毁誉参半的氢燃料电池,是否只是眼前的苟且?

来源:宇辰网 作者:苏乙 时间:2016-04-15 分享至:
[宇辰导读]无人机企业科比特航空发布HYDrone-1800多旋翼无人机以来,整个行业就沸腾起来,不断争论氢燃料动力系统目前是否能应用在工业级无人机行业。

  自4月10日,无人机企业科比特航空发布HYDrone-1800的多旋翼无人机以来,整个行业就沸腾起来,不断争论氢燃料动力系统目前是否能应用在工业级无人机行业。笔者围观了各个微信圈的讨论,总结了大家争论的几个核心问题:

  1.氢燃料电池技术是否成熟

  2.氢气的来源问题

  3.氢气的存储及安全问题

  带着这些问题,笔者查阅了一些文章,采访了多位电力系统的专家,在这里粗浅地谈一下氢燃料电池在无人机行业的应用情况。

  首先,氢燃料电池不是什么新技术

  不管在国内还是国外,不管是航空还是汽车,氢燃料电池都不算是新技术了。

  早在20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。

  进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞一架以氢燃料电池为动力源的小型飞机。

  2008年奥运会期间,上海大众提供了20辆帕萨特领驭氢燃料电池汽车,作为奥运之行的“绿色车队”。

  在2015年初的美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上,丰田宣布14年底量产的氢燃料电池汽车Mirai将于晚些时候正式商用,并宣布免费开放与燃料电池相关的全部专利;2015年东京车展上,本田发布了氢燃料电池车Clarity,号称续航700km。除此外,雷克萨斯、奔驰等一众国际豪华汽车品牌纷纷推出了自己的氢燃料电池车。

  虽然车展样车和实用性技术还有一定的差距,但氢能被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁,实现能源可持续供给和循环的重要能源载体之一。

  那么,氢能源的工作原理是什么

  氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢在阳极变成氢离子(质子)通过电解质转移到阴极,同时放出电子通过外部的负载到达阴极,与氧气发生反应生成水。

氢燃料电池工作原理示意图/图 来源网络

  氢燃料电池的基本结构和基本燃料电池的结构相同包括:电极、电解质隔膜与集电器等。

  电极是燃料氧化和还原的电化学反应发生的场所,可分成阴极与阳极两部分。电解质隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂并同时传导离子。目前燃料电池所采用的电解质隔膜可以分为两类,一类为以绝缘材料制作多孔隔膜,例如石棉膜、碳化硅膜和铝酸锂膜等,再将电解液,例如氢氧化钾、磷酸和熔融碳酸盐等,浸入多孔隔膜:另一类电解质隔膜为固态离子交换膜,例如质子交换膜燃料电池中采用的全氟磺酸树脂膜。集电器也称做双极板,它只有收集电流、疏导反应气体及分隔氧化剂与还原剂的作用;双极板的性能取决于材料特性、流场设计与加工技术。

  由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水(蒸气)带走,就可以不断地提供电能。由于氢燃料电池不储能,确切的讲应该称为氢发电装置。

  在无人机行业已有试水者

  多旋翼无人机续航能力有限是民用无人机行业的痛点,目前市面上的民用无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力,续航能力一般在20分钟至30分钟之间,因技术方面不同有所差别,大部分续航时间都是在45分钟以内。

  其实早在今年2月份,苏格兰海洋科学协会(SAMS)在苏格兰机场成功进行了第一架使用固态氢动力系统无人机的飞行测试,起飞10分钟运行200英尺,并平稳着陆。它采用的是Cella公司的氢动力气体发生器和Arcola集成的燃料电池。这个电池的运行原理为:气体发生器使用专有的固态物质,将该物质加热到100℃以上时可将释放出大量的氢气。

  而国内,武汉众宇动力系统科技有限公司于2014年底就开始尝试在无人机上应用燃料电池技术,推出两款名为“天行者”的固定翼无人机和“游骑兵”的六旋翼无人机,前者在2015年6月2日创下了12小时连续不断飞行的成绩;两个月后,后者在新疆创造了3小时30分钟的野外飞行记录。在整个飞行过程中,巡航时由氢燃料电池提供稳定动力输出,而在起飞等动力需求较大的时候,锂电池将会进行补充输出;待巡航时,氢燃料电池将对锂电池会将富余的电能回充到锂电池。

  而科比特航空推出HYDrone-1800多旋翼无人机这个事件,成了“氢燃料电池能否在工业级无人机应用”争论的导火索。

  在笔者收集的资料中,总结了几点多数专家共同认可的因素,来对氢燃料电池在应用中无法回避的问题进行一些剖析:

  1,氢气的制取:

