燃料電池汽車終于向我們開來了
雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有燃料電池汽車出售，消費(fèi)者也可以購(gòu)買自己的氫動(dòng)力汽車，但是，從產(chǎn)業(yè)和行業(yè)的角度來看，必須加速擴(kuò)大燃料基礎(chǔ)設(shè)施和降低燃料電池汽車的成本。
以燃料電池動(dòng)力汽車的想法已經(jīng)存在了幾十年。原則上，這些車通過氫與空氣中的氧氣的電化學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生的電力，可以減少對(duì)石油的依賴，而且，從排氣管排放的只有水。但是，盡管進(jìn)行了廣泛的車隊(duì)測(cè)試，燃料電池轎車似乎還需要5年的時(shí)間。不過.開車的人現(xiàn)在可以購(gòu)買或租賃燃料電池汽車。今天的數(shù)字很低，只有少數(shù)幾個(gè)裝有公共氫氣加油站的地理區(qū)域才有汽車供應(yīng)。但該行業(yè)正準(zhǔn)備生產(chǎn)更多的這些汽車，并擴(kuò)大加油基礎(chǔ)設(shè)施。研究人員繼續(xù)尋找降低燃料電池成本和改善耐久性的方法。
Raymond Lim，一個(gè)心理學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)講師，把自己描述成一個(gè)“喜歡嘗試新技術(shù)的汽車愛好者。”Celso Pierre也是一個(gè)喜歡酷的小玩意的人。他是一個(gè)機(jī)械工程師喜歡徒步旅行和戶外活動(dòng)。每當(dāng)彼埃爾聽到新技術(shù)，他跑去了解它。對(duì)于這兩個(gè)人來說，這種興奮早已發(fā)泄在包括電動(dòng)汽車和省油的汽車。因此，林和彼埃爾抓住機(jī)會(huì)加入了小型駕車俱樂部，他們用自己的燃料電池車在加利福尼亞的道路上行駛。利姆開的是豐田的未來，彼埃爾電的是現(xiàn)代的圖森。
這些氫燃料電池電動(dòng)汽車作為傳統(tǒng)汽車的替代品已經(jīng)發(fā)展了幾十年，它們不依賴化石燃料，也不污染環(huán)境，只排放水蒸氣。在這段時(shí)間里，許多燃料電池示范車的原型和車隊(duì)已經(jīng)記錄了數(shù)百萬英里，推進(jìn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段的運(yùn)輸技術(shù)。然而，工業(yè)觀察家們似乎對(duì)汽車燃料電池汽車展廳的沒完沒了的拖延感到沮喪。據(jù)科技愛好者們預(yù)測(cè)，這些汽車每年都會(huì)在市場(chǎng)上“五年后”到達(dá)市場(chǎng)，這意味著汽車工業(yè)在很大程度上放棄了生產(chǎn)燃料電池汽車。
那種印象完全是錯(cuò)誤的。工業(yè)界繼續(xù)致力于這項(xiàng)技術(shù)，而“過去五年”的預(yù)測(cè)在過去幾年終于實(shí)現(xiàn)了。雖然今天出售或租賃的燃料電池汽車的數(shù)量相對(duì)少，而且車輛只能在特定的地理區(qū)域內(nèi)使用，私人汽車司機(jī)最終才有可能駕駛一輛車離開該地段。與此同時(shí)，工業(yè)界正在擴(kuò)大美國(guó)和其他國(guó)家的氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施，并繼續(xù)設(shè)法使車輛更便宜、更耐用。
燃料電池的崛起
燃料電池的概念可以追溯到19世紀(jì)，但直到上個(gè)世紀(jì)，各種類型的演示裝置才證明這些電化學(xué)裝置能夠可靠地產(chǎn)生電流。當(dāng)美國(guó)國(guó)家航空航天局在1960年代和1970年代在雙子座和阿波羅任務(wù)以及其他太空計(jì)劃中使用這些發(fā)電機(jī)時(shí)，它們被認(rèn)為是可靠的裝置。
