水氫機(jī)可突破氫燃料電池車發(fā)展瓶頸
為了解決能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等問題,潔凈的新能源和可再生能源的開發(fā)迫在眉睫。作為清潔、高效、可持續(xù)的新能源——氫能,被不少國(guó)家、車企及學(xué)者認(rèn)為是“終極新能源汽車解決方案”。
中國(guó)的氫能汽車在2001-2002年是最火的時(shí)候。當(dāng)時(shí)美國(guó)小布什政府對(duì)燃料汽車非常重視,認(rèn)為這是變革性發(fā)展方向,美國(guó)車企都對(duì)氫能充滿興趣。在這一背景下,中國(guó)汽車行業(yè)也掀起了一股燃料汽車熱潮。2019年,氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展借著相關(guān)政策像是踏上了風(fēng)火輪。不僅資本市場(chǎng)一路高歌猛進(jìn),不少車企也是加緊布局氫燃料汽車。
5月23日一篇“水氫發(fā)動(dòng)機(jī)在南陽下線”的文章,“車輛只需加水就可行駛”“市委書記點(diǎn)贊”等關(guān)鍵詞讓這一新聞迅速引爆輿論,更多則是對(duì)水制氫的質(zhì)疑聲音。據(jù)業(yè)界人士表示,“水氫”汽車?yán)碚撋献畲蟮膬?yōu)點(diǎn)在于不用高壓儲(chǔ)氣罐,所用氫氣“隨制隨用”。但汽車行駛時(shí)的功率會(huì)隨時(shí)變動(dòng),如果突然需要提升功率,氫氣供應(yīng)需求猛增,如何保證“隨制隨用”的氫氣能供應(yīng)得上?另外,鋁與水的置換反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量,在密閉的反應(yīng)罐里,這些熱量如何及時(shí)散掉也是需要考慮的問題。水氫發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵制氫技術(shù)專利發(fā)明人表示目前該項(xiàng)技術(shù)距離大規(guī)模的技術(shù)應(yīng)用還有一定距離。
“水制氫”技術(shù)助力燃料電池氫源
事實(shí)上,這種“車載水制氫”技術(shù)并不新鮮,在國(guó)內(nèi)外早有研究,甚至可以追溯到上個(gè)世紀(jì)末氫燃料電池汽車概念萌芽的階段。而“車載水制氫氫燃料汽車”最核心的關(guān)鍵技術(shù)是,在車內(nèi)重整制氫。重整制氫的方法主要包括兩種,一種是甲醇-水蒸氣重整,另一種就是使用金屬化合物重整,常見的有三種金屬粉末,硼氫化鈉、氫化鎂和鋁粉。
上海合既得于2010-2011年成功開發(fā)出第一代醇水富氫機(jī),采用的是甲醇水催化重整技術(shù),利用自主研制的新型催化劑實(shí)現(xiàn)從甲醇水到氫氣的轉(zhuǎn)化。
在以色列,有數(shù)百家公司和研究小組都在研究替代燃料,作為世界燃料替代品和智能交通領(lǐng)域的先行者,以色列在氫能燃料技術(shù)方面的制氫、儲(chǔ)氫、加氫等環(huán)節(jié)出現(xiàn)了很多創(chuàng)新點(diǎn)。
在不久的將來,水可能成為氫燃料汽車的來源,這要感謝以色列科學(xué)家的一項(xiàng)科學(xué)突破。顯然,生產(chǎn)不排放溫室氣體的氫需要將水分子分裂成組成它們的元素,但這一過程所需要的能量之多,甚至超過了氫燃燒能夠產(chǎn)生的能量。因此,這種方案并不具有商業(yè)上的可行性。
針對(duì)這一問題,以色列本古里安大學(xué)的阿里克·尤奇利斯博士、伊里斯·維索利-費(fèi)舍爾博士、以及海法以色列理工學(xué)院的阿夫納·羅斯柴爾德教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員實(shí)現(xiàn)了氫燃料生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新突破。與之前生產(chǎn)方法不同,此次氫燃料生產(chǎn)創(chuàng)新不涉及太陽能,研究人員破解了在氧化鐵光電極上過氧化氫(H2O2)的光化學(xué)分裂過程中發(fā)生的化學(xué)機(jī)理,采用環(huán)保方式分解水分子,以產(chǎn)生能量而不需要外部的催化劑。該技術(shù)在幫助減少人類對(duì)碳基燃料的依賴起關(guān)鍵作用,推動(dòng)了汽車行業(yè)的突破性發(fā)展。
