的燃油經(jīng)濟性提升效果。

今年8月，中車時代突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研制出碳化硅大功率燃料電池DC-DC轉(zhuǎn)換器，并成功實現(xiàn)商用，在一直被美國、日本“卡脖子”的技術(shù)上實現(xiàn)了突破。

不難看出，與其他類型電動汽車一樣，車輛中電子器件的含量只能越來越多。新興氫能燃料電池的汽車商用將帶動半導體，特別是功率半導體及其測試裝備的增長。我們需要上下游廠商的通力協(xié)作，至少在應(yīng)用方面不落下風。

責任編輯：xj

原文標題：被馬斯克怒懟的燃料電池汽車有戲嗎？

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