與電池的電化學(xué)相似，燃料電池含有從化學(xué)反應(yīng)中提取有用電能的電極。在電池和燃料電池中，當(dāng)一個(gè)正極通過一個(gè)外部電路連接到一個(gè)負(fù)極時(shí)，就會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。當(dāng)陽極發(fā)生氧化反應(yīng)并在陰極上進(jìn)行還原時(shí)，電子流過電路，為連接它的裝置提供電發(fā)動(dòng)機(jī)，如燃料電池汽車。
和燃料電池汽車有關(guān)的數(shù)字
57500美元廠商建議零售價(jià)為2017豐田的未來
370個(gè)燃料電池單電池堆在Mirai的的燃料電池中
~ 5千克質(zhì)量的氫氣存儲(chǔ)在未來的燃料箱中
≥480和＜240行駛公里分別 對(duì)于在一個(gè)氫罐和各種電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車上。
< 5和30 - 720分鐘 分別對(duì)于氫燃料和電動(dòng)汽車的電池充電時(shí)間，
但不同的電池，其存儲(chǔ)的氧化劑和還原劑的電化學(xué)燃料電池包內(nèi)，從外部吸取氧化劑和燃料。因此，燃料電池不會(huì)耗盡或需要像電池那樣充電。原則上，只要燃料源源不斷的新進(jìn)入設(shè)備中，燃料電池就可以繼續(xù)發(fā)電。
許多類型的燃料電池已經(jīng)通過研究和開發(fā)階段，并有幾個(gè)版本已經(jīng)商業(yè)化。這種裝置主要區(qū)別于電解質(zhì)，它是在電極之間傳輸離子的介質(zhì)；構(gòu)成電極和其他元件的材料；以及預(yù)期的應(yīng)用。
燃料從設(shè)備到設(shè)備也各不相同。在堿性燃料電池中，氫氣用作燃料和氧氣作為氧化劑。但是也有從醇或碳?xì)浠衔镏刑崛涞南到y(tǒng)，以及直接使用甲醇的，而不首先將它轉(zhuǎn)化為氫。
汽車燃料電池目前主要依賴于聚合物電解質(zhì)膜（PEM）。微米厚的薄膜有兩個(gè)功能：它是一種固體電解質(zhì)，將氫離子從陽極傳導(dǎo)到陰極，它是一種氣體分離器，可以防止氫氣和氧氣直接、不受控制地混合。這種混合燃料的浪費(fèi)，使燃料電池運(yùn)行效率低下，導(dǎo)致副產(chǎn)物，可以降低燃料電池組件。
燃料電池汽車的數(shù)量已經(jīng)從2015年開始進(jìn)入零售市場(chǎng)也穩(wěn)步增長(zhǎng)，當(dāng)豐田開始在日本和加利福尼亞出售他們汽車。現(xiàn)代和本田也進(jìn)入零售市場(chǎng)，所以數(shù)字開始攀升。
2016，豐田增加了其四座燃料電池汽車，生產(chǎn)的未來，這意味著“未來”在日本，從2015的700輛，到2016級(jí)約2000輛。今年該公司計(jì)劃生產(chǎn)約3000輛。
根據(jù)在現(xiàn)代的燃料電池研究實(shí)驗(yàn)室的一名研究員Bo Ki Hong的說法，韓國(guó)汽車制造商預(yù)計(jì)將生產(chǎn)約1000的途勝燃料電池的緊湊型SUV今年年底分發(fā)給18個(gè)國(guó)家。本田正在生產(chǎn)同樣數(shù)量的清晰車，一款運(yùn)動(dòng)型五座燃料電池轎車。所有三家汽車制造商，都是目前在美國(guó)銷售或租賃燃料電池轎車的唯一公司，它們的共同目標(biāo)是在10年后將生產(chǎn)水平提高到數(shù)萬。
那么，是什么能讓燃料電池汽車在五年后從經(jīng)銷商到最后停在人們的車庫里呢？首先，汽車制造商不斷獲得工程和制造業(yè)方面的經(jīng)驗(yàn)，這有助于降低生產(chǎn)成本。他們還不斷提高質(zhì)子交換膜燃料電池的效率，并學(xué)會(huì)如何大大減少昂貴的鉑，使設(shè)備仍然可以有效地工作。這些進(jìn)步轉(zhuǎn)化為更便宜、更小型、更強(qiáng)大的設(shè)備，為設(shè)計(jì)各種尺寸和價(jià)格吸引顧客的汽車提供了靈活性。