在2006年,以色列科學(xué)家新發(fā)明了一種裝置,可以在汽車上用水產(chǎn)生氫來驅(qū)動(dòng)汽車,使之成為零排放交通工具。其工作原理是:通過水和硼發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫,氫再進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒或裝入一個(gè)燃料電池發(fā)電。科學(xué)家說,為使硼和水發(fā)生反應(yīng),必須先把水加熱到數(shù)百攝氏度,使其變?yōu)檎羝R虼,車輛仍然需要某種啟動(dòng)動(dòng)力,比如說電瓶。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,硼和水經(jīng)過氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能夠?yàn)檫M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的水加熱,產(chǎn)生的氫則可以從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)存起來,用作啟動(dòng)燃料。氫在內(nèi)燃機(jī)中燃燒或在燃料電池中反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的水也可以收集并循環(huán)到車輛燃料箱里,使得整個(gè)過程在車上完成,真正做到無排放。硼和水產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)品氧化硼可以再加工,轉(zhuǎn)變成硼并循環(huán)利用。
目前國(guó)際上主流的氫能源汽車是采用燃料電池技術(shù),隨車裝有高壓儲(chǔ)氣罐,需要到加氫站加氫氣。但因?yàn)榉N種原因,這些氫能源車的推廣之路并不順暢。氫氣存儲(chǔ)相關(guān)技術(shù)和安全性指標(biāo)高,導(dǎo)致加氫站的建設(shè)成本昂貴,直接困擾全球氫能源車的發(fā)展。2018年的數(shù)據(jù)顯示,全球建成的加氫站僅300多座,其中大部分加氫站都集中在日韓、歐洲和北美地區(qū)。
水氫機(jī)突破現(xiàn)有氫燃料電池車發(fā)展瓶頸
水氫機(jī)是采用汽化催化重整及純化多項(xiàng)技術(shù)從甲醇水中獲得高純氫,再通過質(zhì)子膜系統(tǒng)產(chǎn)生電、熱等多種能源的裝置,它是甲醇重整制氫與燃料電池發(fā)電高度集成的系統(tǒng)裝置,該系統(tǒng)即時(shí)產(chǎn)出的氫進(jìn)入燃料電池發(fā)電,可為汽車提供動(dòng)力,是一套高效環(huán)保的供電系統(tǒng)。
水氫機(jī)的配套基礎(chǔ)設(shè)施甲醇加注站可以充分利用現(xiàn)有的加油站系統(tǒng)改造,與加氫站和充電站相比,配套成本較低,大大節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模投資。在技術(shù)線上,水氫機(jī)可以完全避開傳統(tǒng)用氫過程中的儲(chǔ)運(yùn)及加氫過程,解決氫能應(yīng)用的安全問題、成本問題及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)問題。
水氫汽車直接利用AH7500水氫機(jī)為電動(dòng)機(jī)供電,從而為汽車提供動(dòng)力,水氫機(jī)替代了傳統(tǒng)電動(dòng)汽車中的鋰電池,只要原料箱中有充足的水氫原料即可保證水氫汽車的續(xù)航能力。它可有效緩解充電基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋不足的問題,還可以減少充電設(shè)施的投入。
水氫汽車具有內(nèi)燃機(jī)汽車一樣的續(xù)航能力卻沒有排放;具有傳統(tǒng)電動(dòng)車的環(huán)保性和便捷性卻沒有充電難題;具有氫燃料電池汽車一樣的綠色動(dòng)力卻沒有加氫難題。
來源:上海合既得
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