  氢气制取的方法非常多,最常见的包括水电解和天然气或甲醇等化石燃料的重整,目前全球90%以上的氢气都是通过后者的方法制取出来的,技术非常成熟,目前的工厂车间成本大约为2.5元/m³,而在HYDrone-1800上实现4.5小时续航大约只消耗了3.5m³氢气。但是目前氢气还是属于一种工业品,算上分装、压缩、运输、分销等成本,目前高纯氢的零售价格一般在15元/ m³左右。目前许多工业国家正努力在未来实现氢经济社会,将氢气变成一种消费品,其潜在的成本非常低廉。我们国家正在大力推广煤制氢,氢气成本大约为0.8-1元/m³。

       2,燃料电池的高昂价格:

  在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂。而金属铂,就是我们常说的白金,属于稀缺金属,被很多人认为是造成燃料电池成本高的主要原因。但是事实上我们了解到,目前在燃料电池中的铂使用量非常少,其材料成本根本不高,每kW功率燃料电池所含有的铂的价值大约也就100-200元RMB,而且目前用量还在不断降低。真正造成成本高的原因是产业不够成熟,产量太小导致生产成本过高。当然单靠无人机行业可能无法将产量做到足够大,但是随着氢燃料电池在汽车等其他领域的普及,其成本会大幅下降,甚至低于锂电池目前的成本水平。当然目前还有很多公司和研究机构在研究非贵金属催化剂,目前有一些已经取得了不错的效果。

  3,氢气的储存:

  一般常见的储存方法有常压吸附储氢、高压储氢、液氢储氢、化合物储氢等。氢气的各种存储方法都有各自的缺陷,目前一般都是根据终端产品的应用领域和使用方法来选择更合适的储氢方法。在汽车上被各大车厂广泛采用的是高压储氢方法,但是需要匹配合适的加氢设备。工程师们正在不断的努力设计出使用更方便更安全的加氢设备,做到像汽车加油一样的便捷。

  氢能民用就此“因噎废食”?

  在讨论这个问题之前,我们先看几则新闻,以下新闻均摘自中国科技部官方网站:

  ♦2015年9月,中国科大杜平武教授课题组研制出一种新型光催化制氢材料,具有高效率、低成本的优异特性。该小组研究发现,过渡金属“磷化物”作为一种“助催化剂”,有着很好的光催化制氢性质,将磷化亚铜、磷化钼等磷化物负载在半导体上,可以有效提升半导体光催化产氢效率。在此基础上,该课题组又巧妙地将新型磷化镍“助催化剂”,负载在硫化镉半导体上,获得了高效、稳定、廉价的人工光合成催化剂。杜平武表示,这种新型光催化制氢材料价格低廉、性能优异、制备简单、稳定性强,对于未来光解水制氢具有重要应用价值。

  ♦2015年12月,中国科大学熊宇杰教授课题组设计出一类具有原子精度壳层结构的助催化剂,在降低贵金属铂助催化剂用量的同时,大幅度提高光解水制氢性能,为开发低成本、高性能光催化材料提供了新的途径。

  熊宇杰小组别出心裁地设计出一种新型钯-铂核壳结构助催化剂,无需使用成本高昂的原子层沉积技术即可生长少数原子层厚度的金属壳层。熊宇杰表示,基于该技术,光解水制氢效率与无助催化剂的半导体光催化剂相比提高了322倍,比传统纯铂助催化剂的半导体光催化剂体系提高8.2倍。同时,该设计以相对廉价的钯内核替代了金属铂,使材料成本降低了1/3以上。

  ♦2015年12月,中国科学技术大学化学与材料科学学院吴长征教授研究组与张群教授研究组合作,研制出全新水溶性简单小分子助催化剂,成功将光催化产氢性能提高了32倍,为摆脱目前广泛使用的贵金属助催化剂提供了新途径。

  一个又一个相关技术在突破,虽然从研究成果到工业化应用还有很长的路要走,但可以预见的是,随着氢气制取技术渐趋多样化,有望摆脱传统贵金属助催化剂体系,为设计廉价、高效的光催化体系提供新途径。

  氢燃料电池是被看好的21世纪新能源之一,在无人机、汽车、工厂、住宅供电等方面都有着极大的需求和应用前景,甚至在未来有望取代现有石油经济体系的“氢经济”时代,成为人类生活必不可少的能源。世界各国都对氢燃料电池表现出极大的热情并投入巨大的资金。而且我国国家顶层设计也在加快燃料电池的市场化步伐,积极培育以储氢罐、加氢站、输氢管道等为标志的氢经济或氢产业。

  氢燃料电池能否在无人机行业规模化、商业化应用,争的是当下,一件工业产品的成熟是个漫长过程,无人机行业的发展,不止眼前的苟且,还有更广阔的未来值得探索。

  注:本文引用了《中国氢燃料电池技术》《氢燃料电池的发展概况》《氢燃料发动机研究现状与发展展望》等多篇论文,中国科技部官网发布的新闻,以及公开发表的网络文章。



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