這幅圖顯示了豐田未來的燃料電池汽車主要部件。
氫是汽車的動(dòng)力
成長(zhǎng)的空間（煩惱）
但是，汽車制造商是否會(huì)達(dá)到他們的生產(chǎn)目標(biāo)，很大程度上取決于車主們對(duì)燃料電池汽車的滿意程度。洪說：“顧客期望與汽油和柴油動(dòng)力汽車的性能和駕駛體驗(yàn)都是一樣的。”。
LIM大為贊賞他的Mirai性能。“這輛車很棒，”他說。他說：“這段旅程平穩(wěn)、安靜、有力。當(dāng)談到加油時(shí)，這個(gè)過程很快——“不到五分鐘，這就讓我行駛了300多英里（約480公里）。”。
這些與汽油動(dòng)力汽車相似之處突出表現(xiàn)為燃料電池汽車優(yōu)于電池驅(qū)動(dòng)的全電動(dòng)汽車。許多類型的汽車，也被稱為插電式，需要30分鐘到12小時(shí)的完全充電，這取決于充電器的類型。許多車?yán)m(xù)航旅行少于150英里（約240公里）左右。
這些因素似乎讓燃料電池汽車占了上風(fēng)。但燃料電池汽車需要?dú)洌壳懊绹?guó)只有40家零售加氫站，幾乎全部在加利福尼亞。
“在這種雞和蛋的困局情況下，”多倫多地區(qū)的燃料電池制造商。Hydrogenics首席技術(shù)官Joseph Cargnelli說，他說，如果消費(fèi)者不能很方便地獲得氫，燃料電池汽車生產(chǎn)商就會(huì)對(duì)提高產(chǎn)量猶豫不決。氫氣供應(yīng)商也會(huì)因?yàn)闆]有足夠的燃料的需求而不確定建設(shè)加氫站。
但加氫站的數(shù)量還是在增長(zhǎng)。加利福尼亞預(yù)計(jì)將增加36個(gè)站，2018個(gè)，一半在北部，一半在南部。
氫加油站也將向東北方向發(fā)展。根據(jù)Jana L. Hartline的說法，豐田公關(guān)經(jīng)理，豐田，與法國(guó)液化空氣集團(tuán)合作，支持12個(gè)氫燃料站在紐約，新澤西，馬薩諸塞州，羅得島和康涅狄格建設(shè)。她說，第一站應(yīng)該在年底前完成。在日本，法國(guó)液化空氣集團(tuán)，豐田，和其他九家日本公司同意建立160座加氫站和目的把40000輛燃料電池車2020年送上日本的道路。
燃料電池轎車的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這種電化學(xué)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的其他車型，因此，它們受到了最多的關(guān)注。然而，其他車型也取得了顯著的成功。例如，無污染，燃料電池公交車走過擁擠的城市街道自本世紀(jì)初以來，根據(jù)美國(guó)能源部的報(bào)告，在全球范圍內(nèi)，到2015年有370輛燃料電池公共汽車交付使用。
另外，雖然18輪大卡車似乎不可能很快被燃料電池拖著在公路上亂跑 ， 但是，豐田今年早些時(shí)候已經(jīng)開始在洛杉磯港的一個(gè)原型車試驗(yàn)。
燃料電池叉車的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于公路車輛。北美洲的主要倉庫運(yùn)營(yíng)商，包括亞馬遜、沃爾瑪和聯(lián)邦，都使用大約15000輛的室內(nèi)車輛往返穿梭在產(chǎn)品和設(shè)備中。不同于標(biāo)準(zhǔn)電池供電的版本，這些燃料電池供電的版本不需要坐30分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間來充電。
要解決的問題
即使商用燃料電池汽車的數(shù)量增加，研究人員仍在尋找降低成本和提高耐久性的方法。降低標(biāo)簽價(jià)格的最好研究方法之一是減少用作燃料電池電極催化劑的鉑量，以介導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)。
通用汽車燃料電池研發(fā)總監(jiān)Mark F. Mathias說：“鉑金長(zhǎng)期以來一直是燃料電池成本的象征。”。在過去的10年中，通用汽車和其他燃料電池汽車制造商一樣，成功地將汽車燃料電池堆中使用的鉑量從每輛車的大約80克降到30克以下。馬蒂亞斯說，目前，每輛車的目標(biāo)是10克，這個(gè)價(jià)值相當(dāng)可觀。
燃料電池制造商已經(jīng)采取了許多策略來減少所需的貴金屬質(zhì)量，同時(shí)確保燃料電池可靠地運(yùn)行。一個(gè)關(guān)鍵的方法是盡可能徹底地分散鉑，例如，在高表面積的碳支撐材料上，最大限度地提高鉑的表面積，用于燃料電池的反應(yīng)。
一些研究人員正在探索降低鉑和其他貴金屬成本的可能性。洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和同事Piotr Zelenay準(zhǔn)備由氮、碳催化劑，以及廉價(jià)的過渡金屬如鐵或鈷具有高活性的氧還原反應(yīng)，氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵過程。
提高這些有前途的催化劑的性能需要詳細(xì)了解其活性位點(diǎn)的性質(zhì)。因此，洛斯阿拉莫斯集團(tuán)聯(lián)手在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員分析fe-n-c燃料電池催化劑采用先進(jìn)的電子顯微鏡和計(jì)算技術(shù)。該研究揭示了碳氮協(xié)調(diào)fen4嵌入式單位最有可能負(fù)責(zé)的高催化活性物種（科學(xué)2017，DOI: 10.1126 /科學(xué)。aan2255）。
同時(shí)，德拉瓦大學(xué)的Ajay K. Prasad，Dionisios G. Vlachos和同事們正在努力改進(jìn)燃料電池的耐久性。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的，提高質(zhì)子交換膜燃料電池中常用的全氟磺酸膜的耐久性，低成本的方式。即使是少量的氫和氧通過膜泄漏，這是一個(gè)常見的問題，導(dǎo)致降解這些膜和縮短設(shè)備壽命的反應(yīng)。泄漏，或“交叉”在過氧化氫和自由基的形成的結(jié)果，包括OH·和OH·, 攻擊膜的C–S 結(jié)合處形成針孔缺陷和最終。研究小組表明，用廉價(jià)的碳化鎢納米顆粒處理該膜，可以通過粒子捕獲自由基和抑制過氧化氫的形成來延長(zhǎng)其壽命。通信。2017，DOI: 10.1038 / s41467-017-00507-6）。
隨著汽車制造商繼續(xù)降低汽車標(biāo)簽價(jià)格，推動(dòng)燃料電池轎車的生產(chǎn)，越來越多的私人汽車司機(jī)將有機(jī)會(huì)擁有一輛。一些汽車的環(huán)保零排放會(huì)激發(fā)他們的動(dòng)力，而另一些則會(huì)被最新技術(shù)的熱愛或氫動(dòng)力所吸引。
當(dāng)然，還有些人可能從未來汽車抓到燃料電池汽車的問題。“我得到的時(shí)候所有的車都向我問候，”他高興地說道。“人們總是看著我的方向向我揮手。”利姆喜歡和他們談?wù)撍臍淙剂想姵剀嚕⑶掖_保手邊備有一大堆汽車說明書。“我已經(jīng)這樣做超過了100次，”他說。
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